通信電源設(shè)備的雷電過電壓防護(hù)

1、通信電源設(shè)備的雷電過電壓防 護(hù)（行業(yè)）通信電源設(shè)備的雷電過電壓防護(hù)吳川，李慶春（廣西移動(dòng)通信有限責(zé)任公司，廣西南寧530028）曹華剛（杭州伊頓施威特克電源有限公司，浙江杭州310012）摘要：本文概述通信電源發(fā)展歷程，闡述了通信電源系統(tǒng)綜合防雷的思想，提供了通信電源系統(tǒng)防雷 的主要措施和具體實(shí)施的細(xì)節(jié)，為通信電源設(shè)備的綜合防雷提供了有益的建議。關(guān)鍵詞：通信電源系統(tǒng)；開關(guān)電源；防雷；措施。1前言通信電源設(shè)備是現(xiàn)代通信系統(tǒng)中的重要組成部分，其目的是為通信設(shè)備提供安全、可靠、高效、穩(wěn)定、不間斷的能源。隨著科技水平的進(jìn)步，對(duì)于通信電源設(shè)備性能的要求也逐步提高，除必須滿足基本的功能 外，還要求具備交流

2、配電、自動(dòng)切換、直流配電、遠(yuǎn)程智能集中監(jiān)控、電池自動(dòng)管理等功能，從而滿足網(wǎng) 絡(luò)管理的需求。通信電源的發(fā)展經(jīng)歷了從線性電源、相控電源到開關(guān)電源的發(fā)展歷程，由于開關(guān)電源具有功率轉(zhuǎn)換效 率高、穩(wěn)壓范圍寬、功率密度比大、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，從而成為通信電源的主體，并向著高頻小型化、高效 率、高可靠性的方向發(fā)展。計(jì)算機(jī)控制、通信和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，為通信電源遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展和 完善提供了更加便利的條件，使其無人值守成為可能。通信電源系統(tǒng)由交流配電、整流柜、直流配電和監(jiān)控模塊組成，如圖1所示。集中式監(jiān)控系統(tǒng)可將交流配電柜、直流配電柜和整流柜放在不同樓層，實(shí)現(xiàn)分散供電，進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。交流配電柜主要完成市電 輸

3、入或油機(jī)輸入切換和交流輸出分配功能，要求采取必要的防護(hù)措施，交流配電柜一般要求具有多級(jí)防雷 措施、單面操作維護(hù)、實(shí)時(shí)狀態(tài)顯示和告警等功能；直流配電柜主要完成直流輸岀路數(shù)分配、電池接入和 負(fù)載邊接等功能，一般要求可自由岀線，可岀面操作維護(hù)，可實(shí)現(xiàn)柜內(nèi)并機(jī)和柜外并機(jī)，具有狀態(tài)顯示和 告警功能，能檢測(cè)每一路熔斷器的通斷狀態(tài)；整流柜的主要功能是將輸入交流電轉(zhuǎn)換輸岀為滿足通信要求 的直流電源，它一般由多臺(tái)整流模塊并聯(lián)組成，共同分擔(dān)負(fù)載，并能良好地均分負(fù)載，單模塊故障不應(yīng)影 響系統(tǒng)工作。電源模塊采用低壓差自入均流技術(shù)，使模塊間的電流不均衡度小于3%，并具有輸岀短路故障自動(dòng)恢復(fù)功能。A（輸出RS485/RS

4、423AC IA（輸入交 流 配 電整流模塊rn d整流模塊整流模塊48VDC負(fù) 載RS485/RS422防雷與接地監(jiān)控模塊1 電池組11II電池組n圖1通信電源系統(tǒng)組成框圖監(jiān)控模塊主要實(shí)現(xiàn)交流配電柜、直流配電柜和模塊監(jiān)控，此外還要進(jìn)行電池自動(dòng)管理功能。通信電源 系統(tǒng)作為通信網(wǎng)絡(luò)的能源供給者，除了必須具備可靠、穩(wěn)定等基礎(chǔ)特性外，其電磁兼容設(shè)計(jì)、防護(hù)設(shè)計(jì)、 可操作性和可維護(hù)性也是非常關(guān)鍵的因素。安全性是電源設(shè)備最重要的指標(biāo)，其不安全隱患不但不能完成 正常的供電要求，而且還有可能發(fā)生嚴(yán)重的事故，甚至造成機(jī)毀人亡的巨大損失。為此，必須加強(qiáng)安全性 設(shè)計(jì)工作。而目前影響電源設(shè)備安全性最重要的工作是如何有

