Защита систем мобильной связи 4-го поколения от молнии и импульсных перенапряжений.

Новая конструкция базовых станций

Изначально все электронные компоненты размещались в помещении или внутри шкафа, вынесенного за его пределы. Воздействию окружающей среды были подвержены только антенны и коаксиальные соединительные кабели (фидеры и джамперы) между при- емопередатчиком-антенной. Чтобы компенсировать большие потери мощности в длинных коаксиальных кабелях, усилители на телекоммуникационных мачтах стали устанавливаться как можно ближе к антеннам. Чтобы оптимизировать диапазон и зону покрытия, антенна оборудована устройством, дистанционно управляющим углом наклона. Конструкция последних 3G- (Universal Mobile Telecommunications System, UMTS) и 4G-(Long Term Evolution, LTE) систем основана на технологии с использованием удаленных радиомодулей (Remote Radio Head, RRH). Они размещаются рядом с антенной и содержат компоненты, которые обеспечивают цифро-аналоговые (и аналого-цифровые) преобразования, управление мощностью излучения, наложение аналогового сигнала на сигнал высокой частоты, мультиплексирование сигналов приема и передачи. Благодаря этой технологии базовые станции становятся более компактными и, соответственно, более эффективными. Сокращение числа отдельных компонентов системы и сэкономленное пространство позволяют сотовым операторам снизить эксплуатационные расходы на электроэнергию, кондиционирование, поставку запасных частей и затраты на аренду места для базовой станции. Связь между модулями RRH и BBU (Baseband Unit)

обычно осуществляется с помощью оптоволокна; такое устройство системы известно как FTTA (Fiber To The Antenna). Использование оптоволокна вместо медных коаксиальных кабелей позволило увеличить ширину канала и скорость передачи данных. Волоконно-оптические кабели не требуют специальных мер защиты от электромагнитных воздействий, возникающих вследствие ударов молнии и вызванных ими импульсных перенапряжений, т.к. использование данных кабелей исключает гальваническую связь. Удаленные радиомодули запитываются от источника питания постоянного тока с напряжением 48 В. Для этого медный питающий кабель (как правило, экранированный) прокладывается от базовой станции до радиомодуля (рис. 1).

Защита должна соответствовать уровню развития технологии Для безопасной и непрерывной работы система питания постоянного тока должна быть интегрирована в систему уравнивания потенциала базовой станции с помощью соответствующих устройств защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП). Конструкция с использованием технологии на базе модулей RRH определяет новые требования к концепции молниезащиты и защиты от импульсных перенапряжений всей системы в целом. Оптимальным решением является использование зонной концепции молниезащиты (Lightning Protection Zones, LPZs), согласно которой защищаемый объект делится на зоны по степени подверженности устройств опасным воздействиям, вызванным ударом молнии.

При переходе из зоны с более высокими требованиями к устойчивости электромагнитным воздействиям в следующую происходит ограничение пиковых величин перенапряжений с помощью соответствующего УЗИП. Данная концепция описана в стандарте IEC №62305-1

(2010-12), а также в инструкции по молниезащите СО 153-34.21.122-200 и различных внутренних отраслевых стандартах.

В стандарте выделяются следующие внешние зоны с наибольшим риском:

– LPZ 0A: опасность прямого удара молнии, возможность протекания полного тока молнии; электромагнитное поле молнии имеет максимальное значение;

– LPZ 0B: объекты не подвержены прямому удару молнии, ток молнии частично ослаблен; электромагнитное поле молнии не ослаблено и также имеет максимальное значение.

Внутренние зоны включают:

– LPZ 1: импульсные токи ослаблены благодаря распределению тока через защитное заземление и работе УЗИП на границе зон; электромагнитное поле молнии

может быть ослаблено экранированием;

– LPZ 2: дальнейшее ослабление импульсных токов за счет распределения через защитное заземление и работы УЗИП на границе зон; дальнейшее ослабление

электромагнитного поля (рис. 2).

Защитное устройство на выходе источника питания (на переходе между зонами LPZ 0B и LPZ 1) защищает его чувствительные компоненты от разрядных токов, возникающих в проводке модулей RRH вследствие грозовых воздействий. Схема подключения УЗИП зависит от того, как выполнено заземление. Чаще всего используется однополюсный вариант УЗИП – между заземленным «плюсом» и «минусом» источника питания. Соответствующее УЗИП необходимо подобрать и для установки на вводе питания в модуль RRH. Это вызвано тем, что длина проводки может составлять 30 и более метров в зависимости от конфигурации базовой станции, установки антенн на мачте или на крыше здания. При ударе молнии на такой дистанции может возникнуть существенная разница потенциалов, что отрицательно скажется на уровне защиты, который обеспечивает УЗИП на выходе источника питания, и он превысит значение прочности изоляции компонентов модуля RRH. Для того чтобы ограничить перенапряжение, индуцированное в этом электрическом контуре, при длине проводки более 10 м необходимо разместить на вводе питания в модуль RRH дополнительное защитное устройство. В данном случае для подключения УЗИП используется схема 1 + 1: защитный элемент устанавливается между «плюсом» и «минусом», а также между «плюсом» и шиной заземления (Рис.2).

Такое подключение предотвращает протекание коррозионных токов в системе заземления. Выбор защитных устройств В зависимости от концепции защиты системы в целом могут быть выбраны различные версии устройств. Лучшую защиту от импульсных токов и электромагнитного поля молнии предлагают УЗИП класса 1. Они обычно изготавливаются на базе искровых разрядников в соответствии с требованиями IEC №61643-11 (2011-03). Ввиду особенностей принципа действия таких УЗИП необходимо быть уверенным, что конкретное УЗИП может быть использовано в сети постоянного тока и сможет погасить свою дугу при данном значении напряжения постоянного тока. Кроме того, уровень защиты таких устройств (как правило, < 1,5 кВ) должен быть скоординирован с прочностью изоляции защищаемого оборудования. Комбинация УЗИП класса 1 на базе искрового разрядника и УЗИП класса 2 на базе варистора снижает уровень напряжения срабатывания и уровень остаточного напряжения, тем самым повышая степень защищенности конечного оборудования. Если принята концепция защиты, соответствующая рисунку 2, то возможность прямого удара молнии в любой компонент системы может быть исключена. Однако сохраняется вероятность воздействия на многие компоненты системы частичных токов молнии. В сравнении с УЗИП, изготовленными на базе искровых разрядников, УЗИП класса 1, сделанные по варисторной технологии, имеют более подходящую для данного случая характеристику срабатывания. Благодаря низкому уровню защиты они предлагают оптимальную защиту для чувствительных электронных компонентов модулей RRH и источников питания. Максимальный уровень ограничения перенапряжения, который обеспечивает УЗИП, должен быть ниже импульсной прочности защищаемого оборудования. Реструктуризация всегда должна служить снижению затрат на эксплуатацию и обслуживание системы, а также увеличению ее надежности и эксплуатационной готовности. Приблизиться к этой цели помогает хорошо спланированная защита от импульсных перенапряжений.