一种室外型基站电源防雷保护的设计与实现

江苏省通信服务有限公司维易科技服务分公司 陈黎君

1 常见防雷保护技术

雷击破坏主要包括三重形式：直击雷、二次雷（感应雷）以及球形雷。直击雷是带电的云层与大地上某一点之间发生迅猛的放电现象，其发生几率比较低，一次只能袭击一个小范围的目标，但由于放电现象发生过程迅猛，通常损害严重，对室外物体会产生严重破坏；二次雷是雷电在雷云之间或雷云对地的放电时，在附近的户外传输信号线路、地埋电力线、设备间连接线上产生电磁感应并侵入设备，使串联在线路中间或终端的电子设备遭到损害的放电现象，其损害效果没有前者大但发生几率比较高；球形雷又称为球雷，一般是橙或红色的发光球体，直径一般约为10～20 cm，存在的时间大约为百分之几秒至几分钟，一旦遇到物体或电气设备时会产生燃烧或爆炸。

德国专家希曼斯基提出了现代防雷保护的三道防线：外部保护，内部保护和过电压保护。现代防雷保护的三道防线相互配合，各尽其职。外部保护由接闪器（避雷针、避雷带）、引下线、接地体组成，可将绝大部分雷电能量直接导入地下泄放，起到拦截、泄放雷击电流；内部保护阻塞沿电源线或数据线、信号线侵入波危害设备，主要由屏蔽、防雷器和等电位连接三部分组成；瞬间过电压保护由均压等电位连接、各种过电压保护器（避雷器）等组成，其主要作用均衡系统电位，限制被保护设备上雷电过电压幅值。根据IEC 1312制定的雷电电磁脉冲防护标准，用对电源部分和信号部分安装电源类SPD（电涌保护器）和通信网络类SPD进行过电压保护。SPD是保护电子设备在受雷电闪击或者其他干扰造成浪涌过电压危害的有效手段，是电子设备雷电防护中不可缺少的一种装置[1]。电涌保护器的作用是把窜入电力线、信号传输线的瞬时过电压限制在设备或系统所能承受的电压范围内，或将强大的雷电流泄流入地，使被保护的设备或系统不受冲击而损坏。

电涌保护器的类型和结构按不同的用途有所不同[2]，但它至少应包含一个非线性电压限制元件。用于电涌保护器的基本元器件有：放电间隙、气体放电管（GDT）、金属氧化物压敏电阻（MOV）、高分子自恢复保险丝（PPTC）、半导体放电管（TSS）和扼流线圈等。

2 室外基站雷击侵入的途径

2.1 架空线（电源线/信号线）引入

室外基站的架空电力线和电话线是引入雷害的主要途径，有70%是架空线造成。雷云对架空线和避雷带两侧的地放电会在架空线路上产生过电压，该过电压和过电流对足可以对电源设备、电话线端口和RF（射频）端口造成损坏。

实验证明，在等电位连接的情况下，基站设备受到雷击损坏的主要原因是没有采取适当的雷电过电压保护措施。

2.2 地电位反击

基站一般都建立在屋顶或塔顶之上，由金属钢管竖杆架设天线。这是雷击的主要目标，雷击竖杆时，雷电流由塔体经其接地装置散流大地，引起地电位升高，形成反击损坏设备。

2.3 电位差危害

基站有几组地电位存在，第一组地电位是连接基站的交流电源，电话线和RF传输线；第二组是连接基站设备外壳，天线金属支撑竖杆接地；第三组建筑物防雷接地。雷云底部的电荷在它下方的地表面感应产生一个相反电荷阴影，雷云沿大气吹过时，雷云电荷与地电荷的电位差超过中间空气的绝缘时，云对地产生雷击，雷电运动沿基站辐射电荷强场运动，当基站外壳接地与电源输入接地之间有电位差时，基站会造成损害，因此，基站应尽可能采用单点接地。

3 电源防雷保护电路设计

3.1 电路原理图设计

如图1所示，室外基站电源防雷保护电路分成3部分：

1）AC 220V电源防雷保护部分，使用延迟保险丝、压敏电阻、气体放电管以及速熔保险丝组合组成；

2）通信线路防雷保护部分，使用气体放电管、快恢复保险丝、压敏电阻组合组成；

3）CS（circuitsystem）间连线、Tx/Rx（发送 /接收）信号线以及GPS（全球定位系统）连线部分，这部分线路受雷电影响小，采用简单的压敏电阻进行限压泄流。

3.2 防雷保护参数设计

根据防雷规范要求，三级防雷要求电源防雷保护电路抗浪涌通流能力大于等于10 kA（8/20μs），按照衰减波模型，折合成焦耳积分值I2 t约为

延时保险丝选用8A/6s的，其I2t值为599 A2s，在满足三级防雷要求下，提供延时断路保护。

交流引入是设备防雷重点，采用气体放电管与压敏电阻组成组合防雷泄流网络进行多路保护，其中压敏泄流电阻选用681KD14以及471KD14，保护响应时间延时小于25ns，压敏电阻保护电路中采用1只681KD14与4只471KD14组成了多路组合压敏泄流电路，抗浪涌能力为6＋（6＋6）/2＝12 kA，满足三级防雷10 kA的要求。压敏电阻具有延时小的特点，可以很好地吸收气体放电管启动前的冲击电流。气体放电管保护启动时延较长（ms级），在压敏电阻开始启动保护后，当冲击电流继续增大，气体放电管开始放电泄流，其泄流能力能达到20 kA。速熔保险丝采用2A的，为设备提供普通的过载断电保护功能。

通信信号线与电源线一般走的都是架空线路，且线路较长，也是防雷保护的重点。这里采用了气体放电三极管泄流、自恢复保险断流、压敏电阻快速泄流的三级防雷方案。气体放电三极管泄流提供高浪涌时的大能量放电，其泄流能力为每路信号线大于等于5 kA。

自恢复保险丝采用高分子热敏技术，响应速度快，在气体放电管启动前后能根据流过的电压/电流（SF250-120的启动电压为60 V）迅速提高其电阻值，阻断浪涌电流流入下一级电路，在浪涌电流泄放后，恢复正常工作时间小于60 s。

压敏电阻在自恢复保险丝后级继续对浪涌电流进行泄流，这里采用的201KD07型压敏电阻，能在340 V电压范围内泄放最大不超过1.75 kA的浪涌电流。

以上三级电路结构中，后两级（自恢复保险丝和压敏电阻）保护响应速度高于第一级气体放电，因此在气体放大管大能量放电前，后两级电路需要对初期浪涌电流进行阻断和泄放，故后两级器件参数不能选择过低。

CS间连线、Tx/Rx信号线、GPS信号线受雷击影响较小，这里采用一级压敏电阻对每根信号线进行一些低压防范性防雷保护，压敏电阻采用270KD07型，能在浪涌电压不高于53 V时提供最大500 A的通流能力。

[1]周宇.浅析3G通信基站电源系统组成及防雷解决方案[J].大众科技,2013,15(7):7-9.

[2]张南法.电涌保护器应用中几个问题的探讨 [J].低压电器,2002(4):9-13.. ◆