5、效提高其防雷電過電壓的能力2通信電源雷擊侵入途徑為了達(dá)到最佳通信效果，大部分通信站設(shè)置在地勢(shì)最高、曠野孤立處。由于條件所限或?yàn)榱斯?jié)省投資,其交流電源絕大部分采用架空電線引入，傳輸信號(hào)電纜也大部分采用架空引入，加上通信鐵塔避雷針的引 雷效應(yīng)，因此通信設(shè)備所處的環(huán)境是高雷擊風(fēng)險(xiǎn)的區(qū)域。雷擊可分為直擊雷和感應(yīng)雷。2.1直擊雷的危害雷電直接擊中通信站建筑、電力電纜、通信電纜和操作人員，可能會(huì)造成建筑損毀，設(shè)備損壞、人員 傷亡和電氣短路引起火災(zāi)等嚴(yán)重后果，因此直擊雷發(fā)生的概率雖然很小，但其危害十分大，所以不能掉以 輕心。2.2感應(yīng)雷的危害雷云對(duì)地放電的主通道雖然沒有經(jīng)過被保護(hù)物，但放電過程中產(chǎn)生的強(qiáng)大的

6、電磁場(chǎng)可以在附近的導(dǎo)體 中感應(yīng)起電磁脈沖，我們稱為雷電電磁感應(yīng)脈沖，即通常所說的感應(yīng)雷。顯然感應(yīng)雷是由直擊雷引起的， 感應(yīng)雷產(chǎn)生于導(dǎo)體中并沿導(dǎo)體傳播，損壞與導(dǎo)體相聯(lián)的設(shè)備或設(shè)備中的某些器件（這些設(shè)備或器件的耐沖 擊水平較低）。通信電源設(shè)備通過電力電纜和各種通信傳輸電纜與外界相連，其中也有大量的集成電路通 過金屬導(dǎo)線相連，這就為感應(yīng)雷的侵入提供了良好的條件，加上控制和通信電路采用了大量高集成度的微 電子電路，其耐沖擊水平較低，容易被感應(yīng)雷損壞，產(chǎn)生各種各樣的設(shè)備故障。如接口板損壞、內(nèi)部通信 口的損壞、整流模塊的損壞等，有時(shí)感應(yīng)雷引起故障甚至讓我們很難與雷電聯(lián)系在一起，但卻是由雷電引 起的。感應(yīng)雷

7、形成的破壞雖然不及直擊雷大，但其損害的往往是設(shè)備的核心器件，給設(shè)備正常工作帶來障 礙。有研究表明直擊雷可在其周圍1000米范圍的半導(dǎo)體上感應(yīng)起危險(xiǎn)電壓，加上通信站與外界連接的各種長(zhǎng)距離電纜可在更大的范圍內(nèi)感應(yīng)上雷電電磁脈沖，并幾乎無衰減的沿電纜傳入通信站。因此對(duì)通信站 來講感應(yīng)雷的概率遠(yuǎn)大于直擊雷的概率，可以這樣說，通信站防雷主要是防感應(yīng)雷。3通信電源系統(tǒng)的防雷措施3.1直擊雷的防護(hù)：（2000年版）對(duì)直擊雷電流分類:根據(jù)GB50057-94建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范第一類防雷建筑物防范的雷電流為第二類防雷建筑物防范的雷電流為第三類防雷建筑物防范的雷電流為如圖所示：一個(gè)能量為200kA的直擊雷，由整個(gè)

8、系統(tǒng)的接閃器、引下線、接地網(wǎng)、電源、管線、通信網(wǎng)絡(luò)線來分200kA150kA100kA(10/350uS)；(10/350uS)；(10/350uS )。<1 0 0 KA電源系纟每線2 5 KA2 0 0KA1 0 KA每線1 0 KA/n信網(wǎng)絡(luò)（統(tǒng)5%左右接閃器0 0、下線和地網(wǎng)）直接入地, '25kA （10/350uS ）的雷電流。通信擔(dān)。以通信站來講，基本無管道系統(tǒng)，大約有50%通過外部防雷裝置（ 電源部分承擔(dān)其中近45% （100kA），以三相四線為統(tǒng)，每線承擔(dān)大約有5 線路承擔(dān)剩余5%的雷電流。由此可見，電源系統(tǒng)對(duì)直擊雷的防護(hù)非常關(guān)鍵。3.2感應(yīng)雷的防護(hù)前面已提到感

