介紹了電子通訊產(chǎn)品在易發(fā)生供電故障和易受雷擊的供電環(huán)境下，電源端口雷擊和暫態(tài)過(guò)電壓的綜合防護(hù)解決方案。該解決方案將雷擊防護(hù)與暫態(tài)過(guò)電壓防護(hù)有機(jī)結(jié)合，智能檢測(cè)判斷過(guò)電壓是雷擊還是暫態(tài)過(guò)電壓，并及時(shí)啟動(dòng)防護(hù)功能，防止電源損壞等嚴(yán)重故障。該方案還可實(shí)現(xiàn)防護(hù)后自動(dòng)恢復(fù)供電和遠(yuǎn)程控制供電，在復(fù)雜供電環(huán)境中保障供電安全和設(shè)備不被損壞，有很大的推廣價(jià)值。
隨著通訊業(yè)務(wù)的發(fā)展，通訊產(chǎn)品的應(yīng)用場(chǎng)景復(fù)雜多變，室外應(yīng)用設(shè)備的供電場(chǎng)景尤其復(fù)雜和惡劣，某些工程場(chǎng)景因配電網(wǎng)基礎(chǔ)薄弱，電能質(zhì)量難以保證，通信設(shè)備供電系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行面臨挑戰(zhàn)。當(dāng)電網(wǎng)高壓側(cè)發(fā)生接地故障時(shí)，會(huì)引起所供低壓設(shè)備內(nèi)持續(xù)時(shí)間幾百毫秒的暫態(tài)過(guò)電壓（TOV）。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外某些通訊站點(diǎn)陸續(xù)出現(xiàn)交流電源防雷器電涌保護(hù)器（SPD）燒毀及通訊設(shè)備電源損壞和燒毀的嚴(yán)重故障，導(dǎo)致通訊站點(diǎn)的供電和通訊業(yè)務(wù)中斷。通過(guò)實(shí)地勘查工程現(xiàn)場(chǎng)以及對(duì)大量失效防雷器和損壞電源的分析，發(fā)現(xiàn)很多故障的原因是電源端口受到雷擊和暫態(tài)過(guò)電壓等干擾。
目前，行業(yè)內(nèi)對(duì)雷擊等瞬態(tài)過(guò)電壓的防護(hù)方案比較成熟，但對(duì) TOV 的認(rèn)識(shí)和防護(hù)還不夠，對(duì) TOV 的研究主要是壓敏電阻耐 TOV 特性的研究，以及壓敏電阻防 TOV 起火燃燒的研究，缺失雷擊和 TOV 一體化的綜合防護(hù)方案。
01 交流 TOV 干擾機(jī)理
瞬態(tài)過(guò)電壓和暫態(tài)過(guò)電壓是兩種性質(zhì)完全不同的過(guò)電壓，對(duì)應(yīng)著不同的干擾機(jī)理和防護(hù)方案，如圖 1 所示。瞬態(tài)過(guò)電壓持續(xù)時(shí)間主要是微秒和納秒數(shù)量級(jí) ；暫態(tài)過(guò)電壓一般是中壓供電系統(tǒng)接地故障導(dǎo)致的持續(xù)時(shí)間為毫秒數(shù)量級(jí)的過(guò)電壓。
目前業(yè)界對(duì)雷擊干擾的研究比較成熟，下面主要介紹交流 TOV 的干擾機(jī)理，如圖 2 所示。當(dāng) 10kV 側(cè)發(fā)生線路碰殼故障時(shí)，故障電流 IF會(huì)通過(guò)設(shè)備外殼的安全接地點(diǎn)流入大地。由于配電變壓器（簡(jiǎn)稱(chēng)配變）接地電阻并不完全為 0，因此接地點(diǎn)處可能會(huì)出現(xiàn)幅值為 UT 的電位抬升，UT 的值等于 IF 與 RT 的乘積。
（a）雷擊浪涌等瞬態(tài)過(guò)電壓
圖 1 工程現(xiàn)場(chǎng)電源端口過(guò)電壓類(lèi)型
配變碰殼故障會(huì)導(dǎo)致低壓側(cè)中性點(diǎn)發(fā)生偏移，在用戶(hù)側(cè)產(chǎn)生轉(zhuǎn)移過(guò)電壓，且轉(zhuǎn)移過(guò)電壓與配變接地點(diǎn)地電位抬升值 UT 直接相關(guān)。這個(gè)轉(zhuǎn)移過(guò)電壓對(duì)用電設(shè)備來(lái)說(shuō)，就是電源端口的交流 TOV。
