移動基站共址架空輸電塔專用防雷系統研究

邵明馳

(國網江蘇省電力有限公司南京供電分公司，江蘇 南京 210019)

0 引 言

移動基站是移動公司為完成用戶間信息傳遞和交換的媒介。近年來，隨著5G網絡的提出，移動基站的建設成為移動公司未來幾年主要業務之一。然而，移動基站建設首要面臨的問題就是選址困難，不僅費用高昂、周期長，還要面對與周圍居民的協調問題，建站阻力較大[1]。移動基站與架空輸電塔共址解決了建站選址困難的問題，節省了建站成本，但是同時也共享了架空輸電塔面臨的問題，即易遭受雷擊。雖然，架空輸電塔上一般都會安裝防雷系統，但是這些防雷系統由于并不是針對移動基站設計的，因此并不能幫助移動基站很好地防止雷電的破壞[2]。針對上述情況，本文根據架空輸電塔防雷設計經驗，設計一種專門用于移動基站與架空輸電塔共址專用的防雷系統，使得在架空輸電塔的同時，能夠起到保護移動基站的作用。

1 移動基站共址架空輸電塔專用防雷系統設計

架空輸電塔離地較高，形成了突出形態，因此一旦遭遇雷雨天氣，受到雷擊的風險將大大提高。安裝在架空輸電塔上的防雷擊系統由于不是針對移動基站設計，因此并不能很好地保護移動基站，而再安裝一個專門保護移動基站的防雷系統不僅成本高，更重要的是會加重架空輸電塔負擔，有可能影響正常輸電[3]。針對上述情況，設計一個移動基站與架空輸電塔共址情況下的專用防雷系統必不可少，既能保護架空輸電塔，又能保護移動基站。

1.1 系統框架設計

采用B/S架構的模式來設計本文移動基站共址架空輸電塔專用防雷系統的框架。B/S架構容易開發，跨平臺性好，容易維護，且能很好地搭載各種設備和合理布置[4]。基于B/S架構本文系統框架主要分為三層：前端雷電環境監測層、管理控制中心層和防雷方案執行層。具體如圖1所示。

由圖1可知，移動基站共址架空輸電塔專用防雷系統包括前端雷電環境監測層、管理控制中心層和防雷方案執行層。前端雷電環境監測層是雷電防護的基礎層，具有兩種作用：第一是監測雷電產生和強度變化情況，給出災害預報；第二是給后期雷電故障排查提供指導和建議[5]。

圖1 移動基站共址架空輸電塔專用防雷系統框架

管理控制中心層：通過核心控制處理器與元件相連，具有中央控制的作用；觸發回路與防雷間隙結構相連，起到系統協調控制與保護的作用。

防雷方案執行層：執行管理控制中心層命令，控制防雷設備工作，具體包括內部防雷設備和外部防雷設備兩種類型，實現移動基站與架空輸電塔的全面保護[6]。

1.2 觸發回路

本文所設計的觸發電路主要包括觸發源選擇、觸發比較和預觸發等。先采用FPGA中RAM資源定制了一個2K字節的FIFO作為采集數據的暫存區，然后通過防雷間隙結構實現觸發電路的多種功能。建立的共用接地裝置的觸發回路如圖2所示。

圖2 共用接地裝置的觸發回路

1.3 共用接地裝置

本文研究的核心是設計一個綜合防雷系統，既要保護架空輸電塔，又要保護移動基站。系統的現場防雷設備大致分為兩類：一是外部防雷設備；二是內部防雷設備。外部防雷設備為安裝在外部環境中的防雷設備，主要包括接閃器、避雷針和避雷線等；內部防雷設備為安裝在設備內部的防雷設備，在這里主要是指移動基站與架空輸電塔相關設備的防雷間隙結構，一般與觸發回路連接，起到防雷和屏蔽的作用[7]。這兩部分相互獨立、相互滲透又相互配合，起著重要的作用。為更好地實現對移動基站與架空輸電塔的保護以及節省安裝成本，本文設計一種共用接地裝置，即無論是外部防雷設備，還是移動基站與架空輸電塔內部的內部防雷設備，都通過該裝置將雷電導入大地，分散雷電帶來的破壞力。共用接地裝置連接如圖3所示。

