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抱杆通信系统的建模仿真和雷击分流特性研究
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抱杆通信系统的建模仿真和雷击分流特性研究

2022-04-06 13:56:07 来源:半导体器件应用网

【哔哥哔特导读】随着5G网络通信技术发展,分布密集的小型抱杆通信基站将是未来的主要安装场景,复杂接地场景下抱杆通信系统雷电流分流特性的研究具有重要意义。

随着5G万物互联时代的来临,其应用将渗透到车联网、智能电网、智能制造等未来社会的各个领域[1,2]。针对传统的宏基站无法完全覆盖高楼林立、遮挡严重的密集城区的难题,小型化、密集的抱杆通信基站将会是未来5G通信的显著特征。雷击是一种高电压、大电流、长距离的自然放电现象,对远端射频单元RRU(Remote Radio Unit)、微站、微波等无线通信系统的设备产生干扰和破坏,严重威胁通信系统的安全运行,因此,抱杆通信系统阻抗特性及其雷电防护研究具有重要的理论意义和应用价值。

电感参数是杆塔雷电暂态分析的重要参数之一。国内外学者对电力系统杆塔的电感特性进行了大量的研究,杜林等人从电感存储磁场能的角度将铁塔模型等效为互相平行的铁塔四根支柱导体结构,并通过单根导体提出电感修正系数优化模型[4],但由于对杆塔结构做了过多的简化,效果并不理想;李鹏等人分析通信铁塔塔体钢材形状与其趋肤效应,提出了铁塔扁钢、角钢和管钢的外自感估算方法[5],但这种估算方法误差较大,在运用到铁塔整体时精度较低;同时,大量学者还通过研究获得了电力系统单一波阻抗及多波阻抗杆塔模型的数学和理论表达式,其中比较有代表性的由其中比较有代表性的为Jordan提出的基于诺埃曼感应公式的Jordan公式和Wagner等人提出的采用电磁场理论推理的Wagner公式[6, 7];在此基础上Sargent提出的将杆塔应等效为圆锥模型得Sargent公式[8];Yamada等人将杆塔等效为圆锥和圆柱,并通过诺埃曼感应公式和德里复合贯穿深度理论提出得Yamada公式[9];文献[10]提出了杆塔平均阻抗的计算公式。相比而言,电力传输线缆电感和线缆周围电磁场的研究较多,可以通过建立Ansys Maxwell环境的电磁场模型进行仿真计算[11-14]

2008年,Mohammad和Md. Osman计算了雷击通信铁塔时,在距离铁塔10-490m的场点上的电场、磁场强度及其在三个方向上的分量[15],刘昆等人[16]基于CST STUDIO探究了10m铁塔周围的电磁感应,发现铁塔内部的电磁感应强度远小于铁塔外部;文献[5]通过ABS软件建立了铁塔的等效电路模型,仿真分析了不同雷击点、不同接地电阻率、天线线缆对铁塔主梁、斜梁雷电流分布、入地电流的影响,同时分析了天线线缆上的耦合电流情况。2014年中国电信股份有限公司广东研究院关强华等人通过雷电观测试点收集塔放式RRU遭受雷击的情况,通过2年多的实际观测收集发现当铁塔遭受雷击时,RRU供电线缆上的雷电流幅值在10kA以内,同时波形参数比较接近于8/20ms波形。同时,针对观测数据研究人员将40m铁塔等效成40m扁钢进行模拟实验,通过实验发现当10kA的10/350ms雷电流波形注入扁钢时,RRU供电线缆上的电流幅值为2.84kA,分流比接近1/4,且波形接近于10/350ms。同时推测当使用抱杆基站时,分流比会更大[16]

通信基站系统与电力杆塔结构存在着明显差异,电力输电线路中,高压电力线缆与杆塔垂直布局,杆塔与输电线缆间不存在互感作用。而对于抱杆通信系统,通信抱杆主杆体还通过抱箍安装有远端射频单元RRU,其供电电缆通常从地面上的供电电源沿抱杆主体向RRU供电,因此,在研究雷电流在抱杆和RRU供电电缆中的分流特性时必须考虑抱杆本体与线缆间之间存在的互感耦合作用,而对于抱杆通信基站系统,抱杆、供电电缆之间存在互感耦合作用。一方面,雷电流在抱杆本体、RRU供电电缆芯线和屏蔽线各支路的雷电流分流特性涉及甚少,同时由于通信抱杆多为铁磁材料,存在磁饱和等特性,使得抱杆的动态电感随雷电流的磁场频率、幅值而变化,给抱杆通信基站系统的雷电防护性能的研究带来一定的困难。

本文通过建立了抱杆通信基站系统的三维电磁环境计算模型,获得雷电流注入下抱杆的自身电感及抱杆与RRU供电电缆之间的互感随雷电流频率和幅值等参数变化的规律。在此基础上,建立抱杆通信基站系统雷电流分流特性的回路模型,得到雷电流在抱杆、供电电源电缆芯线和屏蔽层中的分流并进行实验验证,为抱杆通信系统雷电防护技术的研究和防护方案的设计奠定一定的理论基础和实验数据支撑。

 

 

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