[分享]移动通信基站雷电过电压保护器的选择-千家论坛

luosunshine 发表于 2009-3-19 12:53:00

[分享]移动通信基站雷电过电压保护器的选择

移动通信基站雷电过电压保护器的选择
信息产业部邮电设计院刘吉克郑州互助路 1 号邮编 450007 
摘要：通过多例移动通信基站安装雷击电流间隙型 (10/350 μ S) 、小通流容量（ 40kA 、 8/20 μ S ）限压类以及安装了不适合基站 TT 供电方式的雷电保护器造成雷击事故事例分析，论述了基站使用什么类型的雷电保护器才能满足防雷的需要。对移动通信的建设者和设计者雷电保护器选型中关心的：间隙雷击电流型保护器和雷电过电压保护器谁能满足移动通信基站的需要；模块式 C 级保护器能否并联为超大通流容量的 B 级保护器；基站为什么要使用 3+1 保护模式的雷电过电压型保护器；雷电过电压保护器通流量级为什么要根据雷电活动区的划分、通信局（站）的分类、基站所处的地理环境、建筑物的形式、供电方式和所在地的电压稳定度来定，以及对各级 SPD 的配合问题进行了对比分析，最后推荐了山区、郊区、城市中基站用雷电过电压保护器的技术要求。 
1 概述 
中华人民共和国通信行业标准 YD5098-2001 《通信局（站）雷电过电压保护工程设计规范》从编写到颁布以及实施历经 5 年，不同时期的版本（征求意见稿、送审稿、报稿）在其编写过程为各大运营商许多通信局（站）提供了由感应雷引起的，占局（站） 85% 以上雷击的事故（基站由感应雷引起的事故为 95% 以上）的解决方案，保障了通信系统安全的运行。移动通信基站雷电过电压保护器正确的使用，正确的选择，可以避免雷击事故的发生，关于移动通信基站接地方面的内容本人已经有专门论述 1 、 2 ，但基站怎样根据不同的环境、地理、雷暴日等因素来确定保护器的量级问题至今没有专门论述，而 SPD 选择问题一直困扰着各地移动、联通的建设者和规划设计者。由于国内外雷电过电压保护器生产厂家进入国内市场的多以百计，鱼目混珠、滥竽充数、以小充大的产品直接影响到通信基站安全的运行，另外纵使世界知名品牌、国内优秀产品各都有各自的特点、同样也有一个产品的适应性问题，作为保障通信基站安全运行雷电保护器不能因为选择不当造成雷击事故的发生，更不能因为安装了不适合移动通信基站使用的产品造成火灾事故（由雷电保护器选择不当，造成火灾的事故时有发生），即雷电保护器因选择不当，因为工频暂态过电压或者供电回路接地故障，自身成为通信基站火灾的诱因。确定使用什么 SPD ，是根据雷电活动区的划分、通信局（站）的分类、基站所处的地理环境、建筑物的形式、供电方式和所在地的电压稳定度来定的，而且还涉及到各级 SPD 的配合问题，不是什么样的 SPD 都可以解决其防雷问题的，还有 SPD 的工作电压问题和一个最大通流容量问题，本文通过对移动通信基站雷电事故分析，不同种类雷电保护器的对比及运行情况，以及多级保护器的能量配合问题来论述基站雷电过电压保护器的选择。 
2 移动通信基站雷电事故分析 
2 ． 1 移动某地区 （ SPD 采用德国某公司生产的间隙、间隙 + 电感 +MOV 、组合型保护器通信设备被雷电击坏事例）在 2002 年 7 月的雷雨季节到来之时，移动某一个地区就有 7 个基站分别在雷雨天气中被雷击中，设备受到不同程度的破坏和损失。遭雷击的基站都已经安装了 XXXXX 公司的雷击电流间隙型（开关型）保护器或者间隙 +MOV 组合型，通流量 10/350 μ S 可达 50kA 以上， SPD 保护器安装以后，大量基站仍然在不同程度上遭到雷击的损坏，说明间隙型保护器在基站使用，没有起到任何的作用，其使用环境应引起特别注意： 
1 ） GSM 第 5 期 RBS2202 基站，基站建在空旷的小山丘上，自建站以来， GSM 载波 TRU 损坏 3 个，华为电源安装防雷器前的空气开关跳闸，防雷器件没有损坏，室外交流输入防雷器件损坏，交流稳压器损坏，安装的 B 级间隙型保护器没有损坏，计数器没有记录雷电次数。 
2 ） GSM 第 6 期 RBS2202 基站，自建机房在西坑水库的旁边。珠江电源架 3 个整流模块烧坏，监控模块 I/O 板损坏， CDU 、 DXU 、 TRU 损坏，间隙型保护器显示雷击次数 7 月 6 日 3 次，接地电阻为 9 欧姆，其中机房内的交流配电屏和灯管都有打黑的现象。 
3 ） GSM 第 5 期 RBS2202 基站，自建机房在马山风景区的山顶上，安装了间隙型保护器。雷击使雷击造成科达稳压电源跳闸，电源架总开关跳闸，华为电源防雷器开关跳闸， 2 个整流模块烧坏。地网的接地电阻为 0.4 欧姆。4 ） GSM 第 7 期 RBS2202 基站，自建机房在高山顶，安装了间隙型保护器。雷击造成珠江电源整流模块全部烧坏（ 3 只）， CDUC+ 损坏 1 个，机架风扇控制器损坏。此站的交流稳压器没有出现故障，然而珠江电源架的设备和 GSM 设备都出现故障。 
