（绥化学院电气工程学院，黑龙江绥化152061）

0 引言

4G网络时代通信基站的建站数量和密度远远高于3G时代，BBU-RRU组合的基站覆盖方式是4G网络发展的主流，RRU逐步替代了微基站和室外宏基站[1-2]。塔放式RRU因其具有馈线损耗小，发射效率高等优点得到广泛应用。但是作为孤立高耸的构筑物，通信铁塔十分容易遭受雷击。铁塔遭受雷击后，雷电流分流至RRU上塔线缆，雷电浪涌沿线缆侵入机房，极易造成机房内BBU等设备损坏[3]。

电涌保护器是抑制雷电浪涌过电压的有效设备，在电力与通信系统中得到广泛应用[4]。目前关于电力、通信系统电涌保护器具体配合方式[5-6]和配合机理[7]已经十分成熟，但是塔放式RRU安装方式不同于传统基站[8]，因此也影响了塔放式RRU电涌保护器的安装与保护方式，而对此方面的研究相对较少，相关防护标准和建议[9-10]大多局限于经验性指导描述，缺乏具体防护措施效果的定量与定性分析。

笔者介绍几种常见的塔放式RRU的直流电源防护模式，利用EMTP软件[11]搭建仿真电路模型，分析不同SPD保护模式的防护效果，讨论通信铁塔高度和雷电流波形对RRU电源线上电流幅值的影响，计算不同雷电流波形下电缆与SPD承受能量占全部能量的比值，为塔放式RRU直流电源的雷电浪涌防护提供相关参考。

1 塔放式RRU保护模式

图1给出了一个典型的分布式基站塔放式RRU安装场景。RRU承担基站的射频处理部分，BBU承担基带处理部分，RRU安装在铁塔上，BBU安装在室内机房，二者通过光缆连接，形成分布式基站形态[1]。

图1 塔放式RRU示意图Fig.1 Schematic diagram of RRU mounted at the top of the tower

由于塔放式RRU的天馈线较短，电源线较长，因此防护重点放在电源线路。电源线与铁塔首末两端均通过安装SPD实现瞬态等电位连接。RRU直流电源防护应该具有差模防护与共模防护功能，图2给出了几种常见的保护模式[10]。

图2 直流电源SPD保护模式Fig.2 SPD protection modes of DC power supply

2 仿真模型

2.1 雷电流模型

雷电流等效波形采用双指数函数波，具体表达式如式（1）所示[12]：

式中：Im为雷电流幅值，kA；α和β分别为波头时间常数和波尾时间常数；kc为幅值修正系数，kc=mm/（m-1）/（m-1），其中m=β/α。

2.2 铁塔与线缆模型

分析雷击铁塔浪涌传播过程时主要考虑铁塔和线缆的自阻抗和二者之间的互感影响。

铁塔电阻与电感通过下式计算[13-14]：

式中：ρt为铁塔钢材电阻率；h为铁塔高度；A为铁塔截面积。计算铁塔电感时将其视作带状体钢材[15]，长为l，宽为d，厚度为t，钢材电阻率为1.72×10-8Ω.m。

直流电缆电阻与电感通过下式计算[16]：

式中：ρw为电缆电阻率；l为电缆线长度；rw为电缆线半径。专用直流电缆标称截面6 mm2，电阻率1.75×10-8Ω.m，绝缘层厚度0.8 mm，相对介电常数4.55，相对磁导率为1。

电缆与铁塔间的互感通过下式计算[17]：

式中：w为直流电缆中心线到铁塔内侧距离；d为铁塔厚度。

2.3 SPD模型

SPD采用氧化锌压敏电阻，电流与电压之间的关系服从下式关系[18]：

式中：ib为陡波电流，kA；p、q是常数；q的典型值为20～30；Uref为压敏电阻参考电压。仿真时采用SPD标称工作电压48 V，最大持续运行电压85 V，8/20 μs，20kA雷电流冲击下残压不大于300V[19]。

