通信基站电力电子设备雷电自主监测和主动防御系统

刘昆 杜春伶 王元 叶盈群 杜雨洺 董志诚 蒋如斌

（1 成都信息工程大学电子工程学院，成都 610225；2 西藏大学工学院，拉萨 850013；3 中国科学院大气物理研究所，北京 100029）

0 引言

近年来，我国快速发展的经济、技术，在很大程度上也加快了通信基站（尤其是4G，5G基站）的发展速度。但由于大多数通信基站往往处于区域制高点，使其更易遭受雷电袭击。这使得无线通信设备，传输线和通信电缆易遭受严重威胁，甚至损坏。因此做好对通信基站电力电子设备的雷电防护工作，是十分必要的。

依据国际电工委员会（IEC）等国际及国内相关行业标准，当前已针对通信基站电力电子设备有了诸如避雷针、接地网、浪涌保护器（SPD）等设计非常成熟，应用也非常普遍的雷电防护器件和设备。针对目前各领域都广泛应用的SPD，Vernon Cooray指出，瞬态高压SPD的防护是通过串联较大阻抗、并联较小阻抗、或者既串联较大阻抗又并联较小阻抗三种方法实现对相关设备的高电压防护。因为雷电流分布的随机性，在设计SPD时，以上方法存在人为设置防护参数“窗口”的限制，以及各种客观因素导致SPD防护等级间的失配等问题，使得SPD防护效果受到严重限制。这些都是当前雷电防护领域亟待研究和解决的关键问题。

针对上述问题，本文基于雷电发生发展物理过程中的一些重要特征，力求探索出一种全新的防雷设计和方法，以期对上述关键问题的解决提供一种有益的思路和参考。

基于目前对闪电发生发展过程的普遍认知，通过监测在电力电子设备附近避雷针（器）上是否出现由于上行先导的始发和发展而产生与之相应的连续脉冲电流，来判断电力电子设备是否可能遭受闪电袭击。从而在上行和下行先导连接，产生回击浪涌电流之前，使相关雷电防护装置提前完成保护动作。由于该防护过程的设计所参考的指标为上行先导的电流脉冲特征，而非浪涌电流在相关线路中的特征，因此可以大幅度降低本防御系统的防护效果与相关回击浪涌电流特征参数之间的联系，从而在很大程度上解决上述所提到的问题，达到更好的防雷保护效果。

1 云地闪发生发展的物理过程

通常造成电力电子设备致损的都是云地闪，云地闪分为下行负地闪、下行正地闪、上行负地闪和上行正地闪四种类型。通常情况下云对地放电过程都是将云内负电荷输送到地面的负极性放电（即下行负地闪，如图1所示），正地闪过程相对较少出现。同时对于低于100 m的这类地面物体通常忽略上行闪电，认为只遭受下行闪电的袭击。因此，本文以下行负地闪为例对本防御系统的工作原理进行阐述。

图1 下行负地闪示意图Fig.1 Schematic diagram of downward steeped leader

根据Bazelyan等研究表明，产生于云内体分布电荷的下行闪电以梯级先导的梯级发展形式由云内向地面传播。随着梯级先导到达地面，地面电场也随之稳定增大，位于该背景电场中的地物尖端电场，由于电场的增强而数次达到由梯级先导产生的背景电场强度幅值的数十倍。当地物尖端电场达到约3.0×10V/m的临界值时，其尖端将开始出现电子雪崩。随着背景电场的增大，尖端的本地电场也随之增大，导致电子雪崩头部的带电粒子数增加。当粒子数达到约10时，电子雪崩将转化为流光放电。如果流光里的电荷量超过约1 μC时，流光通道将会被加热，从而导致先导的产生，这个过程称之为流光到先导的转变。这种由梯级先导形成的活跃电场激发而形成的先导，称之为连接先导，在产生该先导的地物上（如：避雷针）产生的与之相对应的电流即为本防雷系统设计中所采用的重要参数。一旦上述过程开始，连接先导便开始趋向下行梯级先导发展。连接先导的发展取决于尖端上产生的流光，而每个流光产生的相关联电荷依赖于背景电场和连接先导通道的电位梯度。对于正先导而言，该值大约等于40～60 μC/m。无论是下行梯级先导还是上行连接先导，其发展都依赖于流光爆发产生足够多的电荷加热部分先导。当正先导与负先导接近时，两个先导头部之间的平均电位梯度持续增大，当其达到500 kV/m，最后连接所需条件都满足时，则最后连接也即刻发生，这一条件称为最后一跳的条件。一旦连接完成，梯级先导中电荷的快速中和导致回击过程的产生和巨大感应电流的冲击，而该回击及其后续回击过程产生的电流或在附近线路等上感应的电流冲击，即是雷电防护系统所防范的对象。

