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通信基站雷电过电压保护器选择的探讨

放大字体  缩小字体 中国军工网  来源:上海潘登新电源有限公司

[摘  要] 通过多例通信基站中安装了间隙型、小通流容量(40KA、8/20μs)限压型的保护器造成雷击事故事例分析,以及欧美对防雷设计的不同理念,来探讨使用什么类型的保护器才能满足中国通信基站防雷的需要。

  通信基站雷电浪涌防护器的正确的选择与使用,可以有效地避免雷击事故的发生,保护电源及通信设备免遭损坏。
  对于通信基站,雷电入侵一般有4个口,即:感应雷从交流电源线路引入、从天馈线引入、地电位反击和通信传输线路引雷。我们可用一个实例来对移动通信基站的防雷进行分析。下面是2005年广西壮族自治区通信基站雷击造成设备损失的分类统计表。

雷击总数 市电引入部分受损次数 电源设备受损次数 传输设备受损次数 主设备受损次数
南宁 83 19 26 31 11
柳州 266 117 95 42 43
玉林 104 42 29 20 17
北海 186 89 62 25 20
桂林 66 26 35 9 10
梧州 61 49 10 3 2
河池 39 16 10 13 2
百色 42 28 7 6 2
广西 847 386 274 149 107
  从表中可以看出,市电引入部分受损次数为386次,占45%。电源设备受损次数为274次,占32%,这两部分设备受损都是由于感应雷从交流电源线路引入而造成的,总计受损次数已达77%,由此可见,交流电源的防雷是移动通信基站防雷的重点,应该做好从电源电缆线路,经过变压器进入基站,再经过交流配电箱,最后进入开关电源这一段线路的防雷工作。
  在2002年7月的雷雨季节到来之时,广东移动某一个地区就有7个基站分别在雷雨天气中被雷击中,设备受到不同程度的破坏和损失。遭雷击的基站都已经安装了XXXXX公司的间隙型(开关型)保护器或者间隙+MOV复合型,通流量10/350μs可达50kA以上,SPD安装以后,大量基站仍然在不同程度上遭到雷击的损坏,说明间隙型保护器在基站使用,没有起到任何的作用,
  2000年4月28日广东联通江门一个安装波形10/350μs、最大通流容量可达60kA以上间隙型保护器的基站遭受雷击,雷击造成空调、电源模块损坏,间隙型保护器从导轨上弹落,防雷箱承受不了间隙型保护器雷电通过时喷溅出来的火花及气体释放,箱门被弹开。
  2000年6月重庆有几十个基站作为试用安装了德国XXXX生产的SPD,SPD为间隙+电感+MOV即;3个FLT60和一个FLT100间隙组成的10/350μsSl00kA(3+1)+LT-35A(电感)+VALMS320ST8/20μs40kA(MOV+放电管组成的3+1)。2001年7月有两个基站SPD损坏,即万胜矿物局和江津党校(1号)雷击。
  上述情况仅仅反映的是通信基站雷害事故的冰山一角,根据有关资料统计结果,2002年7月-10月,在广东省同一地区的移动分局所属的基站就有60多个安装间隙型保护器的基站设备遭受雷击,其雷击概率未免高的使人不能容忍,其直接危害到通信的安全运行。

  根据中国国家气象局发布的年雷暴日指数分布统计,海南、广东、广西、云南、贵州、江西、湖南、湖北、福建、浙江等地区是我国的强雷区,因此这些地区的雷害事故就更加频繁。我们国家的气候条件和地理位置类似于西半球的美国,存在着后续雷的严重灾害;而影响中国整个防雷领域的德国,其地理位置位于北纬45-55°之间,年雷暴日指数只有15天。,故在选择防雷设备前尤其要注意。因为在南方地区,由于后续雷击连绵不断,欧洲单片式的产品一旦损坏,无法在此情况下更换,最终导致设备遭雷击损坏。
  这两个国家针对雷电防护的的要求是完全不同的,执行的标准也是有很大差异的。美国执行的是严谨的UL和IEEE标准,德国执行的是IEC标准。