5 ） GSM 第 7 期 RBS2202 基站，自建机房在高山顶，安装了间隙型保护器。雷击造成华为电源整流模块损坏 1 个，塔放损坏，光端机烧坏。楼地板及墙角被雷击中损坏，雷击由室外的电源高压线引入，室内走线梯接地点有打黑的现象。 
上述情况仅仅反映的是该地区雷害事故的冰山一角 ，根据统计结果， 2002 年 7 月 ~10 月，在同一地区的移动分局所属的基站就有 60 多个安装间隙型保护器的基站设备遭受雷击 , 其雷击概率未免高的使人不能容忍，其直接危害到通信的安全运行。 
2 ． 2 广东联通 （采用间隙型保护器被雷击坏事例） 
1 ） 2000.4.28 广东联通江门一个安装雷电波形通流量 10/350 μ S 、最大通流容量可达 60kA 以上雷电流间隙型保护器的基站遭受雷击，雷击造成空调、电源模块损坏，间隙型保护器从导轨上弹落，防雷箱承受不了间隙型保护器雷电通过时喷贱出来的火花及气体释放 , 箱门被弹开（根据其德国公司广办技术分析报告）。
 2 ） 2000.6.16 联通惠州安装间隙型保护器的一个基站遭受雷击，一、二级雷电保没有损坏，基站内防雷能力很强的开关电源损坏，根据该间隙型保护器中国总代理分析，主要是第一级保护器和第二级保护器之间的距离达不到 15 米所至。 
以上两个事例仅仅典型案例，基站安装了间隙型保护器通信设备遭损坏的事故还有多起，例如河源等地的基站。 
注： 2001 年广东联通按照标准规范，招标选择了 3+1 模式 80kA 的限压型保护器，现安装了数千个基站，根据统计至今没有一个因雷击损坏设备的情况。 
2 ． 3 重庆移动通信公司 （采用间隙 + 电感 +MOV 组合型保护器被击坏事例） 
2000 年 6 月重庆有几十个基站作为试用安装了德国 XXXX 生产的 SPD ， SPD 为间隙 + 电感 +MOV 即； 3 个 FLT60 和一个 FLT100 间隙组成的 10/350 μ S 100kA （ 3+1 ） +LT-35A （电感） +VALMS320ST8/20 μ S 40kA （ MOV+ 放电管组成的 3+1 ）。 2001 年 7 月有两个基站 SPD 损坏，即万胜矿物局和江津党校（ 1 号）雷击。 
2 ． 4 四川移动公司 
2.4.1 采用各相对地小通流容量 MOV 型 SPD 被雷电击坏事例 
2001 年 7 月 25 日至 26 日四川某地区普降暴雨，致使 6 个基站因雷击造成基站停电中断（另外有 11 个站因雷击光缆，造成基站通信中断），其中一个基站避雷针的法兰盘处被雷电击断，避雷针前端落在距机房 20 米的农户住宅一角，将住户的屋角瓦片、房掾及支撑粱打断，雷击将用在第一级标称通流量为 20kA 、 8/20 μ S 的 ESP415 击毁，造成 ESP415 外壳爆裂，电源主保险丝全部熔断，开关电源内部的监控模块和 5 个整流模块均被雷电击坏；另外一个基站的 ESP415 也被击坏；其余 4 个基站安装在 ESP415 前的空气开关跳闸致使 SPD 退出保护状态，第二次雷击来临造成通信设备损坏。 
2001 年 8 月前往西南中部 3 个基站处理雷击事故，这 3 个站配电线路都采用架空引入，其中一个站的架空线高达几公里，杆距最长达 200 米，采用的都是 ESP415 雷电保护器，接地系统采用工作地、铁塔地分别接地的方式，该站 B 几安装了小于 40kA 的 ESP415SPD ， B 不到几个月 ESP415SPD 连续因为供电电压的波动问题烧毁 3 个，其中一个现场检查时烧毁原因时，再推上串联在 SPD 前的空气开关后， SPD 立刻发生的剧烈燃烧（空气开关推开， SPD 脱离电源回路后， SPD 火自灭）。 
2.4.2 不按标准选型 3 、所选择安装最大通流容量量级不能抵御当地雷暴强度的 SPD 
2001 年 4 月 ~10 月西南中东部一地区有 7 个站 B 级 3+1 保护模式 60kA/ 线的 SPD 在使用不到一年的时间先后被雷电击坏，其中 3 个站不但第一级被雷电击坏，第二级 C 级 40kA 开关电源内部的 SPD 也同被击穿，而且有一个站动力源的开关电源全部电源模块被击坏。通流容量达到 60kA 的 SPD 大面积被雷电击坏，说明基站所采用的 B 级 60kA 的 SPD 其最大通流能力选择达还达不到要求，该地区境内以丘陵为主要地形，属于多雷区，按照信息产业部标准 YD5098-2001 《通信局（站）雷电过电压保护工程设计规范》的要求，雷电过电压保护应按照年雷暴日情况，并根据雷电活动区的划分、移动通信基站的分类、移动通信基站所处的地理环境、建筑物的形式、供电方式的情况，该地区对用在总配电箱处的 1 级（ B 级）电源 SPD 应采用 80kA/ 线（郊区）、 100kA/ 线（山区）、不同等级的 3+1 模式的 SPD 。 