2 防雷天线（LPA）及系统整体架构

2.1 防雷天线（LPA）

根据Liu等的相关研究发现，天线的极化方式直接决定了闪电与天线之间的能量耦合效率。也就是说，如果能在闪电袭击地面基站时，将基站天线的极化方式切换为闪电与天线能量耦合效率最低的极化方式，则可以很好的保护天线后端相关通信设备及接口。

由于微带天线是当前通信基站常用的一种天线形式，本文基于微带天线结合上述原理提出一种极化可重构天线的设计方案，如图2所示。天线由基板、平衡-不平衡变换器结构、一对相互正交的贴片和6个PIN二极管组成。其中Lv=70 mm，Wv=14.5 mm，Lh=68mm，Wh=14 mm，H=100 mm。通过控制二极管的状态来实现天线的三种不同极化方式的切换。极化可重构天线的工作模式如表1所示。当二极管D5和D6导通且D1和D2，D3和D4截止时，天线处于水平极化（即处于保护状态），并且接收/发送水平极化电磁波。当二极管D3和D4、D5和D6导通，并且D1和D2截止时，天线处于45°极化状态工作。当二极管D1和D2、D5和D6导通，而D3和D4截止时，天线工作在-45°极化状态。

图2 极化可重构天线结构示意图Fig.2 Schematic diagram of the structure of polarization reconfigurable antennas

表1 极化可重构天线的工作模式Table 1 Work patterns of polarization reconfigurable antennas

极化可重构天线工作在45°极化和-45°极化方式下的S11参数和方向图如图3a～3d所示。当天线工作在45°和-45°极化时，S11＜-13.8 dB（VSWR＜1.5）的工作频带分别为882～1005 MHz和883～1006 MHz。由此可见，极化可重构天线工作在上述两种极化方式时，它完全覆盖了中国GSM的移动上行频段（890～909 MHz）和下行频段（935～954 MHz），能够达到通信行业的标准要求。如图3e、3f所示，正常工作电压峰值为40.15 V，保护状态工作电压为7.53 V，仅为正常工作状态的18.75%。

图3 极化可重构天线三种工作状态Fig.3 Work status of polarization reconfigurable antennas

当防雷天线处于正常工作状态时，发送和接收±45°极化电磁波。当其接收到预警信号时，则切换到水平极化状态，使得袭击铁塔避雷针的闪电电磁能量难以耦合入天线中，从而实现保护后端通信设备及接口的目的。

2.2 SAMADL 系统架构及防护工作原理

如图4a所示，该防雷系统包括电流传感器，信号处理和预警模块（MSPW），防雷天线（LPA），接地棒和受控SPD（CSPD）。CSPD安装在AC输入端，电流传感器安装在通信塔顶部的避雷针等容易遭受雷击的金属物体上，电流传感器的信号输出连接到MSPW的信号输入。来自MSPW的预警信号输出连接到LPA和CSPD的控制信号输入端。另外，预警信号也可以通过无线通信发送。

该防雷系统的工作模式如图4b所示，当安装于通信塔顶部避雷针处的电流传感器获取了如图4b中的红色框区域所示的连续3个电流脉冲时，则MSPW发出闪电袭击预警信号给LPA和CSPD，可供LPA和CSPD切换至保护状态的时间为从接收到MSPW发出闪电袭击预警信号至首次回击（如图4b所示）出现之前。图4b中黄色框区域为闪电首次和继后回击持续时间，该时间段内，LPA和CSPD均维持保护状态：在保护状态过程中CSPD将切断被保护工作设备与外界市电的连接（对被保护设备形成“孤岛”式的保护），此时由备用电源（UPS）为被保护工作设备供电；LPA切换为水平极化状态（保护状态）进行接收和发射通信信号。在保护状态结束后，即闪电过程结束后，LPA和CSPD切换回正常工作状态，恢复外界市电供电和正常通信状态。

图4 应用于典型通信塔的防雷设计（a）和工作模式（b）Fig.4 The schematic diagram of lightening protection for typical communication tower (a) and its work patterns (b)

综上所述，该系统的整个工作过程主要包括以下三个基本步骤：MSPW不间断采集电流传感器的信号，该传感器用于监测上行先导产生的连续脉冲电流信号；当捕捉到了上行先导产生的连续脉冲电流信号，立即向CSPD和LPA发送预警信号；CSPD和LPA在接收到MSPW发送的预警信号后，在闪电首次回击发生前切换至保护状态。

