新型基站设施面临的雷击危险及防护建议 购物中心, 办公室, 办公楼, 设计者, 移动通信

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电信世界正快速步入4G时代，但同时也为电信这些设计者提出了挑战。扩容的实现不完全依赖于价格昂贵、覆盖范围通常可dp 2公里的2G/3G宏蜂窝。这些基站通常安装在合理设计的基站塔中。相反，有越来越多的覆盖范围分別为200米和100米的微微蜂窝(通常应用于购物中心、医院、校园和办公楼)和毫微微蜂窝(通常应用于家庭和小型办公室)投入使用，它们的安装通常由最终点用户或楼宇管理人员完成。这些将数据传输至宽带网络，而不是移动通信网络。此外，回程节点的应用也更普遍，相关设备被安装在楼宇或水塔等建筑结构之上，面临着雷击威胁。这些节点被用于以低成本延伸元线骨干网，形成点到点架构。本文将解释上述各种类型设备可能面临的雷击危险，并提出相应的防护建议。

危险的性质

所有安装在户外的设备(以及部分安装在室内的设备)都面临雷击的危险，从而可能导致所有连接线路(包括电源线和数据线)出现浪涌。关于此类浪涌的现行规范包括GR-1089、IEC 61000-4-5、IEEEC62.41以及ITUK.44/20/21/56。

安装在室内的设备则可能受到人类或其他带电物体静电放电(ESD)的影响，这种ESD可进入数据线。IEC 61000-4-2提供了应用级ESD测试方法的相关建议。

微微蜂窝与相关基站控制器的回程连接通常经由以太网连接实现，如1000BaseT或10 GbE等。与此同时，微微蜂窝还可以直接与互联网连接，而无需借助基站控制器甚至是移动交换中心。而毫微微蜂窝亦可采用现有的互联网连接，如DSL或CATV调制解调器。

防护方法

交流电源线的雷击浪涌保护相当简单——利用高能量MOV(金属氧化物压敏电阻)或AK系列器件控制过电压即可，但必须与短路和过载保护的熔断器装置相结合。需谨记的一点是，MOV的寿命取决于其能够吸收的总能量，也就是说，应根据瞬态调整MOV的额定瞬态能量。MOV正确合理的选择，能最大限度地减少因浪涌保护器损坏而导致的设备故障。

对于直流电源线而言，TVS(瞬态电压抑制)二极管可提供低钳位电压值，最大限度减少对设备的电气应力。不同于其他传统的无源器件，TVS即便面临多个浪涌事件也不会出现磨损。

过电流保护可通过熔断器装置或可复位PTC实现。数据线可能面临雷击浪涌、与交流电源线的交互耦合，以及ESD的威胁。

这些线路承载的频率较电源输入更高，能够在一定的电压范围内工作，因此相应的防护需求也较电源输入应用更加复杂。

就HDSL线路而言，典型的防护方案包括一台采用GDT(气体放电管)处理最严重浪涌电流的主保护器，外加一对SIDACtor.(瞬态浪涌保护晶闸管)，以进一步降低进入电路的浪涌能量。与此同时，一对熔断器的使用，可帮助客户达到电信标准中规定的电源故障要求。此外，在耦合变压器的第三位(即驱动器侧)放置SIDACtor或TVS SPA(矽保护阵列)也是常用方式之一。

如果使用ADSL线路，可采用单个GDT或SIDACtor提供保护，在需要电源故障保护的情况下，还应配备一个熔断器。在此类应用中，最好采用微电容SIDACtor以减少信号失真。如果电容值太高，可安装反并联连接的一对离散超快开关二极管(图1)，将总电容降低至15pF，也可以采用内置上述二极管的SDP或SEP SIDACTOR系列。

类似的方法还可用于保护毫微微蜂窝、微微蜂窝以及回程设备中的以太网线路。对于安装在室内(但暴露在雷电和ESD环境下，如GR-1089)的线路，可通过在线路侧安装额定浪涌的TVS二极管阵列(必要情况下再加上熔断器)以及在第三位(耦合变压器的线路驱动器侧)安装超低电容二极管阵列来实现保护，如图2所示。

如果以太网线路安装在户外，就必须对其采取雷击瞬变保护措施。这种情况下的防护类似于室内应用，需采用专门设计的SDP和SEP系列等SIDACtor取代TVS二极管阵列。此外，还应在电路的驱动器侧安装TVS二极管阵列，以进一步降低系统经受的瞬态能量。



图1：ADSL线路保护可采用GDT或SIDACtor.再加上一个熔断器得以实现



图2：用于建筑物之间的以太网线路可采用超快TVS二极管、熔断器，以及超低电容二极管阵列实现保护

回程设备有多个需保护的脆弱点。除数据线和电源输入线(交流或直流)外，还应将天线纳入考虑。在这种情况下，当被施加IEEE C62.45中规定的8/20μs组合波形时，防护的实现既可以采用AK10或AK15器件，也可以采用抗浪涌能力为10kA或以上的GDT。