9、應(yīng)雷是因?yàn)橹睋衾追烹姸袘?yīng)到附近的金屬導(dǎo)體中的，其實(shí)感應(yīng)雷可通過兩種不同的感應(yīng)方式侵入導(dǎo)體，一是靜電感應(yīng)：在雷云中的電荷積聚時(shí)，附近的導(dǎo)體也會(huì)感應(yīng)上相反的電荷，當(dāng)雷擊放 電時(shí)，雷云中的電荷迅速釋放，而導(dǎo)體中原來被雷云電場(chǎng)束縛住的靜電也會(huì)沿導(dǎo)體流動(dòng)尋找釋放通道，就 在電路中形成電脈沖。二是電磁感應(yīng)：在雷云放電時(shí)，迅速變化的雷電流在其周圍產(chǎn)生強(qiáng)大的瞬變電磁場(chǎng)，在其附近的導(dǎo)體中產(chǎn)生很高的感生電動(dòng)勢(shì)。研究表明：靜電感應(yīng)方式引起的浪涌數(shù)倍于電磁感應(yīng)引起的浪 涌。感應(yīng)雷可以通過電力電纜、通信電纜、光纖和天饋線侵入通信站，由于電力電纜的距離長(zhǎng)且對(duì)雷電波 的傳輸損耗小，所以由電源侵入的感應(yīng)雷造成的危害十分突岀

10、，按信產(chǎn)部的統(tǒng)計(jì)約占了通信站雷擊事故的 80%因此，對(duì)通信站進(jìn)行感應(yīng)雷防護(hù)時(shí)，電源是重點(diǎn)。感應(yīng)雷還可以通過空間感應(yīng)侵入通信站的內(nèi)部線路，雖然經(jīng)過建筑物和機(jī)殼的屏蔽衰減后其能量大為 減小，但站內(nèi)許多電信設(shè)備的抗過壓能力也很弱，如果處理不當(dāng)也可能造成設(shè)備故障。3.3接地匯集線的布置接地匯集線（匯流排）應(yīng)布置在靠近避雷器的地方，以使避雷器的接地連接線最短，各樓層的分匯集線應(yīng)直接與樓底的總匯集線相連，這樣能保證實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)接地方式，當(dāng)樓層高于30米時(shí)，高于30米部分的分匯集線應(yīng)與建筑物均壓環(huán)相連，以防止側(cè)擊。近年來IEC的研究認(rèn)為：接地匯集線的多重互連是有益的，但部標(biāo)尚未采納。3.4等電位連接各種系統(tǒng)的防

11、雷要求種類很多，但其防雷思想是一致的，就是努力實(shí)現(xiàn)等電位。絕對(duì)的等電位只是一 個(gè)理想，實(shí)際中只能盡量接近，目前是綜合采用分流、屏蔽、箝位、接地等方法來連接。3.5電源避雷器的選擇和應(yīng)用原則考慮到電源負(fù)荷電流容量較大，為了安全起見及使用和維護(hù)方便，數(shù)據(jù)通信電源系統(tǒng)的多級(jí)防雷，原 則上均選用并聯(lián)型電源避雷器。電源避雷器的保護(hù)模式有共模和差模兩方式共模保護(hù)指相線-地線（L-PE）、零線-地線（N-PE）間的保護(hù)；差模保護(hù)指相線 -零線（L-N ）、相線- 相線（L-L ）間的保護(hù)。對(duì)于低壓側(cè)第二、三、四級(jí)保護(hù)，除選擇共模的保護(hù)方式外，還應(yīng)盡量選擇包括 差模在內(nèi)的保護(hù)。殘壓特性殘壓特性是電源避雷器的最