2.5 中继电路、 2Mb/S 传输遭受雷击情况统计 
江苏、广东、四川、河北；福建、湖南、浙江、辽宁数百个站传输设备均遭受过雷击，雷击造成光端机、 PCM 板、话路板、微波设备损坏，有的省份由中继电路损坏的雷击事故占总事故比率的 50% 以上，在传输室对 2Mb/S 接口、监控接口的保护，主要是防止雷电流从 2Mb/S 进入，对 SDH 设备和监控采集器造成危害，雷击事故调查结果表明， 2Mb 接口被雷击坏的事故时有发生，因此必须对 2Mb/S 进行雷电过电压保护。 
3 基站用雷电过电压保护器的选择 
1) SPD 接地线最佳长短和 SPD 安装的合理位置 
基站安装了配电系统用 B 级 SPD ，设备还是被打坏，当然 SPD 的正确选择是一个很重要的问题，确定使用什么 SPD ，是根据雷电活动区的划分、通信局（站）的分类、基站所处的地理环境、建筑物的形式、供电方式和所在地的电压稳定度来定的，而且还涉及到各级 SPD 的配合问题，不是什么样的 SPD 都可以解决其防雷问题的，还有 SPD 的工作电压问题和一个最大通流容量问题，例如在强雷区一般采用 100kA/ 每线的 SPD ，但一些厂商提供的却是整个 SPD 几相之和的 100kA 或 100kA/ 每相，此时 SPD 的通流能力就不可能解决电源的 B 级防护问题，以小充大、以劣充优来代替 B 级保护器，此时 SPD 更起不到应有的保护作用。但我们这里讨论的是：纵使采用名牌的 SPD ，各项指标都非常好，基站还是遭受雷击。此时这种情况就要查找一下接地等雷击的其他原因了，例如 SPD 的接地线长短就是一个雷击的重要因素， B 级 SPD 的安装位置一般都在配电线路的入口端，但总接地排往往都远离入口端一端的走线架上，将 B 级 SPD 的接地线通过 2~6m 的长度接至总接地排，其接地线之长，致使残压过大，此时 SPD 对设备不可能起到任何作用，何况多数情况下为了施工方便，接地线一般仅采用 16mm 2 的多股铜线，其导线自身的感抗也足以使 SPD 残压加大到不能容忍的状况。开关电源内部的 SPD 的接地，如果孤立的去看问题， SPD 在开关电源内部的安装位置是由设计者根据各家自身设备的特点来考虑的，接地线可能在其设备中是较短的。但几个孤立的设备，集成为一个系统时，用系统化、整体的概念去考虑问题，孤立、单一设备所存在的问题就暴露了出来。例如对于移动通信基站接地排和接地线，一般都是在走线架上方固定，那么对于开关电源用的 SPD 的安装位置，自然是选择设计位置在开关电源上方的产品是最佳方案。如果选用设计位置在开关电源下方的 SPD ，对于防雷设计来讲是一个败笔和错误。 
2 ）开关型保护器与限压型保护器的适应场合 
根据国际电联提供的世界年雷暴日分布统计，中国是世界上年雷暴日最多的国家之一，因此中国的雷害事故就更加频繁。我国的防雷专家在长期的广泛探索中，结合 IEC 、 ITU-T 相关文件，提出了有中国特色的通信局（站）防雷保护设计方法，有效的降低了雷击概率，但是通信局（站）的防雷接地还有很多方面的问题有待解决。其中通信局（站）电源系统的雷电过电压保护就是防雷要素中极为重要的因素之一，关于这一课题国际上 IEC 还在不断的研究，国外以德国为代表的西欧与美国、澳大利亚等国家对于雷电过电压保护器件的设计、应用以及测试方法是不一致的。 YD/T5098-2001 《通信局（站）雷电过电压保护工程设计规范》是根据中国的国情和 IEC 相关建议推出的标准，其 SPD 的根据雷电活动区的划分、通信局（站）的分类、通信局（站）所处的地理环境、建筑物的形式、供电方式，在设计中科学的对电源 SPD 的选择提出了不同要求。 
2.1 浪涌保护器的分类 
根据 IEC1312-1 （通则）、 IEC-1312-3 （浪涌保护器的要求）、 IEC1643-2 （低压系统的浪涌保护器）及 ITU-T K36 （保护装置的选择），浪涌保护器（ Surge Protective devices 简称 SPD ）可由气体放电管、放电间隙、 MOV 、 SAD 、齐纳二极管、滤波器、保险丝等元件混合组成。国内外各种类型 SPD 产品一般都有这些元器件组成。浪涌保护器可分为三类：电压开关型（间隙型） SPD （ Voltage switching type SPD ） ; 限压型 SPD(Voltage Limiting type SPD); 组合型 SPD(Combination type SPD) 。 