TOV 對(duì)用電設(shè)備的干擾機(jī)理分為兩階段 ：第一階段為過(guò)電壓損傷，即中壓故障過(guò)電壓傳遞到低壓側(cè)，此時(shí) TOV 還未達(dá)到防雷器 SPD 的截止電壓，N-PE 斷路，基站電源接地（PE）端接地極不分流 ；第二階段為過(guò)電流損傷，此時(shí) TOV 電壓超過(guò)了 SPD 的截止電壓，N-PE 導(dǎo)通，PE 端接地極分流。
02 雷擊和 TOV 綜合防護(hù)方案
2.1 雷擊加強(qiáng)型方案
根據(jù)電源 TOV 的損傷機(jī)理和應(yīng)力特點(diǎn)，結(jié)合電源的防雷拓?fù)?，利用?qiáng)耐受交流 TOV 沖擊等級(jí)的防雷器，同時(shí)采取提高設(shè)備級(jí)防雷電路截止電壓、提高設(shè)備絕緣耐壓水平等措施，實(shí)現(xiàn)雷擊和 TOV 的綜合防護(hù)，如圖 3 所示。
由圖 3 可以看出，此方案的防雷功能采用了兩級(jí)防雷，前面利用大通流能力的防雷器泄放大部分雷擊能量，在設(shè)備電源端口采用防雷電路進(jìn)一步泄放殘余的雷擊能量，并把雷擊電壓鉗位在后級(jí)電路能承受的一個(gè)合理水平。
圖 3 的 TOV 防護(hù)，一方面選擇強(qiáng)耐受 TOV沖擊等級(jí)的防雷器，另外當(dāng) TOV 能量特別大且超過(guò)防雷器的承受能力后，防雷器脫扣保護(hù)，避免防雷器失效進(jìn)而炸裂燃燒。當(dāng)防雷器脫扣保護(hù)后，TOV 直接施加到后級(jí)防雷電路，后級(jí)防雷電路的截止電壓要大于 TOV 的電壓并提高設(shè)備的耐壓等級(jí)，以保證設(shè)備不會(huì)產(chǎn)生惡性故障。具體應(yīng)用時(shí)，要根據(jù) TOV 的電壓合理設(shè)計(jì)后級(jí)防雷電路的截止電壓，同時(shí)又要保證防雷電路的正常功能。
（a）TOV 干擾機(jī)理第一階段
（b）TOV 干擾機(jī)理第二階段
圖 2 TOV 的干擾機(jī)理
圖 3 加強(qiáng)型雷擊和 TOV 綜合防護(hù)方案
2.2 智能防護(hù)方案
雷擊加強(qiáng)型防護(hù)方案雖然實(shí)現(xiàn)了雷擊和TOV 的綜合防護(hù)，但只能保護(hù)有限次的TOV。如果 TOV 沖擊次數(shù)多，還是無(wú)法避免 TOV 導(dǎo)致的防雷器失效現(xiàn)象，這對(duì)設(shè)備級(jí)的防雷電路和絕緣耐壓水平提出了相應(yīng)的要求。采用普通防雷器和智能微型斷路器相結(jié)合的方案，不會(huì)影響防雷功能，且可以提供智能 TOV 防護(hù)功能，理論上可以提供無(wú)限次 TOV 防護(hù)，核心技術(shù)和功能如下 ：
（1）能識(shí)別線路中的過(guò)電壓類(lèi)型是雷擊還是 TOV。不會(huì)因雷擊、浪涌等瞬態(tài)干擾誤觸發(fā)開(kāi)關(guān)動(dòng)作。
（2）識(shí)別到線路中的 TOV 后，執(zhí)行機(jī)構(gòu)快速響應(yīng)，自動(dòng)切斷供電，阻止 TOV 傳遞到防雷器和后級(jí)設(shè)備。
（3）線路中的 TOV 去除后，供電能自動(dòng)或遠(yuǎn)程恢復(fù)，即電源輸入端口開(kāi)關(guān)能自動(dòng)或遠(yuǎn)程控制復(fù)位。
圖 4 所示的防護(hù)方案結(jié)合了雷擊防護(hù)與TOV 智能防護(hù)，可靈活設(shè)定 TOV 電壓和持續(xù)時(shí)間的閾值。當(dāng)線路中的 TOV 達(dá)到閾值時(shí)，快速（5~20 ms）切斷供電線路，阻止 TOV 傳遞到防雷器和后級(jí)設(shè)備。觸發(fā)電路保護(hù)模式后，一旦TOV 干擾消除，設(shè)備會(huì)自動(dòng)合閘恢復(fù)上電，不需要人為操作。同時(shí)不影響雷擊防護(hù)等級(jí)和防護(hù)效果。
