CN111460704A

CN111460704A - 一种通信基站系统的雷电流分流和防护特性计算方法

Info

Publication number: CN111460704A
Application number: CN202010182539.9A
Authority: CN
Inventors: 孙晋茹; 乐杨晶; 李晴晴; 姚学玲; 陈景亮
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2020-03-16
Filing date: 2020-03-16
Publication date: 2020-07-28
Anticipated expiration: 2040-03-16
Also published as: CN111460704B

Abstract

本发明公开一种通信基站系统的雷电流分流和防护特性计算方法，通过对注入的雷电流分量进行频谱分析，获得其中心频率及其频谱分布规律；在ANSYS MAXWELL环境中建立通信基站系统的电磁场仿真计算模型，比较准确地获不同结构通信基站系统中抱杆/三角塔/四角塔、引下线、屏蔽层、电源线各支路自感，相互之间的互感，在此基础上，建立通信基站系统的参数化电路模型，获得雷电流在通信基站系统RRU供电电源各支路上的雷电流分流特性，为通信基站系统RRU供电电源的雷电防护方案的制定提供理论依据。

Description

一种通信基站系统的雷电流分流和防护特性计算方法

技术领域

本发明属于通信系统雷击建模和仿真计算，特别涉及一种通信基站系统的雷电流分流和防护特性计算方法。

背景技术

雷击是自然界的一种高电压大电流放电现象，涉及冲击力、电磁力、焦耳热效应等多场耦合的物理效应，对通信系统造成严重威胁，轻者影响通信的质量，重者造成通信基站的损坏。

随着5G技术的发展和全面普及，面对复杂接地环境的通信基站的雷电防护愈来愈重要。这是因为：当雷击通信基站系统时，基站系统的电源和通信设备也需要承受巨大的雷电流脉冲冲击，但由于通信系统所处地理位置的特殊性，当雷击通信基站时，在地面上会形成极高的雷击过电压，使整个接地网上的电位迅速抬升，造成地电位反击。RRU是通信基站的核心，包括电源单元、收发信单元、功放单元和滤波器单元等，雷电防护是RRU安全运行的重要保障。

针对目前通信基站系统的电位分布和雷电流在基站本体、引下线及其安装位置、基站供电电源的屏蔽层和芯线上的雷电流特性难以遍历实测的现状，开展抱杆/三角塔/四角塔通信系统雷击建模和雷电防护特性的仿真计算研究工作，获得针对不同雷电参数雷击条件下通信系统中杆塔(抱杆、三角塔/四角塔本体)、电源线、引下线、电源线屏蔽层和芯线等各支路的雷电流分流情况，可以为RRU雷电防护器件(如果浪涌保护器—压敏电阻)的性能测试提供理论参考，同时也为抱杆/三角塔/四角塔通信基站电源和设备(RRU)的雷电防护设计提供理论支撑和实验数据支持。

发明内容

本发明的目的在于提供一种通信基站系统的雷电流分流和防护特性计算方法，准确获得通信基站系统各支路的雷电流分流特性，为通信基站系统电源和设备的雷电防护提供理论依据。

为实现上述目的本发明采用如下方案：

一种通信基站系统的雷电流分流和防护特性计算方法，包括如下步骤：

(1)通信基站系统包括避雷针、基站主体、引下线、电源线以及电源线之间的过电压防护压敏电阻，基站主体为抱杆、三角塔主体或四角塔主体；对注入通信基站系统的雷电流分量进行频谱或能谱的分析，获得雷电流分量的中心频率；

(2)建立基于ANYSYS MAXWELL环境下通信基站系统的避雷针、基站主体、引下线、电源线的电磁场仿真计算模型，获得避雷针、抱杆/三角塔主体/四角塔主体、引下线、电源线的等效自感量、等效电阻与避雷针的长度、材质、直径以及雷电流分量的频率特性之间的关系规律，得到雷电流作用下避雷针、基站主体、引下线、电源线的等效自感量、等效电阻与其影响因素之间的数学表达式；

