强干扰环境中的通信设备防护设计

sysop

  Communications Equipment Protection Design
in Strong Interference Environment

张　玮　　孟宪怀

Zhang WeiMeng Xianhuai

[摘要]：雷电干扰和电力系统故障引起的地电位升高会对通信设备造成危害。大气过电压保护目前已形成了多种方式和多级结构，本文讨论多种保护方案的具体设计和实现，重点研究工频过电压的防护问题。
[主题词： 干扰　防雷　防强电　通信系统　过压保护

[Abstract]: The rise of the earth potential induced by the lightning interference and power system failure can be harmful to the communications equipment. Various and multi－stage atmospheric overvoltage protection solutions are available, and the specific design and implementation of multiple protection solutions are discussed, especially the issue of industrial frequency overvoltage protection.
[Subject terms]: Interference Lightning proof Heavycurrent proof Communication systems Overvoltage protection

　　在夏季多雨天气,一些丘陵地带经常出现雷电干扰，一旦雷电串入通信系统会造成设备的损坏和故障，带来直接或间接的经济损失。此外，位于电力网变电站枢纽附近的通信设备还可能受到另外一种强干扰的影响，即工频过电压。这种由变电设备故障引发的过电压干扰，能量比雷电干扰要强得多，一旦串入用户设备，后果不堪设想。如何有效地预防和避免这两种干扰的影响，对于保障通信设备稳定可靠地运行，有着极其重大的意义。

一、通信系统中强干扰的特点


　　通信系统设备可能碰到的过电压一般分为大气过电压和工频过电压两大类。两种过电压都大大超过了正常通信线路所能承受的电压值。
1.大气过电压干扰
　　大气过电压是由于雷击或感应雷引起，它们通过交换设备之间的中继连接线或用户线串入系统内部。该干扰的主要特点是直接作用于交换和通信设备上，如保护不当，瞬间就可能烧坏设备。
　　在日常生活中，雷电一闪即过，持续时间很短，但能量巨大，是一种非常强大的脉冲干扰。经过多年的研究，CCITT制定了K20检测规范标准，对抗雷击干扰和220V、600V工频线路搭接进行模拟测试。这种检测对保护设备是一种行之有效的方法。雷电干扰可以等效为引入线上的电脉冲，干扰能量在10μs时达到最大值(一般参考为电压1500V、电流40A)，在1000μs时衰减为50％，然后逐步衰减为零。用户设备经过防护设计，能有效地承受这一脉冲干扰。
2.工频过电压干扰
　　工频过电压主要表现为电力系统变电设备发生单相接地故障时，短路电流在变电所接地电阻上产生的电位升高或者通信线路与电源线直接搭碰。
　　由于工频过电压出现的场合比较特殊，对其保护原理的认识及设备的研制相对滞后。通常情况下，通信系统能出现的工频过电压及其幅值主要取决于以下几种因素：(1)电力系统结构及运行方式；(2)设备所在变电所接地网状况；(3)变电所出线回数；(4)系统单相接地故障电流的大小.
　　当系统发生接地故障时，故障点在变电站内短路电流最大，因为部分电流经地网直接回到变压器中性点，部分经接地的架空地线流向远处。对地电位升高起作用的是真正的入地电流，即流经地网接地电阻的电流。
　　通常情况下，变电所内通信站工频过电压幅值可按2000V计算。考虑到留有足够的保护余度，保护设备的工频耐压取值一般为4000V。

二、强干扰环境设备保护的设计思想

　　大气过电压的保护目前已经形成了多种方式和多级结构。一般分为配线架保护、设备级保护和板级保护。前两种保护沿用多年，已有许多成熟的经验和性能优良的保护设备。
　　现在主要考虑板级保护问题。板级保护主要通过两种方式来实现：一是通过目前最先进的电子防护器件对高电压进行限幅；二是通过PTC热敏电阻进行过电流保护，一旦过电流，即将内外线阻断，使板内电路受到保护。实践证明，这对大气过电压是一个很好的保护手段。
　　工频过电压主要体现为地电位升高。当配电系统发生故障时，其入地短路电流流经接地网，地网相对于无穷远处的电位较高，这一高电位就可能造成对电源线及通信线路的反击，损坏设备绝缘，造成事故。而变电站继电保护动作时间可长达1s(后备保护动作时)，传统的大气过电压保护器件大都采用限幅型器件(如氧化锌压敏电阻、雪崩二极管等)，其工频耐受水平显然无法企及。
　　为有效解决这一矛盾，我们采用限幅型防雷器件加隔离变压器的方式来综合防护。与普通变压器相比，隔离变压器原、副边匝数相等，其原、副边绕组间，绕组与铁芯及屏蔽层间的绝缘很好，可以承受10kV甚至更高的过电压而不损坏。它们之间通过电磁耦合方式工作，将外电源与设备电源从电路上隔离开来，一旦发生系统接地故障，整个站内设备处于等电位，从而保证设备正常工作。
　　位于变电站内的通信站外部连线一般情况下有三种：(1)380V 系统供电线路；(2)至其他变电站架空电缆；(3)至市话局通信线路。
　　对于情况(1)可采用交流电源三相隔离变压器；第(2)种情况主要是传送一些数据信息，可采用数据线隔离变压器；第(3)类要传送话音信息，必须采用音频线路隔离变压器。考虑到雷电过电压保护问题，除采用上述防止高、低电位反击的全隔离措施外，还应采用一些限幅型防雷器件，以防止雷电感应产生的过电压损坏设备，进一步保障设备安全。此外，还可以考虑其它的保护方案。如采用光隔离，可以起到比变压器隔离更好的效果，只是从成本上来看稍高一些。

