基站配電變壓器的防護方案

從一些地區反映的情況看，因基站變壓器及其相關線路被雷擊損壞造成基站供電中斷（或導致基站運行中斷）的情況還是占有相當的比例，由此，不單因變壓器或其附屬設施受到雷電的破壞造成直接經濟損失，同時，也由于基站供電或設備運行的中斷造成間接經濟損失，以及用戶對服務的不滿。

因此，為維護基站的正常運行，加強對基站供電變壓器及其相關線路的防護已經十分必要。

一、基站變壓器為雷擊損壞的途徑

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

1.        靜電感應形成的過電壓

如圖1所示，基站的供電線纜或信號線位于基站鐵塔雷擊點附近，在負極性雷放電的先導階段，先導通道中充滿了負電荷，他對架空線產生靜電感應作用，使架空線上距向導通道附近的部分累積起正電荷；當先導發展到地面以后，主放電開始，先導通道中的負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過電壓波。

圖1   變壓器線路由于靜電感應形成過電壓示意圖

 

2.        電磁感應形成的過電壓

如圖2、圖3所示，當鐵塔或基站附近落雷時，在變壓器連接線纜上會由于上述落雷時產生的電磁場而在回路中感應出共模及差模過電壓。

圖2 變壓器線路由于電磁感應形成共模過電壓示意圖

 

圖3變壓器線路由于電磁感應形成差模過電壓示意圖

 

3.        地電位反擊

如圖4所示，當鐵塔落雷時，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殼，造成機殼上的高電位對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理

1.正變換過電壓造成變壓器損壞

配電變壓器低壓側的過電壓會通過變壓器低、高壓繞組間的電磁耦合按變壓器的變比變換到高壓側形成高壓側的過電壓。這種低壓側遭雷擊直接變換到高壓側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低于低壓側繞組，常會出現變壓器低壓側落雷，低壓繞組未損壞，而高壓繞組因正變換過電壓而損壞的現象。

2. 反變換過電壓造成變壓器損壞

當變壓器高壓側的過電壓使高壓側的避雷器動作時，在接地電抗上的沖擊電流電壓降，將同時作用在低壓繞組的中性點上，在低壓繞組上形成過電壓，經過低、高壓繞組間的電磁耦合，按變比關系在高壓繞組上感應出過電壓，此過電壓在中性點上達到最大值，可能擊穿中性點附近的絕緣，也會危及繞組的縱絕緣。

三、 基站變壓器損壞的主要原因

1. 5KA級的高壓MOA避雷器不能適應基站的特殊運行環境

5KA級的高壓MOA避雷器僅適用于一般應用場合（雷擊頻度、強度較低的場合）。對于移動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計壽命而失效，并因此導致變壓器失去保護而損壞。

2. 大沖擊電流情況下普通高壓MOA避雷器殘壓過高

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

3. 變壓器低壓側沒有配套的防雷措施

由于沒有認識到對變壓器低壓側進行防護的重要性，沒有在低壓側配置避雷器，反變換過電壓或低壓側形成的過電壓造成高壓側的絕緣的擊穿。

4. 變壓器配置的避雷器的接地位置不當

如圖5所示，如果避雷器通過一段較長的引線接地：

則變壓器線路對機殼的等效限制電壓為：

由于避雷器接地線的電感效應，Uline將達到數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造成端口等效殘壓過高的示意圖

 

四、 基站變壓器雷電防護方案

參照上述分析，提出以下幾點以改善對變壓器的防護效果：

1.在變壓器高、低壓側配置適宜的避雷器

圖6  在變壓器高、低壓側配置避雷器的示意圖

如圖6所示，針對變壓器易于因正、反變換過電壓損壞的特點，應在變壓器的高、低壓側皆配置避雷器；并且，避雷器應根據基站的特殊工況條件進行選擇。

 

2.調整避雷器的接地位置

鑒于避雷器的接地線上等效感抗對防護效果的影響，調整避雷器的接地位置至變壓器的機殼與二次側中性點的接地位置于一處（如圖7所示）。

圖7  改善避雷器接地點的示意圖

3. 對于在變壓器的低壓側配置有計量設備的變壓器的防護

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

圖8  變壓器低壓側雷電防護整改示意圖

                              

五、變壓器至基站機房的埋地電纜的防護

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。

實踐證明，在埋有線纜的地方，沿線纜埋設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，該地區受雷擊率特別高，這便是雷電直擊線纜的原因。另外，當雷電擊中線纜附近大地時，落雷點的電位顯著升高，而線纜延伸至很遠，其遠端電位可視為零，所以雷擊點附近的線纜電位也幾乎為零，這樣一來，落雷點與線纜之間便出現極大的電位差。如果這一電位差超過了雷擊點與線纜間的土壤耐壓強度時，便擊穿土壤，形成了從雷擊點到線纜的電弧通道，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，同樣會造成線纜嚴重破壞。

2.埋地電纜防護措施

低壓電纜應采用凱裝低壓電纜（或將電纜穿鋼管）并進行埋地處理，同時，低壓電纜的凱裝層（或屏蔽鋼管）應在纜線的兩端——即變壓器側的入地端及進入機房處進行可靠的接地處理。

對于低壓線路較長或當地雷電環境惡劣的情況，建議應采取將凱裝電纜穿鋼管或在電纜上方敷設排流線的方式，以防止雷擊造成線纜嚴重破壞（參考圖9）。

圖9 基站埋地電纜防雷接地優化方案示意圖
安迅防雷m.tianhengkj.cn