我们来探讨一下箱体式防雷器与模块式防雷器的区别
  美国的地理位置,特定的气候条件,使雷电强度随机性很大,谁也无法预计到最大的雷电电流是否出现,对那些非常关键系统,又不允许有一次停机故障的发生,美国对防雷的要求首先是以安全为第一目的,要确实解决雷击大电流和后续雷的连续侵入,内部结构则采用多片MOV并联使用(MOV的筛选至关重要),甚至有每相达到几十个MOV并联使用(见图1),所以外形上是箱体式结构。优点是能安全释放大电流和灭弧,既能保护后端的被保护设备,同时又能保护自身不被雷击损坏,所以质保期能达到25-30年。缺点是防雷器体积大,不能导轨安装,不符合IEC标准。
  德国的地理位置和气候条件,每年雷击的概率相当低,雷击大电流的偶尔侵入是以预防为目的,主要是解决系统内部产生的浪涌为首要目的,所以浪涌保护器是以模块化设计。由于模块经常损坏,所以设计上以插拔更换方便为目的。

那么怎么样的雷电浪涌保护器能满足通信基站B级保护器的要求呢?
  我们先分析一下美国雷电浪涌保护器的技术特点:以美国JOSLYN产品为例,其设计的理念是要求安全,系列产品最大浪涌能力可达600KA/每相(8/20μs),可以按照不同的环境和地理位置,选用不同通流量的系列产品。由于采用专利的并列矩阵式排列和填砂灭弧技术,响应时间<1-3ns,可自动恢复经受后续感应雷的冲击,优势特别明显。并在容量设计上采用冗余能量设计(具有后备防护功能),在每个MOV,SAD上都装有一个独立的快速熔断热保护器,特具防泄露,灭弧及自动防故障功能。当某一组件出现故障,不影响整个防护装置工作,设备不会因受瞬时过压而受影响。从而提高了防护器的寿命和被防护系统的安全性,箱体采用高强度的玻璃纤维增强聚脂外壳,可在野外露天安装。

  德国对产品的设计要求是针对系统内部浪涌防护为主要目的,雷击大电流的偶尔侵入是次要考虑,以模块化设计为理念,可分为三类:①电压开关型(间隙型是一种)SPD间隙型保护器响应时间慢,残压高达4000V,两级保护器之间的去耦距离要求大于15米(通信基站机房太小,B级、C级两级保护器之间的距离,难以满足去耦距离要求),同时间隙型保护器雷击电流放电时,电极电弧可瞬间产生7000度的高温,间隙型保护器灭弧腔中会排出高速电离气体,爆炸式的气体伴随火花产生巨大冲击力,而这些炽热废气往往遗留在被保护的系统内,影响设备寿命,损坏设备中的微电子器件。从残压、退耦距离、火花气体、响应时间等因素来看,间隙型在通信基站使用将危及通信系统的安全运行;②限压型SPD:众所周知限压型SPD的响应时间最快、残压最低,但是模块化的限压型SPD,最大浪涌能力只有40KA/每相(8/20μs);③复合型SPD:有一些国内防雷公司在两级保护之间以串接电感组成退耦器以解决两级保护器之间的保护距离问题,但在电源回路中串接电感在中国电力行业的标准中是不允许的(同样可能存在两者配合盲点或者反射问题),间隙型与限压型能量配合之间存在火花放电盲点,致使间隙型不动作,造成第二级(C级)保护器承受较高的雷电流,C级保护器被雷电击坏。
  通信基站电源系统的雷电过电压保护是基站防雷工程中极为重要的一环。其中,SPD的选择问题一直困扰着各地移动、联通的建设者和规划设计者。由于国内外过电压保护器(SPD)生产厂家进入国内市场的多以百计,鱼目混珠、滥竽充数、以小充大的产品直接影响到通信基站安全的运行。由上文可以看出,不是什么样的SPD都可以解决基站防雷问题的。作为保障通信基站安全运行的SPD不能因为选择不当造成雷击事故的发生,更不能因为安装了不适合移动通信基站使用的产品造成火灾事故(由于SPD选择不当,造成火灾的事故时有发生)。因此,只有正确的选择雷电过电压保护器件和防雷方案,才能有效的减少雷害,保障通信基站的正常运行。


 
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