4.4 Молниезащита для станций сотовых мобильных сетей
Из-за повышенного спроса на объемы передаваемых данных, глобальный спрос на полосы пропускания радиосвязи очень вырос. Увеличение использования смартфонов и других мобильных устройств приводит существующие сетевые спектры к их пределам. Высокие инвестиционные затраты для новых сетевых инфраструктур, а также высокие эксплуатационные расходы для существующих системных технологий являются недостатками, с которыми приходится сталкиваться операторам мобильной
связи. Поэтому их цель состоит в том, чтобы эффективно сократить расходы на техническое обслуживание и эксплуатацию и обеспечить постоянно растущее число пользователей мобильных телефонов со значительно большей доступностью и надежностью мобильных услуг. Операторы мобильной связи и производители системных технологий во всем мире переходят на высокоскоростную технологию UMTS (3G) или LTE (4G). Для этого используют новые приёмо-передающие станции.
В обычных сетях для передачи сигнала используются коаксиальные кабели, также называемые волноводными кабелями. Очевидным недостатком этой технологии являются высокие потери при передаче (до 50%) в зависимости от длины и поперечного сечения высокочастотных кабелей. Более того, радиопередатчик в такой технологии интегрирован в базовую радиостанцию (RBS), что требует постоянного охлаждения технического оборудования и помещений. Это приводит к увеличению потребления энергии и увеличению расходов на техническое обслуживание (рис. 4.4.1).
Новые удаленные радиостанции (RRHs/RRUs – Remote Radio Head/Unit – Удаленное Радио Устройство) устанавливаются непосредственно на антеннах, что уменьшает потери и увеличивает скорость передачи. Высокочастотный сигнал генерируется непосредственно на антенне и затем передается. Другим преимуществом является то, что из-за самоохлаждения удаленных радиостанций требуется меньше систем кондиционирования воздуха. Оптоволоконные кабели позволяют передавать данные между базовой радиостанцией и удаленными устройствами на расстояние до 20 км без потери качества. Использование удаленных технологий и современных малоразмерных базовых станций экономит затраты на электроэнергию, а также расходы на аренду из-за сокращения площади для технического оборудования (рис. 4.4.1)
4.4.1 Внешняя молниезащита
Антенны упомянутых систем часто устанавливаются на арендованной крыше. Оператор сети и владелец здания заинтересованы в том, чтобы размещение антенн не представляло дополнительного риска для здания. Для системы молниезащиты это означает, что в случае удара молнии к антенной башне не должны попасть частичные токи молнии, поскольку частичные токи молнии, проникнув внутрь здания, будут угрожать электрическим и электронным устройствам. На рисунке 4.2 показана антенная башня с защитным молниеприемником и токоотводом. Молниеприемник присоединен к башне антенны посредством опорной трубы, изготовленной из непроводящего материала.
Высота молниеприемника зависит от башни антенны, возможного электрического оборудования антенной системы и должна быть выбрана таким образом, чтобы все эти элементы находились в защищенном пространстве. В случае здания с несколькими антенными системами необходимо установить несколько изолированных молниеприемников.
4.4.2 Базовые радиостанции (RBS)
Блок питания базовой станции должен иметь отдельный фидерный кабель, который не зависит от шины питания здания. Для работы сотовых сетей должна быть предусмотрена отдельная распределительная плата, которая должна быть оснащена УЗИП (разрядниками типа 1). Кроме того, комбинированный разрядник типа 1 устанавливается после панели счетчика, а именно после предохранителей. Для обеспечения правильной координации работы УЗИП в обоих местах установки должны использоваться устройства одного производителя.
При использовании комбинированных разрядников необходимо также обеспечить «селективность разъединения» в отношении предохранителей, расположенных выше по потоку энергии, чтобы избежать ложного срабатывания системных предохранителей и, следовательно, отключения блока питания. Специальные комбинированные разрядники типа 1, разработанные для защиты блоков питания в системах передачи/приема данных, используются для защиты блока питания (PSU) базовой станции.
Удаленные радиостанции (RRHs/RRUs) требуют отдельного источника питания постоянного напряжения 48 В. Для этого обычно используются экранированные многожильные медные кабели с поперечным сечением от 6 до 16 мм2 (фидеры). Эти кабели устанавливаются вне здания либо до поверхности крыши, где стоят RRH/RRU, или от базовой станции до мачты, где закреплены RRH/RRU, и их экраны должны быть подключены к заземлению антенны и к шине заземления здания (в соответствии с ДСТУ EN 62305-3). Передача данных до RRH/RRU осуществляется с использованием предварительно проложенных волоконно-оптических кабелей вместо ранее использованных коаксиальных кабелей.
В обоих случаях установки, фидерные кабели и удаленные станции рискуют попасть под удар молнии. Разрядники типа 1 должны быть способны безопасно проводить молниевые токи в систему заземления – только разрядные УЗИП типа 1 обеспечивают надежную согласованность по энергии с защитными цепями, расположенными ниже по потоку и встроенными в оконечное оборудование. Благодаря этому обеспечивается надежная защита оборудования. Для самих удаленных станций RRH/RRU разработаны специальные разрядники типа 1 для работы на низковольтных кабелях постоянного напряжения. Они устанавливаются в блок рядом с блоком питания в комнате технического оборудования и наружной коробке на мачте антенны. В коробке на мачте положительный полюс и экран кабеля соединены косвенно, через искровой промежуток для предотвращения коррозии и блуждающих токов. В блоке питания положительный полюс заземлен через однополюсный УЗИП типа 1, при этом уровень защиты по напряжения Up разрядников должен быть ниже, чем диэлектрическая прочность изоляции и оборудования.
Сборки УЗИП типа 2 также используются в зависимости от планируемой защиты, технических характеристик и конкретных условий на месте установки. Варисторные разрядники типа 2 удобны в применении для защиты оконечного оборудования, используются для RRH/RRU. Для их установки применяют специальные коробки для монтажа – запираемый корпус из стекловолокна (GRP) со степенью защиты IP 66 обеспечивает пространство для шести RRH/RRU и включает в себя входящие и исходящие линии 48 В с креплением на клеммных колодках; удобны в установке, в частности, в случае установки на мачту и дооснащения, поскольку имеют простые в установке аксессуары (кронштейны для стен и мачты) с натяжным ремнем, что обеспечивает легкую и быструю установку.
4.4.3 Согласование УЗИП типов 1 и 2
Согласование по мощности искровых разрядников типа 1 (10/350 мкс) с защищаемым оконечным оборудованием и варисторами типа 2 является важной задачей при построении защиты от перенапряжений.
Так называемая «функция прерывания волны» достигается быстрым запуском искрового промежутка в течение микросекунды. Это означает, что искровой УЗИП типа 1 и варисторный УЗИП типа 2 согласованы по времени и мощности срабатывания, импульс тока проходит через УЗИП типа 1 практически полностью и почти не попадает в оконечное оборудование, которое должно быть защищено.
Относительно небольшое количество энергии, поступающее в оконечное оборудование (в случае чрезвычайно высоких импульсных токов), некритично для варистора, встроенного для защиты оконечного оборудования.
Если же используемые устройства защиты не будут согласованы, (например, УЗИП типа 1 не смог пропустить весь импульс тока), тогда большое количество энергии попадет на варистор. В случае, если варистор не справляется, эта энергия попадает в оконечное оборудование, что приводит к повреждениям, а в худшем случае – к разрушению оборудования.