3 仿真结果

3.1 线间残压与电流

图3给出了雷击铁塔塔顶时，三种保护方式下-48 V、RTN线与铁塔之间电位差。雷电流幅值20 kA，波形8/20 μs，对应的雷电流通道波阻抗1 000 Ω。铁塔接地电阻4 Ω，高20 m。

图3 线间电位差Fig.3 Potential difference between the-48 V and RTN

由图3可以看出，a、b、c三种保护模式下，-48 V与铁塔、RTN线与铁塔之间电位差均得到了较好的抑制，既不会对直流电源的绝缘产生威胁，又能为其提供有效的浪涌过电压防护。需要指出的是，虽然三种保护模式均提供了较好的共模防护，但-48 V与RTN线间仍然存在电位差，产生电压漂移。c类保护模式的电位差最小，小于2 V，不会对设备的正常工作产生影响。

图4给出了三种保护模式下流经-48 V电缆雷电流波形。

图4 三种保护模式下电缆线电流Fig.4 Cable currents under three protection modes

从图4可以看出，a类保护模式与b类保护模式下流经电缆的雷电流波形较为接近，c类保护模式下波形持续时间最短。

表1给出了不同雷击电流幅值下，三种保护模式流经电缆的雷电流幅值。

表1 不同雷击电流下流经电缆电流幅值Table 1 Amplitude of DC cable current under different lightning current

从表1可以看出，当电流幅值较小时，三种保护模式下流经电缆电流幅值较为接近，电流幅值继续增大时，幅值差距逐渐拉大，a类模式最高，c类保护模式流经电缆电流幅值最小。

不同雷击电流幅值下，三种保护模式中绝大部分电流都经由铁塔泄散，这是因为电缆阻抗要远大于铁塔等值阻抗。但随着雷击电流幅值的增大，电缆分得电流比例有所增加。

由于c类保护模式下电缆波形持续时间最短，电流幅值也最小，承受的雷电能量也最少，因此不考虑费用情况下，c类保护模式能够取得最好的防护效果。

3.2 铁塔高度影响

通信铁塔的高度除了会影响其遭受雷击的概率[20]外，还会改变铁塔与电缆的分流。图5和表2分别给出c类保护模式下铁塔高度对流经电缆电流波形和幅值的影响。

图5 铁塔高度对流经电缆电流影响Fig.5 Cable current vs.height of the tower

从图5和表2可以看出，铁塔高度对流经电缆电流存在一定影响，铁塔高度越高，流经电缆电流幅值越大。铁塔高度越低，电流持续时间越短。

表2 不同铁塔高度下流经电缆电流幅值Table 2 Amplitude of DC cable current under different height of the tower

3.3 雷电流波形影响

图6给出了不同雷电流波形对流经电缆电流的影响。

图6 雷电流波形对流经电缆电流影响Fig.6 Influence of lightning current waveform on cable current

由图6可以看出，雷电流波头时间越短，流经电缆的电流幅值越大，波形持续时间越短。这主要是因为雷电流波头时间越短，电流高频成分越丰富，但电缆阻抗增加不如铁塔阻抗增加明显。

3.4 能量分配

图7给出了不同雷电流波形下，电缆与SPD承受的能量占全部能量的百分比。

图7 雷电流波形对能量分配的影响Fig.7 Influence of lightning current waveform on energy distribution

由图7可以看出，雷电流波形对电缆承受能量的比值影响相对很小，但对SPD承受能量的比值影响很大。波头时间固定情况下，雷电流波尾时间越长，SPD承受能量的比值越小；波尾时间固定情况下，雷电流波头时间越短，SPD承受能量的比值越大。

4 结语

利用EMTP软件搭建仿真电路模型，分析不同SPD保护模式对塔放式RRU直流电源的防护效果，得到结论如下：

1）在-48 V与RTN线、-48 V与铁塔、RTN线与铁塔间均安装SPD时，能够获得最好的防护效果，流经电缆的电流幅值最低，电流持续时间也最短。

2）铁塔高度越高，流经电缆电流幅值越大，电流持续时间也越长。

3）雷电流波头时间越短，流经电缆电流幅值越大，但波形持续时间越短。

4）雷电流波形对电缆承受能量的比值影响很小，但对SPD承受能量的比值影响很大。

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