2.2 间隙型 SPD 
间隙型 SPD （归属于电压开关型或者雷击电流型 SPD 类）是安装在通信局（站）建筑物外雷电保护区 0 区的 SPD ，可最大限度的消除电网后续电流，疏导 10/350 m S 的模拟雷电冲击电流（无论这些电流是远处的雷电过电压还是直击雷引起的）。间隙型 SPD 一般由高性能火花隙组成，它的特点是放电能力强，但残压较高，通常为 2000 ～ 4000V ，检验测试器件采用一般采用 10/350 m S 的模拟雷电冲击电流波型。 
2.3 间隙型保护器能否满足移动通信系统安全运行和基站用 B 级保护器要求 
间隙型雷电电流保护器能否满足移动通信基站 B 级保护器的要求呢？我们分析一下其产品的技术特点：残压高达 4000V, 两级保护器之间的去耦距离要求大于 15 米（移动通信基站机房太小， B 级、 C 级两级保护器之间的距离，难以满足去耦距离要求） , 动作时间较慢μ S 级 , 间隙型保护器雷击电流放电时，电极电弧可瞬间产生 7000 度的高温，间隙型保护器灭弧腔中会排出高速电离气体，爆炸式的气体伴随火花产生巨大冲击力。从残压、退耦距离、火花气体、响应时间等因素来看，间隙型在移动通信基站使用将危及通信系统的安全运行。 
2.3 各地移动通信基站实践证明间隙型不能满足其安全运行的需要 
从广东移动、广东联通、重庆移动等雷暴日或者雷电强度较大的地区间隙型雷电电流保护器使用情况看，总结如下： 
—— B 级使用 10/350 μ S 间隙型保护器造成大量基站通信设备大规模受到雷电损坏（如果安装 8/20 μ S 限压型 100kA 的保护器这类情况是不可能出现的）； 
——间隙型与限压型能量配合之间存在火花放电盲点，致使间隙型不动作，造成第二级（ C 级）保护器承受较高的雷电流， C 级保护器被雷电击坏； 
——间隙型雷电电流型保护器对雷电的响应时间过慢，致使全部雷电流通过 C 级限压型保护器，造成 C 级保护器被雷电击坏； 
——间隙型残压过高、两级（ B 级、 C 级）去耦距离不足，保障不了通信设备的安全运行； 
——爆炸式的气体伴随火花产生巨大冲击力将防雷箱箱体冲开；间隙型不能满足所有雷电频谱的保护要求，自身安全都不能保障。 
2.4 如果通信基站配电电缆采用凯装电力电缆时， IEC1312 所描述的当直击雷击在建筑物避雷针上，进入建筑物各类设施之间的雷电流分配就不是 50% 沿着建筑物外部防雷装置入地，剩余的 50% 进入建筑物各类设施的假设定性分析了；而是击在建筑物顶上避雷针的雷电流电流 50% 入地，另外 50% 沿着地理电缆金属外护层也同样流入大地。因此从保护等级来讲，无须采用 10/350 μ S 的间隙型保护器。 
2.5 同样如果基站配电系统不能采用埋地电缆，而采用架空输电线时，在 YD5098-2001 第 3 .77 条第（ 7 ）款专门规定了：“若采用架空电源线引入时，地处中雷区以上的基站，在配电屏终端入口处，应安装冲击容量不小于 100kA 的限压型保护器”的要求。从广东联通同一地区数千个基站安装大容量 3+1 模式 60~100kA 限压型保护器，几乎没有一个因雷击损坏基站设备的事例表明， MOV 组成的限压型保护器只要最大通流容量满足标准要求，就足以起到保护的目的，这和第二章 2.1 所述的同样地理环境下的广东移动某地区的雷击情况损失巨大是多么截然不同，由此可见标准规定 100kA 限压型 SPD 的通流容量足以满足该地区防雷的需要。 
2.6 至于最近 XXXX 推出的在点火间隙中间加装一个触发电路或者其它形式的产品（所谓能量控制技术），由于是不同于 IEC 建议的新理论、新产品，其能否在基站使用，还有待理论和实践的验证。 
在移动通信基站，间隙型仅满足于 YD5098-2001 第 3 .77 条第（ 5 ）款专门规定的场合：“ 建在高山，地处多雷区以上的 微波站、移动通信基站 ，配电变压器低压侧或低压电缆引入配电室或配电屏终端入口处，应安装冲击通流容量大于 100kA 的限压型 SPD 或安装标称放电电流不小于 25kA 的开关型 SPD ”此类环境主要因为配电变压器与机房之间的距离大于 15 米，两类产品距离去耦能满足要求，考虑低压侧保护问题才能使用。另外谈论间隙型与限压型之间最大通流量的换算问题，不能认为在工程设计标准条款上是 4 ： 1 的关系，就认为两者是相等的（虽然 2002 年版 IEC1643-12 Analytical study ： case of co-ordination between ａ gap — based SPD and a ZnO varistor based SPD 对于该比例关系表示认同），间隙型与 MOV 两个不同保护原理的产品是不可能在世界任何一个 10/350 m S 的模拟雷电冲击电流发生器上进行对比测试的，其实至今国内外没有任何实验和理论能说明这一点。 
