CN111651952B - 一种抱杆通信系统雷电流特性的计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种抱杆通信系统雷电流特性的计算方法，首先在软件输入目标雷电流波形参数及抱杆通信系统结构参数，然后利用Maxwell仿真得到抱杆系统各部分电感、互感和电阻的数学表达式；在MATLAB环境下建立通信抱杆系统多支路耦合的仿真电路模型，得到雷电流发生器参数；其次将并联支路的互感解耦，用各自电感和电流控制电压源串联的形式等效替代，建立解耦后的通信抱杆系统电路仿真模型，输入与解耦前相同的参数，得到各支路分流特性；最后进行通信抱杆系统的雷电流分流特性的实验验证，得到准确的分流特性，为移动通信基站电源和设备防雷提供理论依据。

Description

一种抱杆通信系统雷电流特性的计算方法

技术领域

本发明属于通信系统雷击防护领域，涉及一种抱杆通信系统雷电流特性的计算方法。

背景技术

闪电是地球上的高发自然现象，其发生频率为平均100次/秒，全球云地闪电的平均发生频率约为每天800万次。雷电会对人们的生产和生活造成很大影响，严重时会造成巨大的经济财产损失，因此，雷电产生的灾害值得人们关注。

移动通信基站是电信运营网络的基础性设施，雷电对移动通信基站的干扰与影响将直接威胁通信网络的安全。雷电主要会对移动通信基站产生五个方面的干扰和影响：地电位抬升、直击雷热击穿、感应雷过电压、直击雷电流传导和电磁辐射。为了更好的接收和发射无线信号，移动通信基站一般会建在较高的山地或比较空旷的地区，并且需要配套基站抱杆或者铁塔，由于高度较高，往往容易遭受雷击。

当雷击通信抱杆系统时，抱杆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。另外由于通信抱杆所处地理位置的特殊性，会有较大的接地阻抗，当雷电流流过接地体时，接地体上会形成很高的反击过电压，使整个接地网上的电位迅速抬升，造成地电位反击。

针对目前抱杆通信系统分流特性难以遍历实测的现状，开展通信抱杆系统电路建模和仿真计算的研究，获得通信抱杆系统中抱杆、电源线、屏蔽层各支路的雷电流分流特性，为抱杆移动通信基站电源和设备(RRU)的雷电防护提供理论支撑。

发明内容

本发明的目的在于提供一种抱杆通信系统雷电流特性的计算方法，准确获得通信抱杆系统中抱杆、屏蔽层、电源线各支路的雷电流分流特性，为通信抱杆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：

一种抱杆通信系统雷电流特性的计算方法，包括如下步骤：

(1)、首先在软件中设置目标雷电流波形参数、抱杆、避雷针、屏蔽层和电源线的结构参数；

(2)、然后分别建立基于Maxwell环境下通信抱杆系统中避雷针、抱杆、电源线、屏蔽层以及接地导体的电磁场仿真计算模型，得到避雷针、抱杆、电源线、屏蔽层各自的等效自感量、等效电阻与其自身结构参数之间关系的表达式；

(3)、建立具有一定空间位置关系的抱杆、屏蔽层、电源线相互耦合互感作用的通信抱杆系统的电磁场仿真计算模型，得到抱杆、屏蔽层、电源线之间互感与系统结构参数之间的关系规律，得到雷电流分量作用下通信抱杆系统各自自感以及相互之间互感的数学表达式；

(4)、在MATLAB环境下建立抱杆、避雷针、屏蔽层、电源线、接地线、接地电阻以及RRU供电电源共模防护、差模防护的通信抱杆系统且考虑各支路间互感耦合作用的通信抱杆系统多支路仿真模型，通过仿真得到雷电流发生回路参数；

(5)、在MATLAB环境下建立通信抱杆系统多支路耦合的雷电流分流特性去耦等效电路仿真模型，得到抱杆、屏蔽层和电源线各支路的分流特性，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；

(6)、根据步骤(4)得到的雷电流发生回路参数，建立相应抱杆、避雷针、屏蔽层、电源线、接地线、接地阻抗以及共模和差模过电压防护器件的雷击实验验证电路，测量流经各支路的雷电流，及抱杆支路、屏蔽层支路、电源线支路的雷电流波形，并将实测各支流分流的雷电流波形与步骤(5)仿真得到的分流特性进行对比，分析造成两者偏差的原因，优化电磁场仿真计算模型，直至仿真计算结果与实验验证结果之间的偏差在研究和工程应用要求的范围内，即得到抱杆通信系统雷电流特性参数。

