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    通信基站雷電過電壓保護器選擇的探討

    2006-03-09 上海潘登新電源有限公司

    [摘  要] 通過多例通信基站中安裝了間隙型、小通流容量(40KA、8/20μs)限壓型的保護器造成雷擊事故事例分析,以及歐美對防雷設計的不同理念,來探討使用什么類型的保護器才能滿足中國通信基站防雷的需要。

      通信基站雷電浪涌防護器的正確的選擇與使用,可以有效地避免雷擊事故的發生,保護電源及通信設備免遭損壞。
      對于通信基站,雷電入侵一般有4個口,即:感應雷從交流電源線路引入、從天饋線引入、地電位反擊和通信傳輸線路引雷。我們可用一個實例來對移動通信基站的防雷進行分析。下面是2005年廣西壯族自治區通信基站雷擊造成設備損失的分類統計表。

    雷擊總數 市電引入部分受損次數 電源設備受損次數 傳輸設備受損次數 主設備受損次數
    南寧 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
    廣西 847 386 274 149 107
      從表中可以看出,市電引入部分受損次數為386次,占45%。電源設備受損次數為274次,占32%,這兩部分設備受損都是由于感應雷從交流電源線路引入而造成的,總計受損次數已達77%,由此可見,交流電源的防雷是移動通信基站防雷的重點,應該做好從電源電纜線路,經過變壓器進入基站,再經過交流配電箱,最后進入開關電源這一段線路的防雷工作。
      在2002年7月的雷雨季節到來之時,廣東移動某一個地區就有7個基站分別在雷雨天氣中被雷擊中,設備受到不同程度的破壞和損失。遭雷擊的基站都已經安裝了XXXXX公司的間隙型(開關型)保護器或者間隙+MOV復合型,通流量10/350μs可達50kA以上,SPD安裝以后,大量基站仍然在不同程度上遭到雷擊的損壞,說明間隙型保護器在基站使用,沒有起到任何的作用,
      2000年4月28日廣東聯通江門一個安裝波形10/350μs、最大通流容量可達60kA以上間隙型保護器的基站遭受雷擊,雷擊造成空調、電源模塊損壞,間隙型保護器從導軌上彈落,防雷箱承受不了間隙型保護器雷電通過時噴濺出來的火花及氣體釋放,箱門被彈開。
      2000年6月重慶有幾十個基站作為試用安裝了德國XXXX生產的SPD,SPD為間隙+電感+MOV即;3個FLT60和一個FLT100間隙組成的10/350μsSl00kA(3+1)+LT-35A(電感)+VALMS320ST8/20μs40kA(MOV+放電管組成的3+1)。2001年7月有兩個基站SPD損壞,即萬勝礦物局和江津黨校(1號)雷擊。
      上述情況僅僅反映的是通信基站雷害事故的冰山一角,根據有關資料統計結果,2002年7月-10月,在廣東省同一地區的移動分局所屬的基站就有60多個安裝間隙型保護器的基站設備遭受雷擊,其雷擊概率未免高的使人不能容忍,其直接危害到通信的安全運行。

      根據中國國家氣象局發布的年雷暴日指數分布統計,海南、廣東、廣西、云南、貴州、江西、湖南、湖北、福建、浙江等地區是我國的強雷區,因此這些地區的雷害事故就更加頻繁。我們國家的氣候條件和地理位置類似于西半球的美國,存在著后續雷的嚴重災害;而影響中國整個防雷領域的德國,其地理位置位于北緯45-55°之間,年雷暴日指數只有15天。,故在選擇防雷設備前尤其要注意。因為在南方地區,由于后續雷擊連綿不斷,歐洲單片式的產品一旦損壞,無法在此情況下更換,最終導致設備遭雷擊損壞。
      這兩個國家針對雷電防護的的要求是完全不同的,執行的標準也是有很大差異的。美國執行的是嚴謹的UL和IEEE標準,德國執行的是IEC標準。

