通信电源设备的雷电过电压防护

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  摘要：本文概述通信电源发展历程，阐述了通信电源系统综合防雷的思想，提供了通信电源系统防雷的主要措施和具体实施的细节，为通信电源设备的综合防雷提供了有益的建议。
关键词：通信电源系统；开关电源；防雷；措施。

1.前言
   通信电源设备是现代通信系统中的重要组成部分，其目的是为通信设备提供安全、可靠、高效、稳定、不间断的能源。随着科技水平的进步，对于通信电源设备性能的要求也逐步提高，除必须满足基本的功能外，还要求具备交流配电、自动切换、直流配电、远程智能集中监控、电池自动管理等功能，从而满足网络管理的需求。
   通信电源的发展经历了从线性电源、相控电源到开关电源的发展历程，由于开关电源具有功率转换效率高、稳压范围宽、功率密度比大、重量轻等优点，从而成为通信电源的主体，并向着高频小型化、高效率、高可靠性的方向发展。计算机控制、通信和网络技术的快速发展，为通信电源远程监控系统的发展和完善提供了更加便利的条件，使其无人值守成为可能。
   通信电源系统由交流配电、整流柜、直流配电和监控模块组成，如图1所示。集中式监控系统可将交流配电柜、直流配电柜和整流柜放在不同楼层，实现分散供电，进行实时监控。交流配电柜主要完成市电输入或油机输入切换和交流输出分配功能，要求采取必要的防护措施，交流配电柜一般要求具有多级防雷措施、单面操作维护、实时状态显示和告警等功能；直流配电柜主要完成直流输出路数分配、电池接入和负载边接等功能，一般要求可自由出线，可出面操作维护，可实现柜内并机和柜外并机，具有状态显示和告警功能，能检测每一路熔断器的通断状态；整流柜的主要功能是将输入交流电转换输出为满足通信要求的直流电源，它一般由多台整流模块并联组成，共同分担负载，并能良好地均分负载，单模块故障不应影响系统工作。电源模块采用低压差自入均流技术，使模块间的电流不均衡度小于3％，并具有输出短路故障自动恢复功能。

                               
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图1 通信电源系统组成框图
   监控模块主要实现交流配电柜、直流配电柜和模块监控，此外还要进行电池自动管理功能。通信电源系统作为通信网络的能源供给者，除了必须具备可靠、稳定等基础特性外，其电磁兼容设计、防护设计、可操作性和可维护性也是非常关键的因素。安全性是电源设备最重要的指标，其不安全隐患不但不能完成正常的供电要求，而且还有可能发生严重的事故，甚至造成机毁人亡的巨大损失。为此，必须加强安全性设计工作。而目前影响电源设备安全性最重要的工作是如何有效提高其防雷电过电压的能力


2.通信电源雷击侵入途径
   为了达到最佳通信效果，大部分通信站设置在地势最高、旷野孤立处。由于条件所限或为了节省投资，其交流电源绝大部分采用架空电线引入，传输信号电缆也大部分采用架空引入，加上通信铁塔避雷针的引雷效应，因此通信设备所处的环境是高雷击风险的区域。雷击可分为直击雷和感应雷。
2.1直击雷的危害
   雷电直接击中通信站建筑、电力电缆、通信电缆和操作人员，可能会造成建筑损毁，设备损坏、人员伤亡和电气短路引起火灾等严重后果，因此直击雷发生的概率虽然很小，但其危害十分大，所以不能掉以轻心。
2.2 感应雷的危害
   雷云对地放电的主通道虽然没有经过被保护物，但放电过程中产生的强大的电磁场可以在附近的导体中感应起电磁脉冲，我们称为雷电电磁感应脉冲，即通常所说的感应雷。显然感应雷是由直击雷引起的，感应雷产生于导体中并沿导体传播，损坏与导体相联的设备或设备中的某些器件（这些设备或器件的耐冲击水平较低）。通信电源设备通过电力电缆和各种通信传输电缆与外界相连，其中也有大量的集成电路通过金属导线相连，这就为感应雷的侵入提供了良好的条件，加上控制和通信电路采用了大量高集成度的微电子电路，其耐冲击水平较低，容易被感应雷损坏，产生各种各样的设备故障。如接口板损坏、内部通信口的损坏、整流模块的损坏等，有时感应雷引起故障甚至让我们很难与雷电联系在一起，但却是由雷电引起的。感应雷形成的破坏虽然不及直击雷大，但其损害的往往是设备的核心器件，给设备正常工作带来障碍。
   有研究表明直击雷可在其周围1000米范围的半导体上感应起危险电压，加上通信站与外界连接的各种长距离电缆可在更大的范围内感应上雷电电磁脉冲，并几乎无衰减的沿电缆传入通信站。因此对通信站来讲感应雷的概率远大于直击雷的概率，可以这样说，通信站防雷主要是防感应雷。


3.通信电源系统的防雷措施
3.1直击雷的防护：
根据GB50057-94《建筑物防雷设计规范》（2000年版）对直击雷电流分类：
第一类防雷建筑物防范的雷电流为200kA（10/350uS）；
第二类防雷建筑物防范的雷电流为150kA（10/350uS）；
第三类防雷建筑物防范的雷电流为100kA（10/350uS）。
如图所示：