(3)建立具有一定空间位置关系的基站主体、引下线、接地线、电源芯线相互耦合互感作用的通信基站系统的电磁场仿真计算模型，得到基站主体、引下线、接地线、电源芯线不同组合的通信基站系统的自感、互感与系统结构参数之间的关联关系规律，得到雷电流分量作用下基站系统相互耦合的自感、互感的数学表达式；

(4)建立通信基站系统考虑各支路间互感耦合作用的参数化电路仿真模型，计算具有特定电参数雷电流分量注入下雷电流在基站主体、引下线、接地线、电源芯线不同支路的分流特性，以及过电压防护压敏电阻参数对雷电分流效果的影响规律，其中各支路分流特性包括雷电流的峰值、波前时间、半峰值时间以及反极性振荡参数。

进一步，所述步骤(3)中计算多种组合形式的通信基站系统的自感、互感与系统结构参数之间的关联关系规律，具体组合形式包括但不限于避雷针+基站主体+引下线+接地线、避雷针+基站主体+引下线+接地线+电源线。

进一步，建立包含抱杆、引下线、电源线、接地线、接地电阻以及RRU供电电源雷电防护的抱杆通信基站系统的参数化电路仿真模型，计算包括抱杆、避雷针、引下线、电源线、防护压敏电阻以及接地线及接地电阻，和特定源阻抗及其波形的雷电流分量注入下，雷电流在抱杆、引下线、电源线各不同支路的分流特性，其中各支路分流特性。

进一步，建立包含三角塔/四角塔、引下线、电源线、接地线、接地电阻以及RRU供电电源雷电防护压敏电阻的三角塔/四角塔通信基站系统的参数化电路仿真模型，计算包括三角塔/四角塔、避雷针、引下线、电源线、防护压敏电阻以及接地线及接地电阻，和特定源阻抗及其波形的雷电流分量注入下，雷电流在三角塔/四角塔主体、引下线、电源线各不同支路的分流特性。

进一步，建立参数化电路仿真模型时，对RRU供电电源防护压敏电阻进行数字化建模，获得不同规格压敏电阻的仿真电参数，包括对应于不同工作区域的压敏电阻的结构系数和非线性系数；获得相同雷电流注入条件下，不同规格压敏电阻参数对雷电分流效果的影响规律。

本发明的通信基站系统的雷电流分流和防护特性计算方法，比较准确地获不同结构通信基站系统中抱杆/三角塔/四角塔、引下线、屏蔽层、电源线各支路自感，相互之间的互感，在此基础上，建立通信基站系统的参数化电路模型，获得雷电流在通信基站系统RRU供电电源各支路上的雷电流分流特性，为通信基站系统RRU供电电源的雷电防护方案的制定提供理论依据。

附图说明

图1是典型四角塔通信基站系统的结构示意图

图2是四角塔通信基站单级结构示意图

图3是通信系统系统各部件电感及相互耦合的互感的建模计算流程图

图4(a)是采用可控直流电源对压敏电阻施加电压进行参数测量

图4(b)是采用冲击电流发生回路对压敏电阻施加电压进行参数测量

图4(c)压敏电阻分段参数化计算流程图

图5是抱杆通信基站系统带有电源防护的雷电流防护特性的仿真电路图

图6是三/四角塔通信基站系统带有电源防护的雷电流防护特性的仿真电路图

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细描述，但不作为对本发明的限定。

本发明的通信基站系统主要包括避雷针、抱杆/三角塔主体/四角塔基站主体、引下线、电源线以及电源线之间的过电压防护压敏电阻等。

参见图1、图2，本发明的四角塔通信基站系统的结构示意图，其主要组成部分包括：避雷针、四角塔、引下线、电源线、四角塔接地线、接地电阻以及远端射频单元RRU(Remote Radio Unite)。四角塔包括四个主支柱、连接四个主支柱的横向连杆和斜向连杆，RRU可以挂接在四角塔的其中一个主支柱上或者每个主支柱上均挂接1套RRU，RRU的电源线可以沿四角塔其中一个角钢支柱内侧走线向RRU供电或沿每个角钢支柱的内侧向各自的RRU供电；或者电源线也可以沿中心引下线走线向RRU供电；电源线包括屏蔽层和电源芯线。

