移动基站电源电涌保护器研究

论文摘要

移动基站容易受雷击和雷电电涌过电压的侵害。据统计,大多数雷电电涌是从移动基站的电源线路侵入的,因而移动基站电源系统的雷电防护对于维护站内设施的安全可靠运行具有重要意义。就总体而言,基站电源系统的雷电电涌过电压防护需要采取屏蔽、接地、等电位连接和分流限压等多种措施,在这些措施中,电涌保护器（SPD-surge protective device）的保护功能是至关重要的。由于保护器在雷电电涌过电压下的动作限压过程涉及到颇为复杂的电磁暂态过程,进行理论分析较为困难,目前工程上在进行设计时主要是根据标准规范和经验做法来确定其大致的参数,而在定量化计算与仿真分析方面所取得的研究成果相对较少。为此,本文旨在对用于基站电源系统防护的电涌保护器的保护性能进行分析,以期为移动基站电源系统的雷电电涌过电压防护提供可信的设计依据,从而降低基站的雷害损失。本文以自行搭建的放电管（GDT-gas discharge tube）模型为基础,对雷电电涌过电压下电涌保护器的动作特性和保护水平进行了仿真分析计算,并对现有的单相电源保护器进行了电路结构改进,通过理论分析及仿真证明了改进电路具有更好的综合性能。对以上仿真分析的保护器均组装实物进行冲击试验并将仿真与试验结果对比,验证了仿真的有效性。对两级保护器的级间配合及保护器与被保护设备负载特性配合进行了仿真分析计算,对前后级保护器动作电压高低、连接电缆长度对整体保护效果的影响均进行了讨论。对保护器与不同类型负载、不同长度连接电缆的配合效果首先采用简化电路定性分析,再进行仿真定量计算。为了验证仿真分析的有效性,组装了具体实物并进行了雷电冲击试验,将仿真结果和试验结果进行了对比从而证明了仿真分析的有效性。通过理论分析、计算和试验测量,对8/20μs和10/350μs这两种波形对电涌保护器核心元件压敏电阻（MOV-metal oxide varistor）的冲击作用是否存在等效性给出了相应结论。推荐采用2ms方波作为保护器耐受操作电涌过电压能力的考核波形,进行了压敏电阻在8/20μs和2ms方波下的冲击比较试验,通过试验使理论分析结果得到了验证。采用马尔可夫过程来分析压敏电阻运行中不同状态的转移过程,建立其状态转移图,推导出了压敏电阻运行中的平均失效前时间（MTTF-Mean Time To Failure）的计算公式。以该计算公式为基础,通过建模仿真取得的参数对雷击基站电源线路情况下压敏电阻的可靠性进行了计算,从而得出了不同条件下压敏电阻在运行中的寿命。本文报道的研究结果能够为移动基站等电子信息系统电源线路的雷电防护设计提供参考依据,对其电涌过电压防护具有实用价值。

论文目录

• 致谢
• 中文摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 基站雷电防护的重要性
• 1.2 侵入基站的雷电电涌过电压
• 1.2.1 基站内雷电电涌过电压的入侵途径
• 1.2.2 雷电流的波形描述
• 1.2.3 基站内设备损坏的原因及雷电电涌过电压的主要入侵途径
• 1.3 基站系统雷电电涌过电压的防护简介
• 1.3.1 雷电防护分区
• 1.3.2 基站系统雷电电涌过电压的各种防护措施
• 1.3.2.1 直击雷防护
• 1.3.2.2 屏蔽
• 1.3.2.3 接地措施
• 1.3.2.4 等电位连接
• 1.4 低压供电系统雷电电涌过电压防护的研究概况
• 1.5 论文主要工作
• 2 基站电源系统电涌保护器的仿真及试验
• 2.1 引言
• 2.2 基站供电制式和基站电源系统电涌保护器
• 2.2.1 基站的供电系统制式
• 2.2.2 用于基站电源系统的电涌保护器的分类
• 2.3 电源电涌保护器的仿真
• 2.3.1 放电管的仿真模型
• 2.3.2 基站单级电源电涌保护器的仿真
• 2.4 电源电涌保护器保护性能的仿真与试验
• 2.4.1 试验所用的冲击电流发生器装置介绍
• 2.4.2 电涌保护器的仿真与试验
• 2.5 单相电源电涌保护器电路结构的改进
• 2.6 本章小结
• 3 电涌保护器配合的研究
• 3.1 引言
• 3.2 电源电涌保护器的级间配合问题
• 3.2.1 前级与后级电涌保护器动作电压不同时的配合
• 3.2.2 连接电缆长度不同时前后级电涌保护器的配合
• 3.3 电涌保护器与被保护负载的配合
• 3.3.1 简化电路解析分析
• 3.3.1.1 纯电容性负载
• 3.3.1.2 阻容性负载
• 3.3.1.3 纯电阻性负载
• 3.3.1.4 纯电感性负载
• 3.3.2 仿真分析
• 3.3.2.1 纯电阻性负载
• 3.3.2.2 纯电容性负载
• 3.3.2.3 阻容性负载
• 3.3.2.4 纯电感性负载
• 3.4 本章小结
• 4 核心保护元件在长波冲击电流下的耐受能力
• 4.1 引言
• 4.2 压敏电阻在10/350μs波形下的耐受能力
• 4.2.1 两种波形的比较
• 4.2.2 10/350μs冲击电流发生装置
• 4.2.3 对比试验步骤与测量结果
• 4.3 压敏电阻耐受操作电涌过电压的能力
• 4.3.1 电源系统中的雷电和操作电涌过电压
• 4.3.2 压敏电阻在长波和短波下的击穿机理
• 4.3.2.1 短波下的击穿机理
• 4.3.2.2 长波下的击穿机理
• 4.3.3 压敏电阻耐受操作电涌过电压的考核波形
• 4.4 压敏电阻在8/20μs和2ms方波电流下的对比试验调查
• 4.4.1 试验步骤
• 4.4.2 试验结果
• 4.5 本章小结
• 5 核心保护元件的可靠性
• 5.1 引言
• 5.2 压敏电阻的失效
• 5.2.1 冲击电流的作用
• 5.2.2 系统电压的作用
• 5.2.3 冲击电流和系统电压的综合作用
• 5.2.4 高湿度的作用
• 5.2.5 压敏电阻的失效率
• 5.3 压敏电阻的可靠性
• 5.3.1 可靠性和平均失效前时间
• 5.3.2 压敏电阻的可靠性模型
• 5.4 参数的仿真估算
• 5.4.1 杆塔模型
• 5.4.2 变压器模型
• 5.4.3 计算仿真结果
• 5.5 本章小结
• 6 总结与展望
• 6.1 论文的主要工作及结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 作者简历
• 攻读博士学位期间已发表的论文
• 学位论文数据集