用铝箔+接地线屏蔽替代编织屏蔽应用于RRU电源线的可行性研究

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1.       背景

       目前，无线通信设备分布式基站RRU的供电电源线，出于防雷的需要，普遍采用了屏蔽层为金属丝编织的屏蔽电源线，俗称编织屏蔽电源线。该屏蔽层的主要作用在于，在雷击时对总的感应电流进行分流，以减小内部-48V和RTN电源线上的感应电流，避免损坏设备内部电路，起到保护作用。但该结构存在如下缺点：

        (1)金属丝编织屏蔽的材料一般为铜丝或铜包铝合金丝，拉丝工艺的效率极低，导致物料成本很高；

        (2)在屏蔽电源线生产加工时必须采用编织机来完成金属丝的编织工艺，而编织工艺的生产效率也十分低下，需要多台编织机并行生产，才能与一台挤出机的生产节拍同步；

        (3)采用金属丝编织生产出来的屏蔽电源线，在通信设备的安装现场进行接地操作时，需要把编织层揪成一个辫子的形状，俗称猪尾巴，然后接地，操作也很不方便。

        因此，如果能够把金属丝编织屏蔽改成铝箔+接地线的屏蔽结构，且能同样达到防雷接地的技术要求，则可克服上述三个缺点，带来较大的经济收益，简化安装。

2.       雷电波的能量频谱分布及铝箔+接地线屏蔽结构的设想

        雷电波的频谱很宽, 但其振幅和能量主要集中在低频部分[1]。各种雷电波形, 从0 到1kHz 的振幅较大, 并且大致相同, 之后随着频率的增加而减小,1MH z 时，振幅累积值达97% 以上, 说明雷电波振幅分量主要集中在1MH z 以下，雷电波的能量频谱主要集中在几kHz 到几百kHz，不同雷电波的相对能量累积频谱图参见图1。

图1不同雷电波的相对能量累积频谱图

        既然雷电流的能量主要集中在低频段，那么，针对RRU屏蔽电源线的屏蔽层，采用铝箔或其它金属材料作为屏蔽层，在直流电阻相同的情况下，就不会因为频率的不同导致感应电流的大小不同。也就是说，采用不同的金属材质作为屏蔽层，对防雷引流的效果不再有什么影响，只要保证屏蔽层的直流电阻不低于原来的金属编织层即可。

图2 编织屏蔽电源线                              图3 铝箔+接地线屏蔽电源线

        图2为RRU用金属丝编织屏蔽电源线的典型结构，图3为希望能够用来替代编织屏蔽电源线的新结构，即铝箔+接地线屏蔽屏蔽结构。从图3可以看出，接地线沿线缆的纵向与铝箔紧密接触，因此，接地线与铝箔属于并联电路，只要适当选取铝箔的厚度及接地线的直径的，即可保证其并联电阻不低于图2中金属丝编织屏蔽层的直流电阻。

        注意，铝箔的导电面必须朝外，以便与接地线接触。铝箔内侧的聚酯膜可以保证铝箔有足够的强度，以免折损或断裂。接地线为多股镀锡铜丝绞合而成，以保证其韧性和抗氧化性。

3.       对比测试试验3.1测试原理

        针对图2和图3两种屏蔽结构的电源线，在其它技术指标相同的情况下，使两种屏蔽层的直流电阻相近或相等，然后按照图4的电路原理，把扁形型钢弯折成“口”字形，屏蔽电源线顺着扁形型钢的外侧敷设，在“口”字形扁形型钢的开口处，让屏蔽电源线两端的屏蔽层分别与扁形型钢短接。这样，就可以模拟实际应用的场景，进行冲击电流对比测试了。

图4 冲击电流测试原理图

        采用同样大小的雷击电流，分别对两种屏蔽结构的电源线进行对比测试，同步测试负48V导体感应电流、RTN导体感应电流、屏蔽层导体感应电流、整条线缆感应总电流及各自的半峰时间，然后比较各部分感应电流及半峰时间的差异，最后作出可否相互替代的判断。

3.2实验条件和样品

        测试方法：GB/T3482-2008[2]

        严酷等级：5kA，10kA。试验时，当冲击电流为4610A时，其半峰时间为514us；当冲击电流为10600A时，其半峰时间为502us。

        测试波形：10/350us

        型钢规格：热轧镀锌扁钢，50x6mm，长度40米。

        测试样品1：2x4mm^2金属丝编织屏蔽电源线，长度40米，编织屏蔽层的材质为铜包铝合金，其电阻为13.8欧姆/千米。

        测试样品2：2x4mm^2铝箔+接地线屏蔽电源线，长度40米，接地线的直径为0.6mm，铝箔的厚度为0.06mm(不包括聚酯膜的厚度)，其总电阻为11.9欧姆/千米。

3.3测试结果

        当波形为10/350us、冲击电流为4610A、半峰时间为514us时，测得各导体感应电流及其半峰时间数据如表1所示。

表1 冲击电流为4610A、半峰时间为514us时的测试数据

各导体感应电流		-48V导体	RTN导体	屏蔽层导体	整条线缆
编织屏蔽	电流(A)	39	767	296	1022
	半峰时间(us)	111	394	228	343
铝箔+接地线    屏蔽	电流(A)	42	779	304	1035
	半峰时间(us)	107	385	217	356

        当波形为10/350us、冲击电流为10600A时、半峰时间为502us时，测得各导体感应电流及其半峰时间数据如表2所示。

表2 冲击电流为10600A、半峰时间为502us时的测试数据

各导体感应电流		-48V导体	RTN导体	屏蔽层导体	整条线缆
编织屏蔽	电流(A)	536	1556	785	2698
	半峰时间(us)	236	430	303	355
铝箔+接地线    屏蔽	电流(A)	524	1515	791	2657
	半峰时间(us)	243	422	326	364

注意：感应电流的大小与扁钢的尺寸、线缆与扁钢间的敷设距离等因素强相关。表1和表2中的数据为5次实验的平均数据取整。

        从表1和表2的试验数据看，采用铝箔+接地线屏蔽后，其感应电流的和半峰时间没有明显的变化。如果铝箔的厚度和接地线的外径选择得当，应该可以得到更好的试验数据。

4.       结论

        与金属丝编织屏蔽电源线相比，只要铝箔的厚度和接地线的外径选择得当，屏蔽层为铝箔+接地线形式的电源线因冲击电流产生的感应电流及其半峰时间没有明显变化，说明用铝箔+接地线屏蔽代替金属丝编织屏蔽应用在RRU电源线上是可行的、有效的。

参考文献

[1] 陈绍东,王孝波,李 斌,杨少杰。标准雷电波形的频谱分析及其应用[J]。气象第32卷第10 期，2006年10月：11~19。

[2] GB/T3482-2008,电子设备雷击试验方法[S]。