参见图3，本发明的抱杆/三角塔/四角塔通信基站系统雷击建模计算的流程，其过程如下：

(1)对注入的雷电流分量进行频谱分析，获得其中心频率及其频谱分布规律；

针对具有反极性的雷电流分量，采用频谱分析获得雷电流分量的中心频率；对于单极性的雷电流分量，采用能谱分析获得雷电流分量的中心频率。

(2)根据获得的雷电流的频谱分布，在ANSYS MAXWELL环境中建立通信基站系统的避雷针、抱杆或三角塔/四角塔、引下线、电源线、接地线、接地电阻的电磁场仿真计算模型；

(3)仿真计算避雷针、抱杆或三/四角塔、引下线、电源线、四角塔接地线的自感和电阻；

(4)仿真计算抱杆或三/四角塔、引下线、电源线相互耦合的互感；

(5)获得通信基站系统中避雷针、抱杆/三角塔/四角塔、电源线、接地线的等效自感量、电阻与其包含相互之间互感耦合的电感量与结构参数之间的函数表达式以及各部件电阻的函数表达式。

(6)建立通信基站系统，包括抱杆/三角塔/四角塔、避雷针、引下线、电源线、接地线、接地电阻、RRU供电电源及其雷电防护且考虑各支路间互感耦合作用的电路仿真模型。

所述步骤(3)中计算多种组合形式的通信基站系统的自感、互感与系统结构参数之间的关联关系规律，具体组合形式包括但不限于避雷针+基站主体+引下线+接地线(模拟RRU供电电源过电压保护器不动作)、避雷针+基站主体+引下线+接地线+电源线(模拟RRU供电电源过电压保护器动作)。

参见图4a、4b、4c，压敏电阻分段参数化计算程序如下：

(1)在压敏电阻的小电流区、中电流区和大电流区进行流经电流和两端电源的测量，其中，每个区的数据点不少于3个。小电流区、中电流区、大电流区的电流范围分别为(10μA—10mA)、(1kA—10kA或20kA)和(30kA—50kA或100kA)。

(2)，如图4a，在压敏电阻的小电流区，用可控直流电源对压敏电阻进行参数测量，通过调整可控制流电源11的输出电压以改变施加在压敏电阻13两端的直流电压，电压数据点不少于3-5个，用直流电流取样单元14、直流电压取样单元15进行电流和电压的取样，用示波器16记录施加在压敏电阻13两端的电压，比如U1、U2、U3、U4、U5，以及对应于施加电压下压敏电阻13中流经的直流电流I1、I2、I3、I4、I5。限流电阻12用于对可控直流电源11进行保护，避免压敏电阻13异常短路时对可控直流电源的破坏。

(3)如图4b所示，在中电流、大电流区，采用的冲击电流发生回路进行实验，通过调整可控高压直流充电电源21对储能电容22进行充电，当充电达到预先设定的放电电压时，储能电容22上储存的电能通过放电开关23以及波形形成电感24、波形形成电阻25对试品压敏电阻26进行脉冲放电，放电电压数据点不少于6-10个。用脉冲电流取样单元27、脉冲电压取样单元28进行脉冲电流和电压的取样，用示波器29记录压敏电阻26两端的冲击电压，比如U6、U7、U8、……、U14、U15，以及流经压敏电阻26相应的脉冲电流，比如I6、I7、I8、……、I14、I15。

