通信基站供電系統(tǒng)雷電波侵入的仿真研究

王語園，徐志偉,2

（1.陜西鐵路工程職業(yè)技術學院，渭南 714000；2.西安交通大學，西安 710049）

0 引言

鐵路通信基站供電系統(tǒng)防雷接地設施合理設置是保證基站可靠工作的基礎。文獻[1～3]指出通信基站供電系統(tǒng)的雷電危害主要來自雷電波侵入。文獻[4～8]研究了雷電波的特性及對絕緣材料的影響。文獻[2]建立了避雷器、電纜等設備模型，但都沒有詳細分析各種因素對通信基站供電系統(tǒng)熔斷器和變壓器的影響。本文針對雷電波侵入時，仿真分析線路的波阻抗、電纜的長度、變壓器入口電容變化對熔斷器電流和變壓器過電壓的影響，并提出相應的保護措施。

1 雷電波入侵仿真模型

某鐵路通信基站供電系統(tǒng)選用干式變壓器，容量20kVA，線路側(cè)安裝負荷開關，通過電纜與箱式變電站相連，負荷開關靠線路側(cè)裝設氧化鋅避雷器。穿墻套管與變壓器之間安裝熔斷器，變壓器二次側(cè)一條電纜給線路負荷開關提供電源，一條電纜給通信機械室提供電源。通信機械室安裝避雷裝置。由此可以繪出接線原理圖如圖1所示。計算時采用單相模擬，等值電路如圖2所示。

當雷電波遇到從通信基站引出的電纜時，就會沿電纜導體向通信基站傳播，從而形成雷電波入侵[7,8]。仿真模型如圖3所示，圖中避雷器表示為MOA，電纜線路表示為LCC，線路波阻抗表示為Z，電纜左右兩側(cè)接地電阻表示為R1、R2，變壓器入口電容為C，雷電侵入波為L-imp。

圖1 變壓器接線圖

圖2 等值計算圖

圖3 仿真模型

2 仿真計算

2.1 改變波阻抗大小的仿真結(jié)果

波阻抗的大小是隨著環(huán)境的變化而改變的，采用不同的架空線也會使得波阻抗不同。表1為改變波阻抗的仿真計算結(jié)果。圖4、圖5是波阻抗為100Ω和800Ω時，流過熔斷器的電流波形和變壓器過電壓的波形。

表1 改變波阻抗的計算結(jié)果

圖4 波阻抗100Ω時的電壓、電流波形

分析表1可知，波阻抗逐漸增大時，雷電侵入波流過熔斷器的電流和變壓器過電壓逐漸減小，這是由于雷電波的反射被架空線波阻抗阻擋，減小了危害。實際中的架空線波阻抗在400Ω左右，通過熔斷器的電流在18.68A左右，已經(jīng)超出了熔斷器的額定通斷電流，會對熔斷器造成損害；而變壓器的最大允許電壓為180kV，由結(jié)果可以看出沒有超過變壓器的最大允許電壓，不會對變壓器造成危害。

圖5 波阻抗800Ω時的電壓、電流波形

2.2 改變電纜長度的計算結(jié)果

電纜進入通信基站時，不同的電纜長度對雷電波的屏蔽作用不同。取長度不同的電纜進行仿真實驗，所得數(shù)據(jù)如表2所示。圖6、圖7是電纜長度為200m和1200m時，流過熔斷器的電流波形和變壓器過電壓波形。

表2 改變電纜長度的計算結(jié)果

圖6 電纜200m時的電壓、電流波形

圖7 電纜1200m時的電壓、電流波形

可以看出，變壓器上的過電壓沒有超過變壓器的最大允許電壓，而通過熔斷器的電流超過了熔斷器的最大允許電流，這種情況必然會對變壓器和熔斷器造成損害。

2.3 改變變壓器入口電容的仿真結(jié)果

變壓器入口電容在每個基站不一定相同，這是由于不同的通信基站，可能采用不同的變壓器。表3為改變變壓器入口電容的計算結(jié)果。圖8、圖9是入口電容為100pF和1000pF時，流過熔斷器的電流、變壓器過電壓的波形。