4G无线设备的防雷击、ESD和电源线浪涌保护是系统设计中非常重要的一项考虑因素。如果没有采用相应的设计来防止上述电击威胁，就有可能导致现场故障、产品退货、声誉受损以及丢掉业务的后果。

传统的基站地点受到大城市人口密度高所导致的现行不动產状况所限。这限制了不断扩大无线语音和数据覆盖范围所需的大规模网络和新基站的快速部署。如今，愈来愈多的运营商需要重建电信设施，而这面临着筹备时间长和建设成本高的挑战。

关于分布式基站 (DBS)

分布式基站(DBS)由BBU和RRU组成，能够通过实现射频和基带处理单元的分离，从而缓解基站建设过程中的部分拥塞情况。这些DBS系统支持分布式安装，而无需将设备的全部组件集中在同一区域。通过将部分设备安装在塔上，能够最大限度地减少占地面积。与传统结构相比，DBS结构能够显着降低之前由于在人口密度高的城市缺乏足够的不动产从而产生的整体网络建设成本。

鉴于DBS远程无线单元(RRU)暴露在雷击环境中，这种新结构将其纳入了更高的风险类别，并针对这些暴露单元采用了更高的安全标准。

大多数RRU都由直流电源、控制/信号端口、同轴电缆SPD以及光纤传输设备等组成。这些RRU端口和设备暴露在外部环境中，因而遭遇雷击的风险大大增加。

塔灯供电电缆

照明电源线应受到下述其中一项保护：

1) 安置于金属管内的非屏蔽电缆；

2) 或未设金属管的屏蔽电缆；

3) 或未设金属管的非屏蔽电缆，但在导线和塔结构之间安装SPD (在电力电缆入户的地方，还需要安装第二组SPD)。

这些SPDS应符合[IEC 61643-1] II类，其额定峰值电流如表1所示。

表1：非屏蔽照明电缆 (8/20μs波形) 的额定峰值电流



浪涌保险丝可用于保护过电压保护组件。LVSP20/30/40浪涌保险丝可以提供过电压保护，其适用于表2中所列LPL等级的20kA/30kA/40kA类别，从而能够杜绝雷电引发事件造成的裂缝。LVSP是一个浪涌保险丝，因此它必须与过电压保护串连使用，并不能真正进行负载电流。LVSP设计用来保护过电压的组件(MOV或AK系列二极管)对连续过压等故障条件如TOV(暂时过电压)，线膨胀或OV条件异常等可以使OV保护组件过热引起热衰竭。选择LVSPI2T要有足够的承受浪涌测试，行程的速度够快，在过压故障条件下热损伤OV组件之前跳闸。这一点尤为重要，因为这些MOV组件有危险的失败可能。设计工程师需要知道每个保险丝的I2T评级自“闪电等级”，例如，LSVP20具有额定的I2T 4,940 A2S。请参阅下表的选择。




塔灯电源电缆的过电压保护可由SPD提供。这些SPD应是具备高抗浪涌能力的设备(改成:这些SPD应具备有高的抗浪涌能力)，如AK系列TVS或Ultra MOV系列。需特别防护的应用可考虑AK10或AK15系列器件。

通信导线的SPD选择

通信电缆应通过配线架接入RBS，而配线架则通过接地棒连接至主接地端子(MEB)，如图3所示。在这里，主保护装置接地用于实现共模保护。

鉴于其暴露于高浪涌环境下，用于RBS配线架的SPD通常为气体放电管(GDT)类型。搭载故障防护装置的三端GDT常用于入口点。Littelfuse同时还提供T0-220固态解决方案。这种故障防护装置在长时间的电力故障事件中会出现短路。SPD的最低导通电压应高于正常运行期间信号点(在电信业被标为“tip”和“ring”)与接地参考点之间的最大工作电压。



图3：通信配线架图解

SPD的额定脉冲电流可基于下列公式进行计算：




其中：

ISPD指SPD的必需脉冲电流额定值；

ILPL指表1中给出的最大雷击电流峰值；

n指接入RBS的业务数量；

m指通信电缆导线的数量；

mS指与屏蔽相当的导线数量。

如果是非屏蔽电缆，mS = 0。标准铝屏的mS代表值= 30。举例来说，基于LPL III (ILPL= 100kA)、两项业务(如电力和电信)，以及通信电缆中的20根(10对)导线，根据上述公式计算，ISPD= 500A。

注：在公式中，当8/20μs电流不低于10/350μS电流的5倍时，认为I类和II类SPD等效。



图4：配线架中SPD的安装

AK系列器件还可用于替代图4中所示的GDT。就上述例子而言，要求安装8/20浪涌额定值约为2,500A的设备。与任何GDT一样，AK3或AK6可轻松适用。