(4)根据上述步骤(2)-(3)测得的压敏电阻的电流值和其两端对应的电压值，根据下面公式：

两边取对数得：

lnI_i＝lnk_i+α_ilnU_i

根据上面公式，可以求得压敏电阻在3个电流区的结构系数和非线性系数(K₁,α₁)、(K₂,α₂)和(K₃,α₃)。

这3组结构系数和非线性系数可以输入到如图5、6所示的通信基站系统参数化仿真电路的压敏电阻参数设定中。

参见图5，在MATLAB/ATP中建立抱杆通信基站系统的参数化仿真模型，计算具有特定负载(除避雷针、抱杆、引下线、RRU的电源线、接地线和接地电阻外，还包括RRU的雷击防护压敏电阻)和特定电参数雷电流分量(包括雷电流的波形参数和雷电流发生回路的源阻抗)注入，雷电流在抱杆、引下线、接地线、电源芯线各不同支路的分流特性，其中各支路分流特性主要包括雷电流的峰值、波前时间、半峰值时间、反极性振荡等参数以及各支路雷电流分流的比例关系。

上述抱杆通信基站系统也包含省去引下线，将抱杆作为引下线的通信基站结构，抱杆塔通信基站系统的雷电防护特性的参数化仿真电路的工作原理如下：

(1)具有特定电参数雷电流分量(包括雷电流的波形参数和雷电流发生回路的源阻抗)的雷电流发生回路包括直流高压充电单元、储能单元、安全保护单元、波形形成单元、放电单元、试品以及测量单元。

(2)高压直流充电单元由调压器Tr、变压器Tt、整流硅堆D和充电限流电阻R₁组成；储能单元由电容C完成；安全保护单元由电阻R₂和开关S串联组成；放电单元为放电开关K；电阻R和电感L1以及电容C为波形形成单元。雷电流发生回路的源阻抗由其回路的元件参数决定；

(3)抱杆通信基站系统的等效电路模型分别用4个支路并联的电路来表征，其中，L_针、R_针表示避雷针支路的电感和电阻，L_抱、R_抱表示抱杆支路的电感和电阻，L_引、R_引表示引下线支路的电感和电阻，有时引下线和抱杆可以合二为一，L_屏、R_屏表示电源线屏蔽层支路的电感和电阻，L_芯、R_芯表示电源线芯线支路的电感和电阻，L_地、R_地表示接地线的电感和接地电阻。

(4)抱杆通信基站系统中抱杆支路、引下线支路、屏蔽层支路、电源芯线支路的分流由电流传感器I_抱、I_引、I_屏和I_芯进行提取并输出到示波器进行测量。

(5)对示波器测得的雷电流波形进行数据分析和处理，即可得到给定雷电流注入下各支路雷电流的峰值、波前时间、半峰值时间、反极性振荡等参数以及各支路雷电流分流的比例关系。

(6)同样，通过不同规格压敏电阻分段线性化参数的设置，比如，对于通信系统RRU常用的48V电源，可以选用直流参数电压为200V的压敏电阻进行防护，也可以采用直流参考电压为470V的压敏电阻进行防护，可以计算得到不同雷电防护方案时，雷电流在抱杆通信基站系统中各支路的分流特性；

同时，也可以计算“抱杆+电源接地线”、“抱杆+电源接地线+电源芯线+防护压敏电阻”等等不同组合系统的雷电流分流和雷击防护特性，所有这些其仿真计算结果可以为抱杆通信基站系统RRU电源的雷电防护提供理论与实验数据支撑。

参见图6，在MATLAB/ATP中建立三角塔/四角塔通信基站系统的参数化仿真模型，计算具有特定负载，除避雷针、三角塔/四角塔、引下线、RRU的电源线、接地线和接地电阻外，还包括RRU的雷击防护压敏电阻和特定电参数雷电流分量注入，包括雷电流的波形参数和雷电流发生回路的源阻抗，雷电流在三角塔/四角塔、引下线、接地线、电源芯线各不同支路的分流特性，其中各支路分流特性主要包括雷电流的峰值、波前时间、半峰值时间、反极性振荡等参数以及各支路雷电流分流的比例关系。

上述三角塔/四角塔通信基站系统也包含省去引下线，将三角塔/四角塔的其中某一支柱作为引下线的通信基站结构，三角塔/四角塔通信基站系统的雷电防护特性的参数化仿真电路的工作原理如下：