移动通信基站在其它环境 SPD 的选择应按照 YD5098-2001 第 3 .77 条第（ 7 ）款的要求，而 3 .77 条第（ 4 ）款的保护对象所指并非移动通信基站。 
3 ）模块式过电压保护器不能并联使用 
关于一些防雷厂家将原用于电源设备内部保护、最大通流容量为 40kA 的国内外模块型 SPD 进行并联，组合成为宣称达 80KA 乃至 120kA 的模块 SPD 或防雷箱。“将模块式 SPD 并联为大容量的防雷箱能否使用的问题”，回答是否定的：从模块式 SPD 的防火原理决定了其内部的过流、过热保护机构不能并联使用；对模块式 SPD 并联后均流问题的分析 --- 没有可靠的配合技术，模块式 SPD 是不能并联使用；模块式 SPD 的创始者德国是明确反对并联使用的，模块并联组合非但不能明显提高通流量，而且会带来燃烧等问题。对这种做法，信息产业部目前还没有相关标准进行规范，最近编写的 SPD 技术要求也没有专门写明，还不能对其进行质量监督检验。现在 SPD 只是送样检测，没有判定依据，因此很可能造成鱼目混珠的局面。这类模块式并联产品在安全性、防雷性能等方面都存在一定问题，可能只是国内一些小公司的特色，国外还没有进行类似生产的厂家，请看相关论证结论。 
3 ． 1 模块式 SPD 的防火原理决定了其内部的过流、过热保护机构不能并联使用 
模块式 SPD 的过流、过热保护技术是建立在 40kA 以下通流容量基础之上的，这同空气开关的分断能力概念是一样的，超过了阈值就无法谈可靠性了。另外，就是在 40kA 以下，从实际应用情况看，仍有较多的国内外公司的模块式 SPD 的过流、过热保护是不可靠的，造成了不少烧机甚至烧机房的严重事故。上述并联而成的宣称达 80KA 乃至 120kA 的模块 SPD 或防雷箱，用于机房第一级保护时，会因如其中某些模块先损坏（这是不可避免的，见下第 2 条）或分流不均（这是很容易发生的，见下第 2 条）等情况而出现某一模块承受绝大部分雷击电流（大大超过 40kA ）的情况，从而造成模块式 SPD 的过流、过热保护功能失灵，起不了防火作用。正因如此，这类模块一直不能用于第一级保护，而只能用于后续保护，因为按照规范设计，后续保护的实际雷击电流远小于 40kA 。 
3 ． 2 对模块式 SPD 并联后均流问题的分析 --- 没有可靠的配合技术，模块式 SPD 是不能并联使用的 
氧化锌压敏电阻是一种非线性电阻，其等效阻抗会随外加电压不同而显著变化，表现出非常强的非线性伏 - 安特性。当用压敏电阻进行并联组合时，均流技术是非常关键和复杂的，它不是对器件进行简单的参数筛选就可以完成，而是要在全工作区间上逐一进行伏 - 安特性匹配。另外，电感在高频大电流下的电压降很大，所以并联技术的另一个关键技术就是每一链路的等阻抗设计。 
通常，压敏电阻的动作电压（直流参考电压）的容差范围是标称电压的正负 10% ，再加上伏安特性的分散性，如果不在全工作区间上进行伏 - 安特性分选和匹配，仅进行简单的并联组合，在雷电流冲击下，动作电压低的链路首先动作，引起弱点击穿，造成该链路中压敏电阻率先非预期劣化或失效，显然此时并联后的通流量并不会有明显提高。压敏电阻的非线性越强，这种不均匀性就越大。 
因此，对这种非线性器件进行并联组合，一定要建立在严格的专业测量、试验、筛选、匹配和检验等设备及技术基础之上。若不具备这类设备及技术手段，并联组合非但不能明显提高通流量，而且会带来燃烧等问题。 
3 ． 3 模块式 SPD 的创始者德国是明确反对并联使用的 
1996 年去欧洲进行学术交流时，德国 OBO 和 PH O ENIX 公司技术专家都反对将 C 级模块式 SPD 进行并联使用成 B 级保护器；德国 DEHN 公司技术专家在 2000 年 2 月来郑州进行学术交流时也对这一问题持明确否定看法； 2002 年 10 月本人再次前往欧洲考察（包括通信基站防雷接地现场考察），其德国、法国的专家又对其 C 级模块进行并联为大通流容量的雷电保护器表示了否定。几年来，众所周知，这些厂家在模块式 SPD 产品上一直没有多少改进，因为模块主要是安装在通信设备内部，解决通信设备自身的防雷问题而设计的。但到现在，突然有一些国内防雷公司拿着同样的德国产品，按德国生产厂家早已否认的方法，拼装“发明”了模块式 SPD 并联产品。这种做法要么是出于对防雷技术与产品缺乏了解，要么是有意误导用户。另外值得补充的是，只依据 SPD 的通流量测试而判定该 SPD 合格与否的检测方法是不全面的，也有很大安全隐患，这有待于标准进一步的修改和完善。 
