基站配電變壓器的防護(hù)方案

從一些地區(qū)反映的情況看，因基站變壓器及其相關(guān)線路被雷擊損壞造成基站供電中斷（或?qū)е禄具\(yùn)行中斷）的情況還是占有相當(dāng)?shù)谋壤纱?，不單因變壓器或其附屬設(shè)施受到雷電的破壞造成直接經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)，也由于基站供電或設(shè)備運(yùn)行的中斷造成間接經(jīng)濟(jì)損失，以及用戶對(duì)服務(wù)的不滿。

因此，為維護(hù)基站的正常運(yùn)行，加強(qiáng)對(duì)基站供電變壓器及其相關(guān)線路的防護(hù)已經(jīng)十分必要。

一、基站變壓器為雷擊損壞的途徑

多數(shù)情況下，由于基站的鐵塔很高，鐵塔構(gòu)成的直接雷擊防護(hù)范圍使得基站及其變壓器不會(huì)受到雷電的直接閃擊。然而，對(duì)移動(dòng)基站變壓器而言，由于其安裝位置一般靠近基站鐵塔，雷電的二次效應(yīng)形成的過電壓將通過以下途徑對(duì)變壓器形成威脅：

1.        靜電感應(yīng)形成的過電壓

如圖1所示，基站的供電線纜或信號(hào)線位于基站鐵塔雷擊點(diǎn)附近，在負(fù)極性雷放電的先導(dǎo)階段，先導(dǎo)通道中充滿了負(fù)電荷，他對(duì)架空線產(chǎn)生靜電感應(yīng)作用，使架空線上距向?qū)ǖ栏浇牟糠掷鄯e起正電荷；當(dāng)先導(dǎo)發(fā)展到地面以后，主放電開始，先導(dǎo)通道中的負(fù)電荷自下而上迅速中和，從而使架空線上原先被束縛的正電荷被迅速釋放，形成沿架空線傳播的暫態(tài)過電壓波。

圖1   變壓器線路由于靜電感應(yīng)形成過電壓示意圖

 

2.        電磁感應(yīng)形成的過電壓

如圖2、圖3所示，當(dāng)鐵塔或基站附近落雷時(shí)，在變壓器連接線纜上會(huì)由于上述落雷時(shí)產(chǎn)生的電磁場(chǎng)而在回路中感應(yīng)出共模及差模過電壓。

圖2 變壓器線路由于電磁感應(yīng)形成共模過電壓示意圖

 

圖3變壓器線路由于電磁感應(yīng)形成差模過電壓示意圖

 

3.        地電位反擊

如圖4所示，當(dāng)鐵塔落雷時(shí)，雷電流沿鐵塔入地，接地裝置上的地電位將因此而抬升，此抬升的地電位將由變壓器的接地引下線漫延至變壓器機(jī)殼，造成機(jī)殼上的高電位對(duì)線路的反擊而損壞變壓器絕緣。

圖4 變壓器受到因地電位抬高形成的高電位反擊示意圖

二、基站變壓器為雷電過電壓損壞機(jī)理

1.正變換過電壓造成變壓器損壞

配電變壓器低壓側(cè)的過電壓會(huì)通過變壓器低、高壓繞組間的電磁耦合按變壓器的變比變換到高壓側(cè)形成高壓側(cè)的過電壓。這種低壓側(cè)遭雷擊直接變換到高壓側(cè)的過電壓稱為正變換過電壓。

由于配電變壓器高壓繞組的絕緣裕度遠(yuǎn)低于低壓側(cè)繞組，常會(huì)出現(xiàn)變壓器低壓側(cè)落雷，低壓繞組未損壞，而高壓繞組因正變換過電壓而損壞的現(xiàn)象。

2. 反變換過電壓造成變壓器損壞

當(dāng)變壓器高壓側(cè)的過電壓使高壓側(cè)的避雷器動(dòng)作時(shí)，在接地電抗上的沖擊電流電壓降，將同時(shí)作用在低壓繞組的中性點(diǎn)上，在低壓繞組上形成過電壓，經(jīng)過低、高壓繞組間的電磁耦合，按變比關(guān)系在高壓繞組上感應(yīng)出過電壓，此過電壓在中性點(diǎn)上達(dá)到最大值，可能擊穿中性點(diǎn)附近的絕緣，也會(huì)危及繞組的縱絕緣。

三、 基站變壓器損壞的主要原因

1. 5KA級(jí)的高壓MOA避雷器不能適應(yīng)基站的特殊運(yùn)行環(huán)境

5KA級(jí)的高壓MOA避雷器僅適用于一般應(yīng)用場(chǎng)合（雷擊頻度、強(qiáng)度較低的場(chǎng)合）。對(duì)于移動(dòng)通信基站特殊的地理工況條件（基站位置往往較高、且有基站鐵塔易于引雷），該類避雷器易于因受到的過電流的沖擊超過其設(shè)計(jì)壽命而失效，并因此導(dǎo)致變壓器失去保護(hù)而損壞。