12、重要特性，殘壓越低，保護(hù)效果就越好。但考慮到我國(guó)電網(wǎng)電壓普遍不穩(wěn) 定、波動(dòng)范圍大的實(shí)際情況，在盡量選擇殘壓較低的電源避雷器的同時(shí)。還必須考慮避雷器有足夠高的最 大連續(xù)工作電壓。如果最大連續(xù)工作電壓偏低，則易造成避雷器自毀。電源系統(tǒng)低壓側(cè)有一、二、三級(jí)不同的保護(hù)級(jí)別應(yīng)根據(jù)保護(hù)級(jí)別的不同，選作合適標(biāo)稱放電電流（額定通流容量）和電壓保護(hù)水平的電源避雷器，并保證避雷器有足夠的耐雷電沖擊能力。原則上，每一級(jí)的交流電源之間連接導(dǎo)線超過25m以上，都應(yīng)做該級(jí)相應(yīng)的保護(hù)。電源低壓側(cè)保護(hù)用的電源避雷器應(yīng)該選擇有失效警告指示、并能提供遙測(cè)端口功能的電源避雷器，以方便監(jiān)控、管理和日后維護(hù)。阻燃功能電源避雷器必須具有

13、阻燃功能，在失效、或自毀時(shí)不能起火。電源避雷器必須具有失效分離裝置在失效時(shí)，能自動(dòng)與電源系統(tǒng)斷開，而不影響通信電源系統(tǒng)的正常供電。電源避雷器的連接端子必須至少能適應(yīng) 25mm的導(dǎo)線連接。安避避雷器時(shí)的引線應(yīng)采用截面積不小于25mm的多股銅導(dǎo)線，建議使用 25mm的多股銅導(dǎo)線，并盡可能短（引線長(zhǎng)度不宜超過1.0m）當(dāng)引線長(zhǎng)度超過1.0m時(shí)，應(yīng)加大引線的截面積；引線應(yīng)緊湊并排或綁扎布放。電源避雷器的接地接地線應(yīng)使用不小于 2535mm的多股銅導(dǎo)線，并盡可能就近與交流保護(hù)地匯流排、或總匯流排、接地 網(wǎng)直接可靠連接。由于10/350US模擬雷電電流沖擊波的能量遠(yuǎn)大于8/20us模擬雷電電流沖擊波的能量

14、，因此一般需要使用電壓開關(guān)型SPD如放電間隙、放電管）才能承受10/350us模擬雷電電流沖擊波，而由M0和SAD組成的SPD般所承受的標(biāo)稱放電電流是8/20us模擬雷電電流沖擊波。3.6電源避雷器的安裝要求在安裝電源避雷器時(shí)，要求避雷器的接地端與接地網(wǎng)之間的連接距離盡可能越近越好。如果避雷器接 地線拉得過長(zhǎng)，將導(dǎo)致避雷器上的限制電壓（被保護(hù)線與地之間的殘壓）過高，可能使避雷器難于起到應(yīng) 有的保護(hù)作用。因此，避雷器的正確安裝以及接地系統(tǒng)的良好與否，將直接關(guān)系到避雷器防雷的效果和質(zhì)量。避雷器 安裝的基本要求如下：1）、電源避雷器的連接引線，必須有足夠粗，并盡可能短；2）、引線應(yīng)采用截面積不小于

15、25mm的多股銅導(dǎo)線；3）、如果引線長(zhǎng)度超過 1.0m時(shí)，應(yīng)加大引線的截面積；4）、引線應(yīng)緊湊并排或幫扎布放；5） 、電源避雷器的接地線應(yīng)為不小于2535m多股銅導(dǎo)線，并盡可能就近可靠入地。3.7電源防護(hù)信息產(chǎn)業(yè)部發(fā)布了專門的通信電源防雷標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)各種通信站的電源防雷提岀了具體要求，主要是兩條：一是電力電纜應(yīng)有金屬屏蔽層，且必須埋地進(jìn)岀通信站。二是在電源上逐級(jí)加裝電源防雷器，實(shí)現(xiàn)多級(jí)防 護(hù)。即在變壓器的高壓端加裝高壓防雷器，低壓側(cè)加裝低壓防雷器，在交流配電屏和直流配電屏分別加裝 交、直流防雷器。3.8通信電源防護(hù)應(yīng)注意以下問題1）、進(jìn)局電力電纜的防雷容易引起重視，而其它進(jìn)岀通信站的電力線常常被忽

