一種室外型基站電源防雷保護的設計與實現

江蘇省通信服務有限公司維易科技服務分公司 陳黎君

1 常見防雷保護技術

雷擊破壞主要包括三重形式：直擊雷、二次雷（感應雷）以及球形雷。直擊雷是帶電的云層與大地上某一點之間發生迅猛的放電現象，其發生幾率比較低，一次只能襲擊一個小范圍的目標，但由于放電現象發生過程迅猛，通常損害嚴重，對室外物體會產生嚴重破壞；二次雷是雷電在雷云之間或雷云對地的放電時，在附近的戶外傳輸信號線路、地埋電力線、設備間連接線上產生電磁感應并侵入設備，使串聯在線路中間或終端的電子設備遭到損害的放電現象，其損害效果沒有前者大但發生幾率比較高；球形雷又稱為球雷，一般是橙或紅色的發光球體，直徑一般約為10～20 cm，存在的時間大約為百分之幾秒至幾分鐘，一旦遇到物體或電氣設備時會產生燃燒或爆炸。

德國專家希曼斯基提出了現代防雷保護的三道防線：外部保護，內部保護和過電壓保護。現代防雷保護的三道防線相互配合，各盡其職。外部保護由接閃器（避雷針、避雷帶）、引下線、接地體組成，可將絕大部分雷電能量直接導入地下泄放，起到攔截、泄放雷擊電流；內部保護阻塞沿電源線或數據線、信號線侵入波危害設備，主要由屏蔽、防雷器和等電位連接三部分組成；瞬間過電壓保護由均壓等電位連接、各種過電壓保護器（避雷器）等組成，其主要作用均衡系統電位，限制被保護設備上雷電過電壓幅值。根據IEC 1312制定的雷電電磁脈沖防護標準，用對電源部分和信號部分安裝電源類SPD（電涌保護器）和通信網絡類SPD進行過電壓保護。SPD是保護電子設備在受雷電閃擊或者其他干擾造成浪涌過電壓危害的有效手段，是電子設備雷電防護中不可缺少的一種裝置[1]。電涌保護器的作用是把竄入電力線、信號傳輸線的瞬時過電壓限制在設備或系統所能承受的電壓范圍內，或將強大的雷電流泄流入地，使被保護的設備或系統不受沖擊而損壞。

電涌保護器的類型和結構按不同的用途有所不同[2]，但它至少應包含一個非線性電壓限制元件。用于電涌保護器的基本元器件有：放電間隙、氣體放電管（GDT）、金屬氧化物壓敏電阻（MOV）、高分子自恢復保險絲（PPTC）、半導體放電管（TSS）和扼流線圈等。

2 室外基站雷擊侵入的途徑

2.1 架空線（電源線/信號線）引入

室外基站的架空電力線和電話線是引入雷害的主要途徑，有70%是架空線造成。雷云對架空線和避雷帶兩側的地放電會在架空線路上產生過電壓，該過電壓和過電流對足可以對電源設備、電話線端口和RF（射頻）端口造成損壞。

實驗證明，在等電位連接的情況下，基站設備受到雷擊損壞的主要原因是沒有采取適當的雷電過電壓保護措施。

2.2 地電位反擊

基站一般都建立在屋頂或塔頂之上，由金屬鋼管豎桿架設天線。這是雷擊的主要目標，雷擊豎桿時，雷電流由塔體經其接地裝置散流大地，引起地電位升高，形成反擊損壞設備。

2.3 電位差危害

基站有幾組地電位存在，第一組地電位是連接基站的交流電源，電話線和RF傳輸線；第二組是連接基站設備外殼，天線金屬支撐豎桿接地；第三組建筑物防雷接地。雷云底部的電荷在它下方的地表面感應產生一個相反電荷陰影，雷云沿大氣吹過時，雷云電荷與地電荷的電位差超過中間空氣的絕緣時，云對地產生雷擊，雷電運動沿基站輻射電荷強場運動，當基站外殼接地與電源輸入接地之間有電位差時，基站會造成損害，因此，基站應盡可能采用單點接地。

3 電源防雷保護電路設計

3.1 電路原理圖設計

如圖1所示，室外基站電源防雷保護電路分成3部分：

1）AC 220V電源防雷保護部分，使用延遲保險絲、壓敏電阻、氣體放電管以及速熔保險絲組合組成；

2）通信線路防雷保護部分，使用氣體放電管、快恢復保險絲、壓敏電阻組合組成；

3）CS（circuitsystem）間連線、Tx/Rx（發送 /接收）信號線以及GPS（全球定位系統）連線部分，這部分線路受雷電影響小，采用簡單的壓敏電阻進行限壓泄流。

3.2 防雷保護參數設計

根據防雷規范要求，三級防雷要求電源防雷保護電路抗浪涌通流能力大于等于10 kA（8/20μs），按照衰減波模型，折合成焦耳積分值I2 t約為

延時保險絲選用8A/6s的，其I2t值為599 A2s，在滿足三級防雷要求下，提供延時斷路保護。

交流引入是設備防雷重點，采用氣體放電管與壓敏電阻組成組合防雷泄流網絡進行多路保護，其中壓敏泄流電阻選用681KD14以及471KD14，保護響應時間延時小于25ns，壓敏電阻保護電路中采用1只681KD14與4只471KD14組成了多路組合壓敏泄流電路，抗浪涌能力為6＋（6＋6）/2＝12 kA，滿足三級防雷10 kA的要求。壓敏電阻具有延時小的特點，可以很好地吸收氣體放電管啟動前的沖擊電流。氣體放電管保護啟動時延較長（ms級），在壓敏電阻開始啟動保護后，當沖擊電流繼續增大，氣體放電管開始放電泄流，其泄流能力能達到20 kA。速熔保險絲采用2A的，為設備提供普通的過載斷電保護功能。

通信信號線與電源線一般走的都是架空線路，且線路較長，也是防雷保護的重點。這里采用了氣體放電三極管泄流、自恢復保險斷流、壓敏電阻快速泄流的三級防雷方案。氣體放電三極管泄流提供高浪涌時的大能量放電，其泄流能力為每路信號線大于等于5 kA。

自恢復保險絲采用高分子熱敏技術，響應速度快，在氣體放電管啟動前后能根據流過的電壓/電流（SF250-120的啟動電壓為60 V）迅速提高其電阻值，阻斷浪涌電流流入下一級電路，在浪涌電流泄放后，恢復正常工作時間小于60 s。

壓敏電阻在自恢復保險絲后級繼續對浪涌電流進行泄流，這里采用的201KD07型壓敏電阻，能在340 V電壓范圍內泄放最大不超過1.75 kA的浪涌電流。

以上三級電路結構中，后兩級（自恢復保險絲和壓敏電阻）保護響應速度高于第一級氣體放電，因此在氣體放大管大能量放電前，后兩級電路需要對初期浪涌電流進行阻斷和泄放，故后兩級器件參數不能選擇過低。

CS間連線、Tx/Rx信號線、GPS信號線受雷擊影響較小，這里采用一級壓敏電阻對每根信號線進行一些低壓防范性防雷保護，壓敏電阻采用270KD07型，能在浪涌電壓不高于53 V時提供最大500 A的通流能力。

[1]周宇.淺析3G通信基站電源系統組成及防雷解決方案[J].大眾科技,2013,15(7):7-9.

[2]張南法.電涌保護器應用中幾個問題的探討 [J].低壓電器,2002(4):9-13.. ◆