圖3 共用接地裝置連接示意圖

接地裝置是本文所設計的防雷系統當中非常重要的一個元件。為更好地適應一對多的情況，本文在傳統接地裝置研究的基礎上進行改造，設計一種銅鏈鋼棒接地裝置。該裝置導電性能更強，使用壽命更長。

1.4 電壓抑制算法

本文選用并聯間隙方法對雷擊過電壓進行抑制，當防雷間隙結構中的并聯間隙長度為絕緣子串長度的70%～80%，可以對絕緣子串進行保護，避免受到灼燒。

針對移動基站與架空輸電塔輸電線路一般采用三片懸式絕緣子，設置并聯間隙長度為0.40 m，計算絕緣子的伏秒特性。

(1)

式中:UFO為雷擊過電壓；t為灼燒時間；l為絕緣子串長度。根據絕緣子的伏秒特性，在正負極性標準雷電波的作用下，計算閃絡電壓。

(2)

(3)

(4)

式中:P為雷電流I超過的概率。

根據獲取到的雷電流超出概率，系統會發出預警，共用接地裝置的觸發回路會對雷電流進行疏導，有效地抑制雷擊過電壓，避免線路跳閘。

2 系統功能測試

2.1 測試環境

Keil uVision2集成開發環境是一個基于 Windows的開發平臺，包含高效的編輯器、項目管理器和MAKE工具。Keil uVision2支持所有的KEIL8051工具，包括C編譯器、宏匯編器連接/定位器、目標代碼和HEX的轉換器，在 Keil uVision2 開發環境中完成系統測試。線路選擇年累暴日100天的多雷地區——天津靜海。如圖4所示。

圖4 防雷間隙安裝線路

2.2 測試條件

為了更加真實地驗證本文移動基站共址架空輸電塔專用防雷系統性能，在遭受雷電天氣較多的天津靜海一處移動基站共址架空輸電塔上安裝本系統，并進行了防雷工程的改造。

通過測試環境設置線路的耐雷水平為74 kA，絕緣子沖擊耐受壓為500 kV。移動基站共址架空輸電塔數據如表1所示。

表1 移動基站共址架空輸電塔數據

2.3 性能測試

系統性能測試結果如表2所示。

表2 系統性能測試結果

從表2可以看出:在使用本文移動基站共址架空輸電塔專用防雷系統之前，實測接地電阻為6.75 Ω，不能滿足接地電阻要求值(0.54 Ω)；而在使用本文移動基站共址架空輸電塔專用防雷系統后，接地電阻都由6.75 Ω降到了0.54 Ω以下。由此證明本系統具有很好的防雷作用。

2.4 跳閘次數

將歷年(2015年—2018年)的線路避雷器防電次數和2019年應用本文設計的移動基站共址架空輸電塔專用防雷系統的線路避雷器防電次數進行對比，結果如圖5所示。

圖5 2015—2019年跳閘次數對比

由圖5可知:2019年1月—12月份線路遭受多次雷擊，除了4月份出現過一次變電站開關跳閘，均未引起線路跳閘；而因雷擊引起線路跳閘2015年一共達到11次、2016年達到20次、2017年達到25次、2018年達到23次。從運行情況看，本文設計系統取得了很好的實際效果，有效減少了線路的雷擊跳閘率。

2.5 瞬時電壓

為了進一步驗證本文系統的有效性，對應用系統前的瞬時電壓和應用系統后的瞬時電壓進行比較，結果如圖6所示。

圖6 瞬時電壓

由圖6可知，應用系統前的瞬時電壓上下浮動較大，而應用系統后的瞬時電壓呈平穩狀態，且比應用系統前的瞬時電壓低。這是因為雷擊桿塔時，避雷線可以完全屏蔽導線，不受直擊雷通道電荷的電場影響，起到屏蔽的作用，提高了耐雷水平。

3 結束語

本文設計一種移動基站共址架空輸電塔專用防雷系統。經測試，系統功能和性能均滿足了設計要求，且有效減少了線路雷擊跳閘率，提高了耐雷水平，具有可用性。由于是初步研究，系統還需要進行改進，如升級系統，擴大系統數據庫容量以及擴大試點范圍等，使得系統應用更加廣泛。