                               
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   一个能量为200kA的直击雷，由整个系统的接闪器、引下线、接地网、电源、管线、通信网络线来分担。以通信站来讲，基本无管道系统，大约有50％通过外部防雷装置（接闪器、引下线和地网）直接入地，电源部分承担其中近45%（100kA），以三相四线为例，每线承担大约有25kA（10/350uS）的雷电流。通信线路承担剩余5%的雷电流。由此可见，电源系统对直击雷的防护非常关键。
3.2 感应雷的防护
   前面已提到感应雷是因为直击雷放电而感应到附近的金属导体中的，其实感应雷可通过两种不同的感应方式侵入导体，一是静电感应：在雷云中的电荷积聚时，附近的导体也会感应上相反的电荷，当雷击放电时，雷云中的电荷迅速释放，而导体中原来被雷云电场束缚住的静电也会沿导体流动寻找释放通道，就在电路中形成电脉冲。二是电磁感应：在雷云放电时，迅速变化的雷电流在其周围产生强大的瞬变电磁场，在其附近的导体中产生很高的感生电动势。研究表明：静电感应方式引起的浪涌数倍于电磁感应引起的浪涌。
   感应雷可以通过电力电缆、通信电缆、光纤和天馈线侵入通信站，由于电力电缆的距离长且对雷电波的传输损耗小，所以由电源侵入的感应雷造成的危害十分突出，按信产部的统计约占了通信站雷击事故的80%。因此，对通信站进行感应雷防护时，电源是重点。
感应雷还可以通过空间感应侵入通信站的内部线路，虽然经过建筑物和机壳的屏蔽衰减后其能量大为减小，但站内许多电信设备的抗过压能力也很弱，如果处理不当也可能造成设备故障。
3.3 接地汇集线的布置
   接地汇集线（汇流排）应布置在靠近避雷器的地方，以使避雷器的接地连接线最短，各楼层的分汇集线应直接与楼底的总汇集线相连，这样能保证实现单点接地方式，当楼层高于30米时，高于30米部分的分汇集线应与建筑物均压环相连，以防止侧击。近年来IEC的研究认为：接地汇集线的多重互连是有益的，但部标尚未采纳。
3.4 等电位连接
   各种系统的防雷要求种类很多，但其防雷思想是一致的，就是努力实现等电位。绝对的等电位只是一个理想，实际中只能尽量接近，目前是综合采用分流、屏蔽、箝位、接地等方法来连接。
3.5 电源避雷器的选择和应用原则
   考虑到电源负荷电流容量较大，为了安全起见及使用和维护方便，数据通信电源系统的多级防雷，原则上均选用并联型电源避雷器。
3.5.1电源避雷器的保护模式有共模和差模两方式
   共模保护指相线-地线（L-PE）、零线-地线（N-PE）间的保护；差模保护指相线-零线（L-N）、相线-相线（L-L）间的保护。对于低压侧第二、三、四级保护，除选择共模的保护方式外，还应尽量选择包括差模在内的保护。
3.5.2残压特性
   残压特性是电源避雷器的最重要特性，残压越低，保护效果就越好。但考虑到我国电网电压普遍不稳定、波动范围大的实际情况，在尽量选择残压较低的电源避雷器的同时。还必须考虑避雷器有足够高的最大连续工作电压。如果最大连续工作电压偏低，则易造成避雷器自毁。
3.5.3电源系统低压侧有一、二、三级不同的保护级别
   应根据保护级别的不同，选作合适标称放电电流（额定通流容量）和电压保护水平的电源避雷器，并保证避雷器有足够的耐雷电冲击能力。原则上，每一级的交流电源之间连接导线超过25m以上，都应做该级相应的保护。
3.5.4电源低压侧保护用的电源避雷器
   应该选择有失效警告指示、并能提供遥测端口功能的电源避雷器，以方便监控、管理和日后维护。
3.5.5阻燃功能
   电源避雷器必须具有阻燃功能，在失效、或自毁时不能起火。
3.5.6电源避雷器必须具有失效分离装置
在失效时，能自动与电源系统断开，而不影响通信电源系统的正常供电。
3.5.7电源避雷器的连接端子
   必须至少能适应25mm2的导线连接。安避避雷器时的引线应采用截面积不小于25mm2的多股铜导线，建议使用25mm2的多股铜导线，并尽可能短（引线长度不宜超过1.0m）。当引线长度超过1.0m时，应加大引线的截面积;引线应紧凑并排或绑扎布放。
3.5.8电源避雷器的接地
   接地线应使用不小于25~35mm2的多股铜导线，并尽可能就近与交流保护地汇流排、或总汇流排、接地网直接可靠连接。
   由于10/350us模拟雷电电流冲击波的能量远大于8/20us模拟雷电电流冲击波的能量，因此一般需要使用电压开关型SPD(如放电间隙、放电管)才能承受10/350us模拟雷电电流冲击波，而由MOV和SAD组成的SPD一般所承受的标称放电电流是8/20us模拟雷电电流冲击波。
3.6电源避雷器的安装要求
   在安装电源避雷器时，要求避雷器的接地端与接地网之间的连接距离尽可能越近越好。如果避雷器接地线拉得过长，将导致避雷器上的限制电压（被保护线与地之间的残压）过高，可能使避雷器难于起到应有的保护作用。
   因此，避雷器的正确安装以及接地系统的良好与否，将直接关系到避雷器防雷的效果和质量。避雷器安装的基本要求如下：
1）电源避雷器的连接引线，必须有足够粗，并尽可能短；
2）引线应采用截面积不小于25mm2的多股铜导线；
3）如果引线长度超过1.0m时，应加大引线的截面积；
4）引线应紧凑并排或帮扎布放；
5）电源避雷器的接地线应为不小于25~35m2多股铜导线，并尽可能就近可靠入地。
3.7电源防护
   信息产业部发布了专门的通信电源防雷标准，对各种通信站的电源防雷提出了具体要求，主要是两条：一是电力电缆应有金属屏蔽层，且必须埋地进出通信站。二是在电源上逐级加装电源防雷器，实现多级防护。即在变压器的高压端加装高压防雷器，低压侧加装低压防雷器，在交流配电屏和直流配电屏分别加装交、直流防雷器。
3.8通信电源防护应注意以下问题
1)进局电力电缆的防雷容易引起重视，而其它进出通信站的电力线常常被忽视，如照明路灯线、塔灯电力线、非电信设施租用电信电力线等。现在宜采用太阳能塔灯，可减少一个雷击入侵渠道。其它出局电力线应在防雷系统的保护范围内，否则应采取专门的防雷措施。
2）加装直流防雷器是最近发布的防雷标准中才提出的，因为直流防雷器的残压大大低于交流防雷器，因此能有效地提高通信站内敏感设备抵御雷电电磁脉冲的能力。
3）防雷器的防雷能力与安装方式有密切关系，主要是引线电感会产生额外的残压，应尽可能地缩短电力线与防雷器的连线和防雷器与接地汇接板连线的长度。
4）多级布置防雷器可减小引线电感带来的额外残压，因为前级防雷器已将大部分雷电流泄放入地，在后级的防雷器只泄放少部分雷电流，雷电流的减小必然导致引线上的附加残压减小。为保证防雷器前后级的能量配合，防雷器之间的电力电缆长度应不小于15米，否则应采用退耦器进行能量配合。
5）现代通信电源为实现无人值守，均具备远程监控功能，例如遥信、遥测、遥控，而与之相联的信号线接口通信距离长，极容易遭受感应雷损坏而造成停机等事故，根据信产部要求应加装相应的信号防雷器予以保护。