三、保护方案


　　下面讨论上述多种保护方案的具体设计和实现。对大气过电压仅考虑板级防护，重点研究工频过电压的防护问题。
1.大气过电压的板级防护方案
　　通常情况下，通信设备的电路板需要防护的线路主要是一些直接连接到配线架或室外的线路。根据前面我们讨论的对大气过电压板级防护的设计思想，可采用图1的方法来考虑。图中a、b 代表外部入线，a’、b’ 代表到板内的连线。入线端PTC选用美国RAYCHEM公司的TR250－120T热敏电阻。内部接放电管要根据实际情况选用，因为线路有可能是交换机的用户线，要传送高达200V的铃流，也可能仅传送低电压信号。考虑到最通用的情况，选用法国SGS－THOMSON公司的LSA100半导体放电管作保护。采用此电路可以达到如下的性能指标：线路正常工作电压170 V，最大线路电流110mA；可以承受10kA（8/20μs）的最大放电电流，标称放电电流 (8/20μs)2.5kA；保护水平：2.5kA时（8/20μs)，电压≤300V，响应速度≤1ns；限流特性：0.5A时，限流至150mA，≤20s； 3A时，电路隔断或限流至150mA，≤0.2s。
2.光纤隔离和电源隔离保护方案
　　随着光纤和光端设备的价格不断下降，通信设备中继线路越来越多地采用光设备。光纤设备具有得天独厚的性能优势，比如：大容量、良好的抗干扰性、天然的绝缘特性和屏蔽效果。我们可以利用其绝缘特性，很好地解决通信设备的工频过电压干扰问题，即用光设备将两端的通信设备有效隔离，使两通信站之间没有电的连接，彻底解决由于工频过电压带来的地电位升高的影响。
　　但如果通信设备间采用的是普通电话线或实线中继，就要考虑进一步的保护方案。在这种情况下，可以选用光纤接入设备来进行转换，保证两端设备之间的良好配合。当然，还必须同时对电源系统进行隔离。可以通过两方面来解决：一是进站交流电源直接采用隔离变压器进行隔离；二是对通信设备使用的电源在AC－DC转换时进行隔离。从隔离效果来看，前一种方法更好一些，可以达到下述技术要求：额定电压380V/380V，绝缘水平工频短时耐受10kV/1分钟，雷电冲击耐受20kV (8/20μs)。
3.隔离变压器和限幅型防雷器件综合保护方案
　　工频过电压能量大、持续时间长。根据前面讨论的防护设计思想，可选择一些器件来有效地对抗这一干扰。首先，选择的隔离变压器绝缘性能要好，能够耐受高电压(我们选用英国RS公司的CWC9000，该变压器能够承受6500V的工频高电压而不损坏)。另外，对放电管的选择，要求其响应速度快，并能在较长时间内承受高电流。我们选用美国CPCLARE公司的CG230L放电管和PRQREK公司的浪涌抑制器(TVS)能很好地满足了这一要求。由上述器件组成的保护电路如图2所示，其保护性能非常好。
　　此外，为了更有效地防止工频过电压和避免雷击，对布线环境也要提出一定的要求：
　　(1)架空电缆应按规程要求在进机房前穿管后水平直埋10m以上, 埋地深度应大于0.6m。
　　(2)由于在电缆配线架上做隔离保护比较困难，因此电缆配线应加装常规防雷处理,要求电缆配线架接线排本身能承受2000V/1分钟工频电压无击穿、飞弧现象。
　　(3)电缆配线架空余线对应装设短路插,以防止引入的雷击电流在开路导线末端产生反击。
　　陕西省防雷中心认真贯彻省局党组“两手抓”的工作部署
　　陕西省气象局党组扩大会议确定“一手抓防非典、一手抓经济”的工作部署后，省防雷中心迅速召开中心主任会议、中心常务会议认真研究贯彻落实措施。一是高度重视，严防死守，继续按省局预防“非典”领导小组各项要求认真做好各项防非工作，打赢预防“非典”这场持久战。二是采取得力措施，全力弥补非典给防雷工作带来的严重影响。
　　1、及时将防雷检测重点转移至加油站、输气管线等空旷少人地带，图纸审查和防雷工程工作改以协调关系为主；
　　2、克服困难，紧抓理顺外部关系工作不放松，以此作为工作的突破口，积极配合西安市局理顺西安市防雷图审的管理关系，主动与通讯、教育等部门共商防雷管理工作；
　　3、充分利用这段时间，加强内部管理，建章立制，加强各项业务的规范化管理；
　　4、抓业务学习和练兵，做好疫情解除后，快速开展各项业务的充分准备。