进一步，所述通信抱杆系统多支路仿真模型包括雷电流发生器和仿真对象，仿真对象包括避雷针、抱杆、屏蔽层和电源线，通过MAXWELL电磁仿真得到避雷针、抱杆、屏蔽层和电源线的等效电感和等效电阻，在MATLAB电路模型中用电感和电阻来等效替代仿真对象，雷电流发生器包括整流电路和RLC回路。

进一步，根据目标雷电流波形参数，包括峰值电流i_m、波前时间T₁和半峰值时间，确定雷电流发生器回路的阻尼系数ξ与输出电流波形参数之间的关系曲线，得到阻尼系数ξ，归一化波前时间T₁ ^*，归一化冲击电流峰值i_m ^*，再确定雷电流发生器回路源阻抗R，将i_m ^*、T₁ ^*、ξ、T₁和i_m带入公式：

得到雷电流发生器RLC回路的参数R、L、C和输出电压U₀。

进一步，所述步骤(5)中将抱杆支路、屏蔽层支路和电源线支路视为三并联带互感模型，并采用电感和电流控制电压源串联的电路来等效替代，将解耦后的模型在 MATLAB环境下仿真，得到解耦后的分流特性；

其原理为在复频域中采用列基尔霍夫电压方程表示抱杆支路、屏蔽层支路和电源线支路：

其中：s为拉普拉斯算子，L₁、L₂、L₃分别抱杆支路、屏蔽层支路和电源线支路的自感；M₁₂为抱杆支路和屏蔽层支路之间的互感，M₁₃为抱杆支路和电源线支路之间的互感，M₂₃为屏蔽层支路和电源线支路之间的互感；I₁、I₂、I₃为分别为抱杆支路、屏蔽层支路和电源线支路中流经的电流；U为施加到回路的电压；

将方程中与本支路电流无关的量用电流控制电压源等效替代，得到电路模型，从而将互感解耦。

进一步，所述步骤(6)中通过雷击实验验证电路验证通信抱杆系统的雷电流分流特性时，在验证电路的抱杆支路、屏蔽层线路、电源线支路分别套接电流线圈提取雷电流在各支路中的分流，并通过四通道示波器进行采集和记录；包括多种验证组合形式，具体包括避雷针+抱杆+屏蔽层+电源线，避雷针+抱杆+屏蔽层。

本发明的抱杆通信系统雷电流特性的计算方法，将通信抱杆系统中的抱杆支路、屏蔽层支路和电源线支路之间的互感耦合解耦，用独立电感和电流控制电压源串联的形式等效替代相互之间的互感，使得在分析通信抱杆系统雷电流分流特性时，各支路之间的关系更加明确，更好的分析各支路雷电电流的特征以及雷电流畸变的原因，为移动通信基站电源和设备防雷提供理论依据。

同时对通信抱杆系统的雷电流分流特性的实验验证，将通过实验采集获得的各支路雷电流的参数与仿真结果对比，不断优化通信抱杆系统的电磁场仿真计算模型及其电路仿真模型，得到更加准确的分流特性。

附图说明

图1是通信抱杆系统且考虑各支路间互感耦合作用的电路仿真模型；

图2是RLC电路原理图；

图3是多支路互感解耦等效电路原理图；

图4是解耦后通信抱杆系统的电路仿真模型；

图5是通信抱杆系统多支路耦合的雷电流分流特性实验验证电路图；

图6是抱杆通信系统雷电流特性的计算流程图；

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。

参见图1，本发明的通信抱杆系统多支路仿真模型由以下几个部分组成：雷电流发生器和仿真对象，仿真对象包括避雷针、抱杆、屏蔽层、电源线、设备接地线、电源接地线、抱杆接地线和接地电阻。其中，抱杆的一部分和屏蔽层、电源线形成并联带有互感耦合支路。通过MAXWELL电磁仿真得到避雷针、抱杆、屏蔽层和电源线的等效电感和等效电阻，在MATLAB电路模型中，用电感和电阻来等效替代仿真对象。

参见图2是雷电流发生器的原理图，左侧1部分是将交流电整流为直流电压加在电容两端，当开关闭合后电容放电，电容2、电阻4、电感5形成RLC回路，根据软件输入的目标雷电流波形参数(峰值电流、波前时间和半峰值时间)，确定雷电流回路的阻尼系数ξ与输出电流波形参数之间的关系曲线，得到阻尼系数ξ；

