隨著5G萬(wàn)物互聯(lián)時(shí)代的來(lái)臨，其應(yīng)用將滲透到車聯(lián)網(wǎng)、智能電網(wǎng)、智能制造等未來(lái)社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域[1,2]。針對(duì)傳統(tǒng)的宏基站無(wú)法完全覆蓋高樓林立、遮擋嚴(yán)重的密集城區(qū)的難題，小型化、密集的抱桿通信基站將會(huì)是未來(lái)5G通信的顯著特征。雷擊是一種高電壓、大電流、長(zhǎng)距離的自然放電現(xiàn)象，對(duì)遠(yuǎn)端射頻單元RRU（Remote Radio Unit）、微站、微波等無(wú)線通信系統(tǒng)的設(shè)備產(chǎn)生干擾和破壞，嚴(yán)重威脅通信系統(tǒng)的安全運(yùn)行，因此，抱桿通信系統(tǒng)阻抗特性及其雷電防護(hù)研究具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。
電感參數(shù)是桿塔雷電暫態(tài)分析的重要參數(shù)之一。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)電力系統(tǒng)桿塔的電感特性進(jìn)行了大量的研究，杜林等人從電感存儲(chǔ)磁場(chǎng)能的角度將鐵塔模型等效為互相平行的鐵塔四根支柱導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，并通過(guò)單根導(dǎo)體提出電感修正系數(shù)優(yōu)化模型[4]，但由于對(duì)桿塔結(jié)構(gòu)做了過(guò)多的簡(jiǎn)化，效果并不理想；李鵬等人分析通信鐵塔塔體鋼材形狀與其趨膚效應(yīng)，提出了鐵塔扁鋼、角鋼和管鋼的外自感估算方法[5]，但這種估算方法誤差較大，在運(yùn)用到鐵塔整體時(shí)精度較低；同時(shí)，大量學(xué)者還通過(guò)研究獲得了電力系統(tǒng)單一波阻抗及多波阻抗桿塔模型的數(shù)學(xué)和理論表達(dá)式，其中比較有代表性的由其中比較有代表性的為Jordan提出的基于諾埃曼感應(yīng)公式的Jordan公式和Wagner等人提出的采用電磁場(chǎng)理論推理的Wagner公式[6, 7]；在此基礎(chǔ)上Sargent提出的將桿塔應(yīng)等效為圓錐模型得Sargent公式[8]；Yamada等人將桿塔等效為圓錐和圓柱，并通過(guò)諾埃曼感應(yīng)公式和德里復(fù)合貫穿深度理論提出得Yamada公式[9]；文獻(xiàn)[10]提出了桿塔平均阻抗的計(jì)算公式。相比而言，電力傳輸線纜電感和線纜周圍電磁場(chǎng)的研究較多，可以通過(guò)建立Ansys Maxwell環(huán)境的電磁場(chǎng)模型進(jìn)行仿真計(jì)算[11-14]。
2008年，Mohammad和Md. Osman計(jì)算了雷擊通信鐵塔時(shí)，在距離鐵塔10-490m的場(chǎng)點(diǎn)上的電場(chǎng)、磁場(chǎng)強(qiáng)度及其在三個(gè)方向上的分量[15]，劉昆等人[16]基于CST STUDIO探究了10m鐵塔周圍的電磁感應(yīng)，發(fā)現(xiàn)鐵塔內(nèi)部的電磁感應(yīng)強(qiáng)度遠(yuǎn)小于鐵塔外部；文獻(xiàn)[5]通過(guò)ABS軟件建立了鐵塔的等效電路模型，仿真分析了不同雷擊點(diǎn)、不同接地電阻率、天線線纜對(duì)鐵塔主梁、斜梁雷電流分布、入地電流的影響，同時(shí)分析了天線線纜上的耦合電流情況。2014年中國(guó)電信股份有限公司廣東研究院關(guān)強(qiáng)華等人通過(guò)雷電觀測(cè)試點(diǎn)收集塔放式RRU遭受雷擊的情況，通過(guò)2年多的實(shí)際觀測(cè)收集發(fā)現(xiàn)當(dāng)鐵塔遭受雷擊時(shí)，RRU供電線纜上的雷電流幅值在10kA以內(nèi)，同時(shí)波形參數(shù)比較接近于8/20ms波形。同時(shí)，針對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)研究人員將40m鐵塔等效成40m扁鋼進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)10kA的10/350ms雷電流波形注入扁鋼時(shí)，RRU供電線纜上的電流幅值為2.84kA，分流比接近1/4，且波形接近于10/350ms。同時(shí)推測(cè)當(dāng)使用抱桿基站時(shí)，分流比會(huì)更大[16]。
通信基站系統(tǒng)與電力桿塔結(jié)構(gòu)存在著明顯差異，電力輸電線路中，高壓電力線纜與桿塔垂直布局，桿塔與輸電線纜間不存在互感作用。而對(duì)于抱桿通信系統(tǒng)，通信抱桿主桿體還通過(guò)抱箍安裝有遠(yuǎn)端射頻單元RRU，其供電電纜通常從地面上的供電電源沿抱桿主體向RRU供電，因此，在研究雷電流在抱桿和RRU供電電纜中的分流特性時(shí)必須考慮抱桿本體與線纜間之間存在的互感耦合作用，而對(duì)于抱桿通信基站系統(tǒng)，抱桿、供電電纜之間存在互感耦合作用。一方面，雷電流在抱桿本體、RRU供電電纜芯線和屏蔽線各支路的雷電流分流特性涉及甚少，同時(shí)由于通信抱桿多為鐵磁材料，存在磁飽和等特性，使得抱桿的動(dòng)態(tài)電感隨雷電流的磁場(chǎng)頻率、幅值而變化，給抱桿通信基站系統(tǒng)的雷電防護(hù)性能的研究帶來(lái)一定的困難。
本文通過(guò)建立了抱桿通信基站系統(tǒng)的三維電磁環(huán)境計(jì)算模型，獲得雷電流注入下抱桿的自身電感及抱桿與RRU供電電纜之間的互感隨雷電流頻率和幅值等參數(shù)變化的規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，建立抱桿通信基站系統(tǒng)雷電流分流特性的回路模型，得到雷電流在抱桿、供電電源電纜芯線和屏蔽層中的分流并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，為抱桿通信系統(tǒng)雷電防護(hù)技術(shù)的研究和防護(hù)方案的設(shè)計(jì)奠定一定的理論基礎(chǔ)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐。
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