在模块式 SPD 并联问题上， PH O ENIX 中国公司于 2002 年 5 月 18 日在深圳“ 2002 年中国国际移动通信及网络展览会”防雷论坛上发表技术报告，继续坚持“通过压敏电阻的并联来增大电源保护器的通流量也是不可取的，┄ MOV 的伏安特性的离散性（ IEC 容许的压敏电压有正负 10% 的误差），决定了并联后每增加一倍的数量的器件， SPD 的通流量 In 最多增加 1.2 倍 ”。我虽然不完全赞成此观点（用一些特别、专门技术和能量配合，是可以增加通流容量的，例如同样是德国产品 OBO 的 B 级保护器 V25B ，就采用了专用的阀片焊接技术达到了 B 级的要求），但它至少说明了在模块式 SPD 上的领先国家无论是过去还是现在也都是反对将模块式 SPD 进行并联使用的。
4 ）行业的不同，环境不同、建筑所处地理不同、对保护器的要求也大不相同 
每个部委都有自己行业的特点，这就是为什么各个部委都颁布了自己行业防雷接地的标准，各部委有自己的防雷专家，其专家对自己行业被保护设备是熟悉的，但没有一个专家的知识可以涵盖所以行业防雷技术领域，各个行业可以相互补充，通过相互学习达到共识。例如：由于通信行业移动通信基站站址的分布和供电部门的变电站以及铁路部门的信号楼的分布，在环境、海拔、使用地点、设备和高压供电线路的等因素有着很大不同，通信局（站）内部的设备和变电站的开关柜也有本质的不同（通信电源系统电子电路高度集成化和各类微机控制系统是其它行业不可比拟的），例如高压设备的耐压等级，线路的耐压等级，避雷器的耐压等级是不同的，同样一个雷电流对变电站电力开关柜可能没有任何影响，但对通信设备电源系统已经造成危害；又例如通信局（站）根据需要，建在高山上，变电站却只能建在平地上，同样在城市，通信局（站）为了通信信号避免阻挡，可能要设立一个上百米的铁塔，而变电站和铁路信号楼是通过有线通信解决相互之间的联系，没有铁塔引雷的问题，虽然都在同一环境，由于建筑物的不同需要造成环境发生了巨大的反差，因此不同的环境因素，造成各系统雷击问题的原因和雷电流引入的量级也是不同的。 
5 ）供电方式与 3+1 模式保护防止失火的原理分析 
5.1 ＴＴ供电系统中避雷器起火原因及解决方法 
由于部分采用ＴＴ供电方式，而电源避雷器却依然采用仅适合于ＴＮ系统的４模式对地或其它避雷器，会造成避雷器起火。 
1 、起火原因：下图是典型的ＴＴ接地方式的局站供电电路 
对于供电回路 A 、 B 、 C 每相对地的防雷器皆有如下等效电路：


当防雷器由于各种原因失效后，由于回路阻抗大，短路保护装置无法动作，导致带有限流电阻的电弧放电现象出现，从而就会使避雷器起火，甚至导致机箱、机柜、机房火灾。 
5 . 2 解决方法 
（ 1 ）采用“ 3+1 ”电路 
对 TT 系统，采用“ 3+1 ”电路，即用 3 个 ZnO 压敏电阻模块分别接在 A/N 、 B/N 、 
C/N 间，用一个放电间隙模块接在 N/PE 间，如下图：

采用这种电路后， ZNO 压敏模块皆置于 L/N 间，一旦出现短路失效，由于回路电阻小（低压供电系统 L/N 间短路电流一般为数千安培），过流保护装置就会动作，从而避免火灾。 
这种电路中虽然也有一个气体放电元件，但由于加在 N/PE 间，所以不存在动作分散性问题、灭弧问题、响应速度问题，而且可以实现全模式保护，适应各种接地方式，是目前世界上一种流行的解决方案。 
（ 2 ）对防雷单元进行过热过流保护 
由于防雷器件的短路失效现象只有热击穿或电击穿，所以通过对防雷元件进行过热过流保护，就可以实现故障脱离，防止防雷元件的短路起火问题。 
（ 3 ）将 TT 系统改为 TN 系统，降低回路电阻 
采用这一方法，工程投资很大，且牵涉行业太多，目前很难实现。 
5.3 单相防雷器在 TT 系统使用或电源 L 线与 N 线接错情况下的着火危险分析及解决方法 
单相防雷器在 TT 系统使用的着火原因与前面对三相防雷器在 TT 系统使用存在着火危险的原因相同。但如果将前面介绍的采用“ 3+1 ”电路的解决方法简单套用过来，即对单相电源采用如下图所示的“ 1+1 ”电路，一旦电源 L 线与 N 线接反（这种情况在单相供电系统是经常发生的），则相当于将电源 L 线通过一个气体放电管接地。 