根据公式(1)计算得出回路参数，归一化波前时间T₁ ^*，归一化冲击电流峰值i_m ^*，再确定回路源阻抗R，将i_m ^*、T₁ ^*、ξ、T₁和i_m带入公式：

得到雷电流发生器参数R、L、C和U₀。

软件中输入各部件的参数后，运行MATLAB软件仿真得到电源线支路、屏蔽层支路和抱杆支路的电流特性和回路参数。

参见图3，将抱杆支路、屏蔽层支路和电源线支路视为三并联带互感模型，将三个并联支路间的互感耦合用电感和电流控制电压源串联电路等效替代，其原理为在复频域中对图3中左图列基尔霍夫电压方程：

其中：s为拉普拉斯算子，L₁、L₂、L₃分别抱杆支路、屏蔽层支路和电源线支路的自感；M₁₂为抱杆支路和屏蔽层支路之间的互感，M₁₃为抱杆支路和电源线支路之间的互感，M₂₃为屏蔽层支路和电源线支路之间的互感；I₁、I₂、I₃为分别为抱杆支路、屏蔽层支路和电源线支路中流经的电流；U为施加到回路的电压；

如上式(2)所示，将方程中与本支路电流无关的量用电流控制电压源等效替代，可以得到图3右图的电路模型，从而将互感解耦。

参见图4，在MATLAB软件里建立解耦后的通信抱杆系统雷电流分流特性的电路仿真模型，各部分参数输入与解耦前相同，将解耦后的模型在MATLAB环境下仿真，得到解耦后的各支路分流特性。

参见图5，进行通信抱杆系统的雷电流分流特性的实验验证，将雷电流发生器、电气连接线、避雷针、抱杆支路、屏蔽层、电源线以及过电压防护器件电气连接在一起形成雷电流分流特性验证回路，在抱杆支路、屏蔽层支路、电源线支路分别套接电流线圈，用于提取雷电流在各支路中的分流，并通过四通道示波器进行采集和记录。

实验验证过程包括“避雷针+抱杆+屏蔽层+电源线”的组合方式，也可应用于“避雷针+抱杆+屏蔽层”的组合方式。

将通过实验采集获得的各支路雷电流的参数与仿真结果对比，分析产生差异的原因，优化通信抱杆系统的电磁场仿真计算模型及其电路仿真模型，直至通信抱杆系统各支路的雷电流分流参数的理论计算与实验验证之间的偏差在规定的范围内。

参见图6，抱杆通信系统雷电流特性的计算方法，包括如下步骤：

(1)、首先在软件中设置目标雷电流波形参数、抱杆、避雷针、屏蔽层和电源线的结构参数。

(2)、然后分别建立基于Maxwell环境下通信抱杆系统中避雷针、抱杆、电源线、屏蔽层以及接地导体的电磁场仿真计算模型，得到避雷针、抱杆、电源线、屏蔽层各自的等效自感量、等效电阻与其自身结构参数之间关系的表达式。

(3)、建立具有一定空间位置关系的抱杆、屏蔽层、电源线相互耦合互感作用的通信抱杆系统的电磁场仿真计算模型，得到抱杆、屏蔽层、电源线之间互感与系统结构参数之间的关系规律，得到雷电流分量作用下通信抱杆系统各自自感以及相互之间互感的数学表达式。

(4)、在MATLAB环境下建立抱杆、避雷针、屏蔽层、电源线、接地线、接地电阻以及RRU供电电源共模防护、差模防护的通信抱杆系统且考虑各支路间互感耦合作用的电路仿真模型，通过仿真得到发生器回路参数。

(5)、在MATLAB环境下建立通信抱杆系统多支路耦合的雷电流分流特性去耦等效电路仿真模型，得到抱杆、屏蔽层和电源线各支路的分流特性。其中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等参数。

(6)、根据上述(4)过程中电路仿真模型的参数，建立相应抱杆、避雷针、屏蔽层、电源线、接地线、接地阻抗以及共模和差模过电压防护器件的雷击实验验证电路，测量流经各支路的雷电流，用四通道示波器测量抱杆支路、屏蔽层支路、两电源线支路的雷电流波形，并将实测各支流分流的雷电流波形与步骤(5)过程仿真得到的分流特性进行对比，分析造成两者偏差的原因，优化电磁场仿真计算模型，直至仿真计算结果与实验验证结果之间的偏差在研究和工程应用要求的范围内。

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，其均应涵盖在本权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种抱杆通信系统雷电流特性的计算方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)、首先在软件中设置目标雷电流波形参数、抱杆、避雷针、屏蔽层和电源线的结构参数；