4.总论
   防雷设计是保证通信电源系统可靠运行的必不可少的环节，雷电对信息设备产生危害的根源在于雷电电磁脉冲，这种雷电电磁脉冲包括雷电流和雷电电磁场。雷电流是产生过电压的根源，而雷电电磁场则是产生感应过电压的根源。对于通信设备而言，雷电过电压来源主要包括直击雷/感应雷过电压、雷电侵入波和反击过电压。在一般情况下，通信电源必须采取系统防护、概率防护和多级防护的防雷原则，通信电源系统应采用多级防雷体系。
   采用防雷器件时还应考虑到防雷器件对系统的影响，包括工作电压、工作电流、工作频率、谐波干扰、工作温度、泄漏电流、绝缘等级、插入损耗、结构形式、远程监控、操作与维护等，还有安规的影响。
   通信电源作为通信设备的重要组成部分，其自身的防护问题也越来越突出。而防雷是一个系统的工程，只有系统的全面的考虑才能取到好的防护效果。相信在广大电源设计工作者和使用维护人员的共同努力下，使通信电源的工作可靠性得到更大提高。
5.防雷设计依据
(1) 建筑物防雷设计规范 GB50057-94
(2)电子计算机机房设计规范 GB50174-93
(3) 民用建筑电气设计规范 JGJ/T16-92
(4) 计算站场地安全要求 GB9361-88
(5) 计算站场地技术文件 GB2887-89
(6) 计算机信息系统防雷保安器 GA173-1998
(7) 雷电电磁脉冲的防护 IECI312
(8) 通信局（站）雷电过电压 YD/T 5098－2001
保护工程规范
(9) 通信局（站）接地 YDJ26E9
设计暂行技术规定
(10) 通信局（站）电源系统 YD/T1051-2000
总技术要求

作者资料：
吴川（1972－），男，通信工程师（通信电源专业），北京邮电大学工程硕士，研究方向为电子与信息工程。从事通信电源维护管理13年，现为广西移动通信有限责任公司网络运营中心动力室经理。
李庆春（1976－），男，从事通信电源维护工作9年，通信工程师（通信电源专业），现为广西移动通信有限责任公司百色市网络运营中心动力主管。
曹华刚（1962-）男，高级工程师，杭州伊顿施威特克电源有限公司工程/质量部经理。