在正常情况下，由于电源相电压低于该气体放电管的动作电压，所以并无什么危险。但当系统中有大于该气体放电管动作电压的过电压（雷电过电压一般都大于该值）出现时，该气体放电管就会对地导通。当该过电压消失后，由于没有灭弧电阻（或称限流电阻），对普通的气体放电管则会因无法遮断工频续流而导致系统对地的电弧性短路而引起着火；对续流遮断性能非常优异的气体放电管，会迅速降低其续流遮断性能，使其在经历数次这种情况后终因无法遮断工频续流而导致系统对地的电弧性短路而引起着火。

解决这一问题的最好方法就是采用如下图所示的对称电路： 
在上图中， Z1 与 G 组合完成 L 对 PE 的共模防护， Z1 是 G 在对 L/PE 保护时的灭弧电阻； Z2 与 G 组合完成 N 对 PE 的共模防护， Z2 是 G 在对 L/PE 保护时的灭弧电阻； Z3 进行 L/N 的差模防护。由于采用了灭弧电阻，气体放电管就不会因无法遮断工频续流而导致系统对地的电弧性短路。由于采用对称电路，就不会出现一旦电源 L 线与 N 线接反而导致的系统对地电弧性短路引起的火灾。 
6 ） 8/20 μ S 最大通流容量 40kA 的限压型保护器不能确保基站设备的安全 
通信行业每年全国仅在通信局（站）使用的开关电源就高达 10 万套，根据原邮电部标准 YD/T 944-1998 《通信电源设备的防雷技术要求和测试方法》 , 开关电源需要通过 20kA 、 8/20 μ S 的测试，这不但需要对雷电过电压保护器（ SPD ）提出要求，而且对附属于开关电源内部用于 SPD 自身的空气开关也需通过 20kA 、 8/20 μ S 的测试，在开关电源内部，使用较多的产品一般是德国的 OBO 、 DEHN 、 PHOENIX 和中国的 DOWIN ，这些产品的质量在设备内部使用可以说是一流的，其 SPD 的标称放电电流为 20kA （测试时该量级一般要连续冲击正负极性各 5 次），最大通流能量为 40kA 。虽然开关电源和内部的 SPD 经过这样严酷的测试，从本文统计的雷害事故以及其它实际使用情况看，最大通流能量为 40kA 为 SPD 模块还是经常有雷击损坏的问题（当然这是排除了接地故障和暂态过电压引起的损坏），附属于 SPD 的空气开关也经常跳闸，另外在安装 B 级（ 8/20 μ S 、 60kA 以上的冲击通流容量）保护器的局站，开关电源和内部的 SPD 也经常有被雷击模块损坏的问题，这说明最大通流容量为 40kA 的模块，远不能保证通信基站的安全运行。 
7 ）限压型保护器最大通流容量的选择问题 
从通信局（站）安装的 SPD 损坏情况统计结果看，虽然各地移动通信基站现场使用的 SPD 有很多是采用最大冲击容量大于 60KA 的产品（持续工作电压为 385V ），在排除了接地故障和暂态过电压等因素和后，在雷雨天、雷击发生的同时，还有许多 SPD 的模块损坏，这表明局（站）选择的 SPD 保护器最大冲击容量 60KA 的产品还不足抵御雷电的侵入，在多雷区通信局（站）安装的 SPD 的最大冲击容量还需要采用更大的量级，例如 100kA 的 SPD 。如果仅从价格因素，而不顾雷电强度及环境因素等原因，去选择 SPD ，不但不能保护通信局（站）的安全，反而可能对其造成危害，因此在强雷区，通信局（站）在选择 SPD 保护等级时，必须根据 YD/T5098-2001 《通信局（站）雷电过电压保护工程设计规范》，且考虑使用场合的各类环境因素。 
单纯从价格的意义讲，冲击通流容量较小的 SPD 一般价格上远小于冲击通流容量大的 SPD ，但从技术经济比的角度去考虑问题，可能这一观点又喻于了新的含义，通流容量是指 SPD 不发生实质性破坏而能通过规定次数、规定波形的最大电流峰值，冲击通流容量较小的 SPD 在通过同样的雷电流的条件下其寿命远小于冲击通流容量大的 SPD ，根据有关资料介绍：“ MOV 元件在同样的模拟雷电流 8/20 m S 、 10kA 测试条件下，通流容量为 135kA 的 MOV 的寿命为 1000-2000 次，通流容量为 40kA 的 MOV 的寿命为 50 次，两者寿命相差几十倍（注：据笔者分析，被测试的 MOV 元件可能是由小通流容量的 MOV 组合型的产品，但测试结论也可以说明冲击通流容量较小的 SPD 在通过同样的雷电流的条件下其寿命远小于冲击通流容量大的 SPD ） ” 。这一点从“信息产业部通信产品防雷性能质量监督检验中心”对国内外上百种产品的检测也可以得出同样结论。由于配电室、电力室入口处的 SPD 要承受沿配电线路侵入的浪涌电流的主要能量，因此其 SPD 在满足入口界面处标称放电电流要求的前提下，可根据情况选择较大通流容量的 SPD 。有关冲击通流容量的选择问题请参考本文移动通信基站防雷器的要求。 
8 ）多级保护器之间的能量配合问题 
