基于等效离子防雷技术的移动通信基站雷电防御方法

宁 凡,侯 涛

(1.陕西省突发事件预警信息发布中心,西安 710016; 2.陕西省大气探测技术保障中心,西安 710014)

在雷电环境中,电磁脉冲会对电子设备造成干扰和损坏,这是由于电磁脉冲产生的瞬态过电压超过了设备的承受能力,对移动通信基站的安全构成了严重威胁。因此,多种防雷手段被提出。文献[1]利用避雷针进行防雷。避雷针是一种常见的雷电防护装置,可以有效引导雷电,将其引入地下,但防雷效果取决于其安装高度和周围环境,如果安装高度不够或周围有较高的建筑物,可能会影响其防雷效果。文献[2]采用接地防雷技术,将基站设备与大地相连,将雷电引入地下,从而保护设备不受雷击损害。但如果接地系统不良或者受到破坏,防雷效果会受到影响。为此研究基于等效离子防雷技术的移动通信基站雷电防御方法。等效离子防雷技术主要利用等离子发生器产生大量的等离子体,这些等离子体在电场的作用下迅速向空间扩散,形成一个等效的电离空间。当雷电产生时,等效的电离空间可以有效地吸收和中和电磁脉冲,从而降低电磁脉冲对电子设备的干扰和损坏。

1 确定等效离子阻雷安装位置

传统的防雷技术主要关注设备的物理防护和接地措施,而等效离子防雷技术则引入了等效离子群的概念,通过在基站周围形成等效离子群来中和雷电的电荷,从而在根本上消除了雷电对基站的影响。

在移动通信基站所在区域,需要根据地形确认周边最高点或者自立杆体。一旦确定了最高点,就需要在那里安装一套等效离子阻雷装置(PEICA-100型)。这种装置的设立杆体高度H为10 m,其保护半径R为10H～14H,为100～140 m[3]。这意味着移动通信基站所处区域都可以被置于这套装置的保护范围之内。

同时,在距离这套装置90 m和150 m的地方,分别设立4根避雷针(共计8根),与等效离子阻雷装置同样的高度。每根避雷针都正常接地,并与雷电传感器或大电流磁感线圈连接。图1为等效离子阻雷装置及外设避雷针安装位置示意图。

现场组装后的等效离子阻雷装置和避雷针的总高度达到350 mm。而组装后接闪杆展开的最大直径为300 mm。这套装置包括数据终端设备,总质量为3 kg。保护角度θ大于或等于86°。保护半径R为10H～14H(在保护角范围内),具体数值根据安装高度而定,在保护角范围内最大保护半径为100～140 m,最大保护范围在保护角范围内至少达到31 400 m2,至此完成等效离子阻雷安装位置的确定[4]。

2 设置大气电场雷电阈值

雷电放电现象表明雷暴即将发生,可以用大气电场测量仪进行观测。根据气象资料显示,云的主放电时间要晚15～30 min。通过对雷云中微弱放电的观测,可发现雷电活动将继续进行8～9次。

等效离子防雷技术是通过在基站周围形成等效离子群来中和雷电的电荷,因此它可以更有效地防止雷电对基站设备的伤害,提高基站的防雷保护效果。

由于雷电的产生往往与空气中的电场相关,因此,通过对雷电的电场特性进行分析,可为雷电的早期预警提供依据。从初始发生、发展到最后发生雷电的时间约30 min,故应设定4个等级的雷电预警阈值。雷电发生前30 min为一级,15 min为二级,5 min为三级,5 min为四级[1]。4个雷电阈值的详细设计如下。

一级:在1.5 kV/m范围内,实施过程中会产生抖动,提示云带电荷,需注意观察。

二级:当雷雨临近地面观测设备或当地的地面雷雨时,场强阈值达到3.0 kV/m。

三级:5.0 kV/m的电场强度阈值,表明雷雨即将来临,有可能出现在电场计附近,或者雷雨的中心已经移动到很近的地方。

四级:闪电强度阈值为8.0 kV/m,预示着监测网内有雷电活动,代表监测网内将有频繁的雷电活动[5]。

在大部分情况下,以上的阈值都能符合基准值。大气电场值与所处环境、海拔及地形等因素密切相关,故在实际应用时,可依据气象电场计的工作状况,适当调整门槛值,以提高闪电预警精度[6]。

同时该方法通过测量大气电场的变化速率,判断电场的性质,并根据电场的时间差,确定电场的变化情况。采用大气压电场计,以1 Hz/s的频率,对电场强度进行测量[7]。其结果用一种离散性的数值计算公式表示,即

(1)

式中:t1、t0为任意邻接时刻,电场计取样间隔为1 s;E(t1)、E(t0)与电场的数值相对应;E(t)为相应的时差数值。

为了提前30 min实现雷电预警,选择雷电前5、15、30 min的电场变化率及出现时间,结合式(1)明确对应于该时间点的大气电场时间差。主要集中在4点范围:0.5、1.5、2.0、3.0 kV/ms。据此,可将这4个阈值作为大气电场差的警报等级[8]。

3 雷电距离警报

对于雷电位置信息的高密度区域的识别,利用雷暴聚类算法根据云内雷电云集的时间序列特征,对云内雷电云集的起止时间、移动路径和强度进行预报[2]。

这个算法的准确性和可靠性对于提前预警和减轻雷暴灾害具有重要意义。具体的雷暴聚类算法可以通过以下公式进行计算:

(2)

式中:Gx、Gy为雷电云簇中心经纬度;xi、yi为雷电云簇区域的经纬度。

在此基础上,将不同尺度的雷电云簇集在一起进行线性拟合,获得雷电云群的空间分布。每一个雷电云核都构建一条独立的拟直线,取适当的节点a和节点b,作为不同的初始聚类中心点,从而使其与雷电云的各个中心点最接近。通过对连续时间内的雷电数据进行聚类分析,确定每次雷暴的中心点位置[9]。这个中心点可以作为雷暴预测的起始点和路径预测的基础。然后利用直线拟合,确定雷电活动的方向、速度,进而确定下一个雷电云的位置。

根据上述内容,建立以雷电点与被防护对象的距离为报警级别。在距离为10～15 km时,将其视为一级警报;在距离5～10 km的范围内时,将其视为二级警报;在0～5 km范围内,则视为三级警报[10]。

4 利用等效离子防雷技术改变雷电自然路径

雷电防护是一个重要的任务,尤其是在那些频繁受到雷电威胁的地区。等效离子防雷技术利用先进的等离子发生器在雷电环境中产生大量的正负离子[11]。这些离子在电场的作用下形成一条通道,引导雷电沿着设定的路径流动。通过合理地设置等效离子发生器的位置和数量,可以有效地改变雷电的自然路径,使其远离重要的设施和设备。等效离子防雷体系如图2所示[12]。具体的方法步骤如下。

图2 等离子防雷体系

首先确定需要保护的目标区域,包括重要的设施和设备等。在根据上文的操作提示雷电预警的同时,利用等效离子阻雷装置进行防雷,及早在雷云电荷尚较分散、雷云电场尚未过激的有利时机,向空间较长时间大体积地发散有源产生的高浓度(1015个/m3)等离子体[13]。对于多数雷云(90%以上),其正电荷位于上部、负电荷位于下部。等效离子防雷作用机理示意图如图3所示。

形成地闪的雷云底部距地面高度一般为150～600 m,如图3所示,等离子体中的正离子在雷云电场吸引和上升气流输送作用下向雷云底部发散,同时等离子体中的负离子受地面感应正极性电场的吸引下向地面发散,在其250 s的生存周期内将上升到超过800 m以上的高空,可有效中和雷云电场先导底部电荷[14]。根据雷电活动的预测结果,在可能受到影响的区域布置等效离子发生器。这些发生器会释放大量的等离子体,形成一个等效的电离空间[15]。通过等效离子发生器释放的等离子体,主动引导雷电偏离关键设备和设施,改变其自然路径。这样可以将雷电引入非关键区域或设备,保护核心设施不受雷击。通过以上步骤,利用等效离子防雷技术改变雷电的自然路径,实现移动通信基站的雷电防御。等效离子防雷技术可以有效地防止雷电对基站设备的影响,因此可以大大提高移动通信的可靠性。

5 实验

5.1 实验准备

以某市雷电通信基站线路为例,该线路己实施了架空地线综合防雷改造。为验证本文等效离子防雷技术的防雷效果,基于线路实测数据,结合线路运行数据开展实验。

从图4可以看到,该次数据统计涉及32支线36#～76#,其中36#～67#杆采取了架设架空地线的防雷措施,总长2.826 km;而68#～76#杆由于线路档距、弧垂较大,考虑到架空地线与相线间安全距离不足及施工难度较大的问题,故未架设架空地线。

图4 移动通信基站32支线线路走向图

在有接地点时,采用引下线与支架相连,并通过接地体接地;没有接地点时,采用P-15T针形绝缘子支接。导线和支架的连接,支线的支杆由P-15T针状绝缘子支承和固定,而耐张杆则由耐拉子子串联在一起。在对耦合地线的设计中,采用的接地方法同架空地线相同。

大气电场计是一种野外用来测定地基大气电场的连续变化的仪器。电场仪主要技术参数见表1。

表1 电场仪技术参数

实验采用在线监测设备采集线路实测数据,同时为验证本文方法的有效性,将基于等效离子防雷技术的移动通信基站雷电防御方法与文献[1]和文献[2]所提方法进行比较。

5.2 实验结果与分析

3种方法雷电防御效果统计见表2。

表2 雷电防御效果统计

实验结果显示,在相同雷击条件下,等效离子防雷技术表现出了最佳的防雷效果。与其他方案相比,能够更有效地吸收和中和电磁脉冲,降低雷电对电子设备的干扰和损坏,具有较好的防雷效果。

6 结语

总的来说,基于等效离子防雷技术的移动通信基站雷电防御方法为通信安全提供了坚实的保障。通过先进的等离子发生器产生的等效离子体,能够有效地引导和转移雷电,从而避免对基站设备的直接损害。这种方法不仅提高了基站的防雷性能,还降低了因雷电灾害导致的通信中断的风险。随着科技的不断进步,有理由相信等效离子防雷技术将在未来的通信安全领域发挥更加重要的作用。然而,任何防雷技术都不是万无一失的。因此,仍需采取多种措施,包括但不限于等效离子防雷技术,来全面提升移动通信基站的防雷能力。只有这样,才能确保通信网络的稳定运行,为人们的日常生活和工作提供可靠的通信服务。