(2)、然后分别建立基于Maxwell环境下通信抱杆系统中避雷针、抱杆、电源线、屏蔽层以及接地导体的电磁场仿真计算模型，得到避雷针、抱杆、电源线、屏蔽层各自的等效自感量、等效电阻与其自身结构参数之间关系的表达式；

(3)、建立具有一定空间位置关系的抱杆、屏蔽层、电源线相互耦合互感作用的通信抱杆系统的电磁场仿真计算模型，得到抱杆、屏蔽层、电源线之间互感与系统结构参数之间的关系规律，得到雷电流分量作用下通信抱杆系统各自自感以及相互之间互感的数学表达式；

(4)、在MATLAB环境下建立抱杆、避雷针、屏蔽层、电源线、接地线、接地电阻以及RRU供电电源共模防护、差模防护的通信抱杆系统且考虑各支路间互感耦合作用的通信抱杆系统多支路仿真模型，通过仿真得到雷电流发生回路参数；

(5)、在MATLAB环境下建立通信抱杆系统多支路耦合的雷电流分流特性去耦等效电路仿真模型，得到抱杆、屏蔽层和电源线各支路的分流特性，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；

(6)、根据步骤(4)得到的雷电流发生回路参数，建立相应抱杆、避雷针、屏蔽层、电源线、接地线、接地阻抗以及共模和差模过电压防护器件的雷击实验验证电路，测量流经各支路的雷电流，及抱杆支路、屏蔽层支路、电源线支路的雷电流波形，并将实测各支流分流的雷电流波形与步骤(5)仿真得到的分流特性进行对比，分析造成两者偏差的原因，优化电磁场仿真计算模型，直至仿真计算结果与实验验证结果之间的偏差在研究和工程应用要求的范围内，即得到抱杆通信系统雷电流特性参数。

2.根据权利要求1所述的抱杆通信系统雷电流特性的计算方法，其特征在于：所述通信抱杆系统多支路仿真模型包括雷电流发生器和仿真对象，仿真对象包括避雷针、抱杆、屏蔽层和电源线，通过MAXWELL电磁仿真得到避雷针、抱杆、屏蔽层和电源线的等效电感和等效电阻，在MATLAB电路模型中用电感和电阻来等效替代仿真对象，雷电流发生器包括整流电路和RLC回路。

3.根据权利要求2所述的抱杆通信系统雷电流特性的计算方法，其特征在于：根据目标雷电流波形参数，包括峰值电流i_m、波前时间T₁和半峰值时间，确定雷电流发生器回路的阻尼系数ξ与输出电流波形参数之间的关系曲线，得到阻尼系数ξ，归一化波前时间T₁ ^*，归一化冲击电流峰值i_m ^*，再确定雷电流发生器回路源阻抗R，将i_m ^*、T₁ ^*、ξ、T₁和i_m带入公式：

得到雷电流发生器RLC回路的参数R、L、C和输出电压U₀。

4.根据权利要求1所述的抱杆通信系统雷电流特性的计算方法，其特征在于：所述步骤(5)中将抱杆支路、屏蔽层支路和电源线支路视为三并联带互感模型，并采用电感和电流控制电压源串联的电路来等效替代，将解耦后的模型在MATLAB环境下仿真，得到解耦后的分流特性；

其原理为在复频域中采用列基尔霍夫电压方程表示抱杆支路、屏蔽层支路和电源线支路：

其中：s为拉普拉斯算子，L₁、L₂、L₃分别抱杆支路、屏蔽层支路和电源线支路的自感；M₁₂为抱杆支路和屏蔽层支路之间的互感，M₁₃为抱杆支路和电源线支路之间的互感，M₂₃为屏蔽层支路和电源线支路之间的互感；I₁、I₂、I₃为分别为抱杆支路、屏蔽层支路和电源线支路中流经的电流；U为施加到回路的电压；

将方程中与本支路电流无关的量用电流控制电压源等效替代，得到电路模型，从而将互感解耦。

5.根据权利要求1所述的抱杆通信系统雷电流特性的计算方法，其特征在于：所述步骤(6)中通过雷击实验验证电路验证通信抱杆系统的雷电流分流特性时，在验证电路的抱杆支路、屏蔽层线路、电源线支路分别套接电流线圈提取雷电流在各支路中的分流，并通过四通道示波器进行采集和记录；包括多种验证组合形式，具体包括避雷针+抱杆+屏蔽层+电源线，避雷针+抱杆+屏蔽层。

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