圖 4 雷擊和 TOV 智能防護(hù)方案
03 方案驗(yàn)證
3.1 實(shí)驗(yàn)室模擬驗(yàn)證
按照 IEC 61643-11:2011的高（中）壓系統(tǒng)故障引起的暫態(tài)過(guò)電壓試驗(yàn)要求，按圖 5 的配置方式，對(duì)第 2 節(jié)的兩種方案在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了 TOV 的測(cè)試驗(yàn)證。
圖 5 交流電源 TOV 測(cè)試設(shè)備電路
設(shè)備 L/N 電源接入 TOV 測(cè)試設(shè)備的供電端口，在 90° 相位施加 1200V/200A/1000ms 的暫態(tài)過(guò)電壓。
雷擊加強(qiáng)型方案 ：TOV 測(cè)試后，防雷器均安全脫扣保護(hù)。防雷器安全脫扣后，再進(jìn)行多次 TOV 測(cè)試，設(shè)備級(jí)防雷電路和設(shè)備均正常。
智能防護(hù)方案 ：經(jīng)多次施加 TOV 應(yīng)力，智能斷路器均在 10 ms 內(nèi)切斷 TOV，并在 TOV 測(cè)試后自動(dòng)恢復(fù)供電。測(cè)試過(guò)程中和測(cè)試后設(shè)備均正常。對(duì)雷擊加強(qiáng)型方案和智能防護(hù)方案進(jìn)行了差模和共模各 10 次 30 kA 的雷擊測(cè)試，防護(hù)電路和設(shè)備均運(yùn)行正常。
3.2 真型場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證
國(guó)電電網(wǎng)某公司配電網(wǎng)真型試驗(yàn)場(chǎng)是世界上最大規(guī)模的 10 kV 真型試驗(yàn)場(chǎng)之一，按照通信站點(diǎn)的典型配電、防雷和接地場(chǎng)景，搭建還原某通訊站點(diǎn)的真實(shí)場(chǎng)景，人工制造中壓交流單相接地故障，測(cè)試驗(yàn)證智能防護(hù)方案，測(cè)試配置如圖 6 所示。
在故障專(zhuān)用配電變壓器側(cè)人工制造 10kV 單相接地故障，故障持續(xù)時(shí)間 100 ms。通過(guò)錄波器測(cè)試可知，接地變壓器接地轉(zhuǎn)移到低壓交流側(cè) N線對(duì) PE 之間的 TOV 約為 1500 V，A相 L 對(duì) PE 之間的 TOV 大約 1800 V，持續(xù)時(shí)間 100 ms。給遭受 TOV 干擾的整流器 1 的配電變壓器加上智能微型斷路器，智能微型斷路器過(guò)壓保護(hù)閾值設(shè)為 275 VAC。通過(guò)錄波器測(cè)試可知，當(dāng)整流器電源 N 線對(duì) PE、L 線對(duì) PE 之間的電壓超了微型斷路器設(shè)置的閾值電壓后，微型斷路器在 15 ms 內(nèi)跳閘斷開(kāi) L 線和 N 線，阻斷TOV，保護(hù)后級(jí) AC 設(shè)備及直流設(shè)備。100 ms故障結(jié)束后，微型斷路器自動(dòng)合閘恢復(fù)供電。
圖 6 智能防護(hù)方案驗(yàn)證配置
結(jié)語(yǔ)
隨著通信產(chǎn)品的廣泛應(yīng)用，其應(yīng)用場(chǎng)景也越來(lái)越復(fù)雜和多變，雷擊和電網(wǎng) TOV 干擾是通信產(chǎn)品安全、可靠運(yùn)行的一大威脅，采取雷擊和電網(wǎng) TOV 綜合防護(hù)措施是保障通信設(shè)備安全可靠運(yùn)行的重要手段。本文提出的兩種解決方案，在不影響防雷功能的情況下，能有效地防護(hù) TOV 干擾，實(shí)現(xiàn)了防雷和 TOV 的綜合防護(hù)。
本文摘自：《安全與電磁兼容》2025年第01期
作者：徐加征、胡紅專(zhuān)、陳泓材
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