如图5所示，根据文献相关观测数据，该电流传感器装置的工作带宽范围设置为0～1 MHz，测量范围为0～2 kA。可以根据当地实际情况调整参数。信号处理及预警模块，模块接收上行先导产生的电流脉冲信号，按如下方式处理传感器采集的电流脉冲信号：判定脉冲电流的持续时间是否在1～40 μs；确定脉冲间隔是否在10～200 μs ；脉冲是否连续出现至少3次。当满足上述条件时，向防护器件（CSPD和LPA）发出预警信号，在60 μs内完成动作以进行保护，并在1～2 s 后重置或撤防。CSPD和LPA在收到预警信号时将由正常状态转变为保护状态。由于闪电总持续时间通常小于1 s，因此保护器件可在1～2 s后恢复。有必要注意的是，对于下行负闪只有当满足电流脉冲条件时，保护器才处于保护状态。如果脉冲参数或数量等判断条件不满足，则可能是由于近地面大气电场的持续增强或云内放电产生的场脉冲，以及由此导致的避雷针尖端放电造成的。需要注意的是，CSPD的基本功能主要由动作时间在微秒量级甚至更短的开关组成，由MSPW模块控制。LPA的基本功能是在接收到预警信号后，在微秒量级甚至更短的时间内改变天线极化状态，并在1～2 s 后复位。

图5 工作原理流程图Fig.5 Flow diagram of operation principles

由此可见，通信塔附近任何配有不间断电源（UPS）的电力电子设备都可以安装本系统的防护装置，可以通过接收附近MSPW所发出的预警信号而受到保护。需要强调的是，这种保护方法仅适用于配备UPS的电力电子设备（即当外部电源停止时，它仍然可以保持 1～2 s 的运行时间）。

综上所述，该雷电防护方法从分析闪电发生发展特征的角度出发，设计整个防雷系统，从而大幅度降低了该系统与回击脉冲参数之间的关系，因此其防御性能将更为可靠。该方法还可用于可接收到上述MSPW发送的预警信号的附近（距离的远近取决于本地上行先导的相关特征）高层建筑内的其他设备，只要该设备具备UPS，以及安装有CSPD或LPA即可。

3 试验验证

本系统的野外试验在中国科学院大气物理研究所的山东雷电与强对流天气灾害观测实验站开展，该实验站位于山东省滨州市境内的沾化区久山村，自2005年其持续开展试验至今。

如图6所示，本系统的野外试验测试在山东雷电与强对流天气灾害观测实验站的引雷点开展，左图绿色框为引雷点在地图上的位置，右图黄色框内的法拉第笼内安装了罗氏线圈（即图4a所示电流传感器），MSPW和CSPD等器件位于红色框所示的金属屏蔽箱内。

图6 野外试验Fig.6 Field test scene

图7和图8是一次基于人工引雷试验数据对该系统的试验验证结果。人工引雷信号为MSPW的输入信号，CH2（图7中蓝色线所示）为实际的闪电在上行先导发展过程中在闪电通道基底处产生的电流脉冲信号，如图中红色框所示。CH1为MSPW的预警信号输出端数据，可以看到，MSPW发出预警信号的端口已为高电平，即已发出预警信息，如图7中黄色线所示。图8为MSPW中触发预警信号后，锁存的数据，对应于图7红色框内的部分。由此可见，通过人工引雷试验数据的验证，本系统是可以较为准确的捕捉上行先导的信号，及时的向系统防护部分发出预警信息。

图7 硬件板信号接收端的波形和脉冲信号Fig.7 The wave and pulse signals from hardware board receiver

图8 MSPW中锁存的数据Fig.8 Data stored in MSPW

此外，由图9可见，6个脉冲为上行先导脉冲模拟信号，方框内为受控防护开关动作波形，其动作时间为29.3 μs，由此可见，在闪电回击之前即可完成防护动作。

图9 受控防护开关试验室测试波形Fig.9 Waveform testing in controlled surge proctection device laboratory

4 结论

基于本文以上关于“通信基站电力电子设备雷电自主监测和主动防御系统”的工作原理及相关试验验证的阐述，由此可见，该系统可以有效地捕捉上行先导发展过程中所产生电流脉冲信息，及时地发出预警信号，而这一过程很好地规避了当前雷电防护系统设计过程中，由雷电回击浪涌电流各种参数“窗口”导致的防护局限性；同时本文对于天馈线防雷也提出了一种极化重构天线的防护设计，由本课题组已发表的相关文献可见，可以有效抑制闪电与通信天线的耦合效应。由此可见，本文所提出的防雷方法及开发防御系统，可以为通信基站及其附近其他符合防护要求的电力电子设备的防雷提供另一种非常有益的防雷思路和设计。