表3 改變變壓器入口電容的計算結(jié)果

圖8 入口電容100pF時的電壓、電流波形

圖9 入口電容1000pF時的電壓、電流波形

根據(jù)仿真數(shù)據(jù)可知，變壓器入口電容逐漸增大，變壓器上的過電壓變化不大，熔斷器上流過的電流大大增加。主要原因是隨著變壓器入口電容的增大，等效的阻抗也就逐漸減小，因此就會導致變壓器上的過電壓減小，而通過熔斷器的電流逐漸增大，這這些情況下都會對熔斷器造成危害。由此可見，變壓器的選擇對熔斷器的選擇也具有一定的影響。

2.4 電纜末端加避雷器的計算結(jié)果

從上面的仿真結(jié)果可以看出，當雷電波入侵時會對熔斷器有危害，為了保護變壓器和熔斷器，必須要采取一定的措施。電纜末端安裝有避雷器和未安裝避雷器的對比分析如表4所示。圖10為電纜末端加裝避雷器后的電壓和電流波形。

表4 是否裝有避雷器的對比

可以看出，電纜末端安裝避雷器之后，變壓器上的最大過電壓有了明顯的減小，通過熔斷器的電流也有了很大幅度的衰減。因此加裝避雷器之后起到了保護作用。

圖10 裝有避雷器時的電壓、電流波形

3 結(jié)論

1）線路波阻抗逐漸增大時，熔斷器流過的電流和變壓器過電壓都有所減小。在實際的情況中，一般不會變壓器造成損害，但是大大超出了熔斷器的最大允許電流，會對熔斷器造成嚴重的危害。

2）在相同的雷電波侵入的條件下，隨著電纜長度的增加，電纜末端的電壓必然會增大。

3）隨著變壓器入口電容的增大，通過熔斷器的電流有了明顯的增加，對熔斷器的危害就更為嚴重，因此必須采取一定的保護措施。

4）在電纜末端加裝避雷器之后，變壓器上的過電壓和通過熔斷器的電流都有了明顯的減小。因此，在電纜末端加裝一個避雷器不失為一種有效地防止雷電波侵入的保護方式。

[1]王建國,王富元,等.雷電波對通信設備危害的實驗研究[J].鐵道通信信號,2006,(8):10-13.

[2]唐金勝,劉云鵬,等.雷電波侵入通信基站的仿真研究[J].鐵道運營技術,2010,16(3):23-25.

[3]唐金勝,劉云鵬,等.通信基站接地網(wǎng)地電位分布的研究[J].低壓電器,2009,(20):25-29.

[4]張立,劉清惓,等.雷電波在屏蔽線纜中的傳輸特性研究[J].電磁避雷器,2017,(02):7-13.

[5]朱岸明,楊大渭,等.FRP復合材料桿塔橫擔研究應用現(xiàn)狀及分析[J].電網(wǎng)與清潔能源,2015,(10): 76-82.

[6]陳怡甸,鄧洪洲.新舊桿塔技術規(guī)定對剛性法蘭設計對比研究[J].電網(wǎng)與清潔能源,2015,(02):21-27.

[7]陳叢叢,張小青.雷電波的衰減與變形問題研究[J].中國電力,2013,(12):12-15.

[8]李瑞芳,吳廣寧,等.雷電流幅值概率計算公式[J].電工技術學報,2011,(04):161-167.

[9]王林,趙懷林,等.基于RS-485接口的電涌保護器設計與應用研究[J].電瓷避雷器,2016,(01):95-100.

[10]李祥超,周中山,等.氣體放電管與壓敏電阻能量配合的分析[J].電器與能效管理技術,2014,(21):26-31.