(2)高压直流充电单元由调压器Tr、变压器Tt、整流硅堆D和充电限流电阻R₁组成；储能单元由电容C完成；安全保护单元由电阻R₂和开关S串联组成；放电单元为放电开关K；电阻R和电感L1以及电容C为波形形成单元。雷电流发生回路的源阻抗有其回路的元件参数决定；

(3)三角塔/四角塔通信基站系统的等效电路模型分别用4个支路并联的电路来表征，其中，L_针、R_针表示避雷针支路的电感和电阻，L_塔、R_塔表示三角塔/四角塔支路的电感和电阻，L_引、R_引表示引下线支路的电感和电阻(有时引下线和抱杆可以合二为一)，L_屏、R_屏表示电源线屏蔽层支路的电感和电阻，L_芯、R_芯表示电源线芯线支路的电感和电阻，L_地、R_地表示接地线的电感和接地电阻。

(4)三角塔/四角塔通信基站系统中三角塔/四角塔支路、引下线支路、屏蔽层支路、电源芯线支路的分流由电流传感器I_塔、I_引、I_屏和I_芯进行提取并输出到示波器进行测量。

(5)对示波器测得的雷电流波形进行数据分析和处理，即可得到给定雷电流注入下三角塔/四角塔通信基站系统中各支路雷电流分流的峰值、波前时间、半峰值时间、反极性振荡等参数以及各支路雷电流分流的比例关系。

(6)同样，通过不同规格压敏电阻分段线性化参数的设置，比如，对于通信系统RRU常用的48V电源(可以选用直流参数电压为200V的压敏电阻进行防护，也可以采用直流参考电压为470V的压敏电阻进行防护)，可以计算得到不同雷电防护方案时，雷电流在三角塔/四角塔通信基站系统中各支路的分流特性；

同时，也可以计算“三角塔/四角塔+电源接地线”、“三角塔/四角塔+电源接地线+电源芯线+防护压敏电阻”等等不同组合系统的雷电流分流和雷击防护特性，所有这些仿真计算结果可以为三角塔/四角塔通信基站系统RRU电源的雷电防护提供理论与实验数据支撑。

参照上述实施例对本发明进行了详细说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本专利要求范围当中。

Claims

1.一种通信基站系统的雷电流分流和防护特性计算方法，其特征在于包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的通信基站系统的雷电流分流和防护特性计算方法，其特征在于：所述步骤(3)中计算多种组合形式的通信基站系统的自感、互感与系统结构参数之间的关联关系规律，具体组合形式包括但不限于避雷针+基站主体+引下线+接地线、避雷针+基站主体+引下线+接地线+电源线。

3.根据权利要求2所述的通信基站系统的雷电流分流和防护特性计算方法，其特征在于：建立包含抱杆、引下线、电源线、接地线、接地电阻以及RRU供电电源雷电防护的抱杆通信基站系统的参数化电路仿真模型，计算包括抱杆、避雷针、引下线、电源线、防护压敏电阻以及接地线及接地电阻，和特定源阻抗及其波形的雷电流分量注入下，雷电流在抱杆、引下线、电源线各不同支路的分流特性，其中各支路分流特性。

4.根据权利要求2所述的通信基站系统的雷电流分流和防护特性计算方法，其特征在于：建立包含三角塔/四角塔、引下线、电源线、接地线、接地电阻以及RRU供电电源雷电防护压敏电阻的三角塔/四角塔通信基站系统的参数化电路仿真模型，计算包括三角塔/四角塔、避雷针、引下线、电源线、防护压敏电阻以及接地线及接地电阻，和特定源阻抗及其波形的雷电流分量注入下，雷电流在三角塔/四角塔主体、引下线、电源线各不同支路的分流特性。

5.根据权利要求3或4所述的通信基站系统的雷电流分流和防护特性计算方法，其特征在于：建立参数化电路仿真模型时，对RRU供电电源防护压敏电阻进行数字化建模，获得不同规格压敏电阻的仿真电参数，包括对应于不同工作区域的压敏电阻的结构系数和非线性系数；获得相同雷电流注入条件下，不同规格压敏电阻参数对雷电分流效果的影响规律。