    我們來探討一下箱體式防雷器與模塊式防雷器的區別
      美國的地理位置,特定的氣候條件,使雷電強度隨機性很大,誰也無法預計到最大的雷電電流是否出現,對那些非常關鍵系統,又不允許有一次停機故障的發生,美國對防雷的要求首先是以安全為第一目的,要確實解決雷擊大電流和后續雷的連續侵入,內部結構則采用多片MOV并聯使用(MOV的篩選至關重要),甚至有每相達到幾十個MOV并聯使用(見圖1),所以外形上是箱體式結構。優點是能安全釋放大電流和滅弧,既能保護后端的被保護設備,同時又能保護自身不被雷擊損壞,所以質保期能達到25-30年。缺點是防雷器體積大,不能導軌安裝,不符合IEC標準。
      德國的地理位置和氣候條件,每年雷擊的概率相當低,雷擊大電流的偶爾侵入是以預防為目的,主要是解決系統內部產生的浪涌為首要目的,所以浪涌保護器是以模塊化設計。由于模塊經常損壞,所以設計上以插拔更換方便為目的。

    那么怎么樣的雷電浪涌保護器能滿足通信基站B級保護器的要求呢?
      我們先分析一下美國雷電浪涌保護器的技術特點:以美國JOSLYN產品為例,其設計的理念是要求安全,系列產品最大浪涌能力可達600KA/每相(8/20μs),可以按照不同的環境和地理位置,選用不同通流量的系列產品。由于采用專利的并列矩陣式排列和填砂滅弧技術,響應時間<1-3ns,可自動恢復經受后續感應雷的沖擊,優勢特別明顯。并在容量設計上采用冗余能量設計(具有后備防護功能),在每個MOV,SAD上都裝有一個獨立的快速熔斷熱保護器,特具防泄露,滅弧及自動防故障功能。當某一組件出現故障,不影響整個防護裝置工作,設備不會因受瞬時過壓而受影響。從而提高了防護器的壽命和被防護系統的安全性,箱體采用高強度的玻璃纖維增強聚脂外殼,可在野外露天安裝。

      德國對產品的設計要求是針對系統內部浪涌防護為主要目的,雷擊大電流的偶爾侵入是次要考慮,以模塊化設計為理念,可分為三類:①電壓開關型(間隙型是一種)SPD間隙型保護器響應時間慢,殘壓高達4000V,兩級保護器之間的去耦距離要求大于15米(通信基站機房太小,B級、C級兩級保護器之間的距離,難以滿足去耦距離要求),同時間隙型保護器雷擊電流放電時,電極電弧可瞬間產生7000度的高溫,間隙型保護器滅弧腔中會排出高速電離氣體,爆炸式的氣體伴隨火花產生巨大沖擊力,而這些熾熱廢氣往往遺留在被保護的系統內,影響設備壽命,損壞設備中的微電子器件。從殘壓、退耦距離、火花氣體、響應時間等因素來看,間隙型在通信基站使用將危及通信系統的安全運行;②限壓型SPD:眾所周知限壓型SPD的響應時間最快、殘壓最低,但是模塊化的限壓型SPD,最大浪涌能力只有40KA/每相(8/20μs);③復合型SPD:有一些國內防雷公司在兩級保護之間以串接電感組成退耦器以解決兩級保護器之間的保護距離問題,但在電源回路中串接電感在中國電力行業的標準中是不允許的(同樣可能存在兩者配合盲點或者反射問題),間隙型與限壓型能量配合之間存在火花放電盲點,致使間隙型不動作,造成第二級(C級)保護器承受較高的雷電流,C級保護器被雷電擊壞。
      通信基站電源系統的雷電過電壓保護是基站防雷工程中極為重要的一環。其中,SPD的選擇問題一直困擾著各地移動、聯通的建設者和規劃設計者。由于國內外過電壓保護器(SPD)生產廠家進入國內市場的多以百計,魚目混珠、濫竽充數、以小充大的產品直接影響到通信基站安全的運行。由上文可以看出,不是什么樣的SPD都可以解決基站防雷問題的。作為保障通信基站安全運行的SPD不能因為選擇不當造成雷擊事故的發生,更不能因為安裝了不適合移動通信基站使用的產品造成火災事故(由于SPD選擇不當,造成火災的事故時有發生)。因此,只有正確的選擇雷電過電壓保護器件和防雷方案,才能有效的減少雷害,保障通信基站的正常運行。


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