16、視，如照明路燈線、塔 燈電力線、非電信設(shè)施租用電信電力線等?，F(xiàn)在宜采用太陽能塔燈，可減少一個(gè)雷擊入侵渠道。其它岀局 電力線應(yīng)在防雷系統(tǒng)的保護(hù)范圍內(nèi)，否則應(yīng)采取專門的防雷措施。2） 、加裝直流防雷器是最近發(fā)布的防雷標(biāo)準(zhǔn)中才提出的，因?yàn)橹绷鞣览灼鞯臍垑捍蟠蟮陀诮涣鞣览灼鳎?因此能有效地提高通信站內(nèi)敏感設(shè)備抵御雷電電磁脈沖的能力。3）、防雷器的防雷能力與安裝方式有密切關(guān)系，主要是引線電感會(huì)產(chǎn)生額外的殘壓，應(yīng)盡可能地縮短 電力線與防雷器的連線和防雷器與接地匯接板連線的長(zhǎng)度。4）、多級(jí)布置防雷器可減小引線電感帶來的額外殘壓，因?yàn)榍凹?jí)防雷器已將大部分雷電流泄放入地，在后級(jí)的防雷器只泄放少部分雷電流，雷電流

17、的減小必然導(dǎo)致引線上的附加殘壓減小。為保證防雷器前后 級(jí)的能量配合，防雷器之間的電力電纜長(zhǎng)度應(yīng)不小于15米，否則應(yīng)采用退耦器進(jìn)行能量配合。5）、現(xiàn)代通信電源為實(shí)現(xiàn)無人值守，均具備遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，例如遙信、遙測(cè)、遙控，而與之相聯(lián)的信 號(hào)線接口通信距離長(zhǎng)，極容易遭受感應(yīng)雷損壞而造成停機(jī)等事故，根據(jù)信產(chǎn)部要求應(yīng)加裝相應(yīng)的信號(hào)防雷 器予以保護(hù)。4總論防雷設(shè)計(jì)是保證通信電源系統(tǒng)可靠運(yùn)行的必不可少的環(huán)節(jié)，雷電對(duì)信息設(shè)備產(chǎn)生危害的根源在于雷電 電磁脈沖，這種雷電電磁脈沖包括雷電流和雷電電磁場(chǎng)。雷電流是產(chǎn)生過電壓的根源，而雷電電磁場(chǎng)則是 產(chǎn)生感應(yīng)過電壓的根源。對(duì)于通信設(shè)備而言，雷電過電壓來源主要包括直擊雷/感應(yīng)

18、雷過電壓、雷電侵入波和反擊過電壓。在一般情況下，通信電源必須采取系統(tǒng)防護(hù)、概率防護(hù)和多級(jí)防護(hù)的防雷原則，通信電 源系統(tǒng)應(yīng)采用多級(jí)防雷體系。采用防雷器件時(shí)還應(yīng)考慮到防雷器件對(duì)系統(tǒng)的影響，包括工作電壓、工作電流、工作頻率、諧波干擾、工作溫度、泄漏電流、絕緣等級(jí)、插入損耗、結(jié)構(gòu)形式、遠(yuǎn)程監(jiān)控、操作與維護(hù)等，還有安規(guī)的影響。通信電源作為通信設(shè)備的重要組成部分，其自身的防護(hù)問題也越來越突岀。而防雷是一個(gè)系統(tǒng)的工程，只有系統(tǒng)的全面的考慮才能取到好的防護(hù)效果。相信在廣大電源設(shè)計(jì)工作者和使用維護(hù)人員的共同努力 下，使通信電源的工作可靠性得到更大提高。5防雷設(shè)計(jì)依據(jù)建筑范（2）電子計(jì)算機(jī)機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范雷設(shè)計(jì)規(guī)GB50057-94GB50174-93民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范JGJ/T16-92計(jì)算站場(chǎng)地安全要求GB9361-88(5)計(jì)算站場(chǎng)地技術(shù)文件GB2887-89(6)計(jì)算機(jī)信息系統(tǒng)防雷保安器GA173-1998(7)雷電電磁脈沖的防護(hù)IECI312(8)通信局（站）雷電