2. 大沖擊電流情況下普通高壓MOA避雷器殘壓過高

對(duì)于MOA避雷器而言，由于其保護(hù)能力（殘壓）是針對(duì)小電流情況而設(shè)計(jì)，在移動(dòng)通信基站特殊的地理工況條件，往往出現(xiàn)大幅值的過電流，在此大電流通過MOA避雷器時(shí)，引起實(shí)際殘壓過高，超過變壓器的絕緣耐受水平，引起變壓器的損壞。

3. 變壓器低壓側(cè)沒有配套的防雷措施

由于沒有認(rèn)識(shí)到對(duì)變壓器低壓側(cè)進(jìn)行防護(hù)的重要性，沒有在低壓側(cè)配置避雷器，反變換過電壓或低壓側(cè)形成的過電壓造成高壓側(cè)的絕緣的擊穿。

4. 變壓器配置的避雷器的接地位置不當(dāng)

如圖5所示，如果避雷器通過一段較長(zhǎng)的引線接地：

則變壓器線路對(duì)機(jī)殼的等效限制電壓為：

由于避雷器接地線的電感效應(yīng)，Uline將達(dá)到數(shù)千伏至上萬伏以上的壓降，如此，變壓器的絕緣可能因此疊加的過電壓而損壞。

圖5  因避雷器接地位置不當(dāng)造成端口等效殘壓過高的示意圖

 

四、 基站變壓器雷電防護(hù)方案

參照上述分析，提出以下幾點(diǎn)以改善對(duì)變壓器的防護(hù)效果：

1.在變壓器高、低壓側(cè)配置適宜的避雷器

圖6  在變壓器高、低壓側(cè)配置避雷器的示意圖

如圖6所示，針對(duì)變壓器易于因正、反變換過電壓損壞的特點(diǎn)，應(yīng)在變壓器的高、低壓側(cè)皆配置避雷器；并且，避雷器應(yīng)根據(jù)基站的特殊工況條件進(jìn)行選擇。

 

2.調(diào)整避雷器的接地位置

鑒于避雷器的接地線上等效感抗對(duì)防護(hù)效果的影響，調(diào)整避雷器的接地位置至變壓器的機(jī)殼與二次側(cè)中性點(diǎn)的接地位置于一處（如圖7所示）。

圖7  改善避雷器接地點(diǎn)的示意圖

3. 對(duì)于在變壓器的低壓側(cè)配置有計(jì)量設(shè)備的變壓器的防護(hù)

由于低壓計(jì)量設(shè)備的絕緣耐受水平較低，應(yīng)采取相應(yīng)措施加以防護(hù)。建議將變壓器至計(jì)量箱的線纜調(diào)整為凱裝電纜，并在其屏蔽層兩端接地；同時(shí)，在計(jì)量箱內(nèi)配置一級(jí)40KA的SPD，該SPD在保護(hù)計(jì)量設(shè)備的同時(shí)，亦兼有降低低壓電纜感應(yīng)的過電壓，減少變壓器低壓端的防護(hù)壓力（參見圖8）。

圖8  變壓器低壓側(cè)雷電防護(hù)整改示意圖

                              

五、變壓器至基站機(jī)房的埋地電纜的防護(hù)

1. 埋地電纜因雷電損壞的原因

雷擊造成埋地電纜的損壞，可以是由于雷電直擊纜線、或擊中纜線附近大地造成。

實(shí)踐證明，在埋有線纜的地方，沿線纜埋設(shè)的線路落雷率要比其他地方落雷率高，在土壤電阻率高的地方尤其明顯，這是由于在土壤中埋下一條線纜就相當(dāng)于土壤中有一條土壤電阻率特別低的帶，即在土壤電阻率高的地方，如果中間存在一塊低土壤電阻率的地區(qū)，該地區(qū)受雷擊率特別高，這便是雷電直擊線纜的原因。另外，當(dāng)雷電擊中線纜附近大地時(shí)，落雷點(diǎn)的電位顯著升高，而線纜延伸至很遠(yuǎn)，其遠(yuǎn)端電位可視為零，所以雷擊點(diǎn)附近的線纜電位也幾乎為零，這樣一來，落雷點(diǎn)與線纜之間便出現(xiàn)極大的電位差。如果這一電位差超過了雷擊點(diǎn)與線纜間的土壤耐壓強(qiáng)度時(shí)，便擊穿土壤，形成了從雷擊點(diǎn)到線纜的電弧通道，大量雷電流涌向線纜，這種雷擊，損害程度與雷電直擊線纜相當(dāng)，同樣會(huì)造成線纜嚴(yán)重破壞。

2.埋地電纜防護(hù)措施

低壓電纜應(yīng)采用凱裝低壓電纜（或?qū)㈦娎|穿鋼管）并進(jìn)行埋地處理，同時(shí)，低壓電纜的凱裝層（或屏蔽鋼管）應(yīng)在纜線的兩端——即變壓器側(cè)的入地端及進(jìn)入機(jī)房處進(jìn)行可靠的接地處理。

對(duì)于低壓線路較長(zhǎng)或當(dāng)?shù)乩纂姯h(huán)境惡劣的情況，建議應(yīng)采取將凱裝電纜穿鋼管或在電纜上方敷設(shè)排流線的方式，以防止雷擊造成線纜嚴(yán)重破壞（參考圖9）。

圖9 基站埋地電纜防雷接地優(yōu)化方案示意圖
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