由于移动通信基站面积所限，移动通信基站 B 级保护器采用间隙型雷电电流保护器是不可能和 C 级保护器进行能量配合的（可能有配合的盲区的存在），当然有些国外公司在两极保护之间可能以串接电感组成退耦器以解决两级保护器之间的保护距离问题，但在电源回路中串接电感在中国电力行业的标准中是不允许的（同样可能存在两者配合盲区问题），而且纵使加了电感，也解决不了间隙型雷电电流保护器残压高达 4000V 的问题。 
另外作为移动通信基站开关电源内部 C 级保护器的通流容量已经是 40kA 的量级了，再在配电箱 B 级保护器安装的位置，安装一个 40kA 的 C 级保护器同样不能解决能量配合问题，为了解决这一问题，请参考下一章节移动通信基站防雷器的要求。 
4 移动通信基站防雷器的要求 
4.1 雷电过电压保护器 (SPD) 必须满足的要求 
（ 1 ）信息产业部标准 YD/T5098-2001<< 通信局 ( 站 ) 雷电过电压保护工程设计规范 >> 的 要求 ; 
（ 2 ）厂家所投标的产品必须提供信息产业部指定的防雷产品的检测单位 --- 信息产业部通信产品防雷性能质量监督检验中心 （原信息产业部邮电设计院通信产品防雷性能实验室）的检测 报告 ，另外检测报告有一个时效性问题，超过规定检测时间时效过长的报告是不能代表其被检 SPD 的性能指标能达到要求的，“检测中心”经常接到各个通运营商的电话或者寄来的复印的检测报告，许多检测报告被一些不法商人进行了修改，多数修改内容是技术指标和检测时间，一个检测报告可以被这些不法商人修改多次进行使用，更有甚至一些没有检测的商品，通过复印技术将其它已经检测的产品报告包装换上漂亮的外衣。这各个运营商在 SPD 选型时要特别注意的事情，一般可以在基本确定 SPD 产品时，通知该产品的供应商提供报告正本。 
（ 3 ）本附件中所列的各项性能指标要求，作为厂家投标和甲方对设备评估的 依据 : 
（ 4 ）雷电过电压保护器的各项技术指标 , 必须根据信息产业部对产品检测报告来判定 ,, 而且必须通过 SPD 最大通流量 / 每线 的 检测 。 
（ 5 ）不同厂家的产品，其残压的对比应根据测试报告中以 8/20 μ s 、 20kA 的测试数据为标准对比。 
（ 6 ） 将 C 级 40kA 模块型 SPD 进行并联组合成为 80KA 乃至 120kA 的模块 SPD 或防雷箱 是不能使用的， 从模块式 SPD 的防火原理决定了其内部的过流、过热保护机构不能并联使用；对模块式 SPD 并联后均流问题的分析 --- 没有可靠的配合技术，模块式 SPD 是不能并联使用；模块式 SPD 的创始者德国是明确反对并联使用的，模块并联组合非但不能明显提高通流量，反而造成危害。 
4.2 B 级 SPD 选择原则 （ 1 ）在移动通信基站，由于基站开关电源设备已经安装 C 级通流能力 40kA 的 SPD ，基站总配电箱或者总配电屏缺少多级保护中的 B 级 SPD 箱（由于基站基本上是无人值守，为了防止火灾，确保安全，应采用箱型 SPD ）保护，按照信息产业部标准 YD5098-2001 《通信局（站）雷电过电压保护工程设计规范》以及多级保护、逐级限压、将雷电过电压限制在设备的承受水平上，需要增加 B 级保护； 
（ 2 ）由于间隙型雷电电流保护器其残压太高 , 两级保护器之间的去耦距离要求大于 15 米（移动通信基站机房太小，难以满足去耦距离要求） , 动作时间较慢 , 有火花气体放出 , 不适合移动通信基站使用 , 因此在选择上不采用间隙型雷电电流保护器 , 应使用 氧化锌型限压型 SPD. 
（ 3 ）绝大多数通信局（站）内不配置交流稳压器，应考虑少量郊区或山区站供电不稳的情况（注： TT 系统供电当发生接地故障时， SPD 会发生燃烧事件，因此 B 级 SPD 一定要采用最大持续工作电压 Uc ≥ 320~380V ，安装方式最好采用 3+1 形式的 SPD ）； 
4.3 防雷保护器的技术要求 
按 YD5098-2001 要求，并综合技术经济因素，移动通信基站采用的 B 级 SPD 划分为城市型、郊区、山区型三个档次，采用不同保护水平的 SPD ： 
（ 1 ）城市型（闹市区、公共建筑物、专用机房、且雷暴日为中雷区的地区）： 
电源用 SPD 最大通流量 : L-G 或 L-N 、 N-G 必须同时通过标称放电电流≥ 25KA/ 每线、冲击通流容量≥ 60KA/ 每线， 8/20 μ s 波形的检测； 
最大持续工作相电压：不小于 320V （指交流电有效值），对应的氧化锌标称导电电压（压敏电压）为 510V 左右 , 残压在 1600V 左右 ( 在 20kA 、 8/20 μ s 波形的条件下 ) ；最大持续工作相电压 385V 的 SPD ，氧化锌标称导电电压（压敏电压）为 620V 左右 , 残压在 1600V 左右 ( 在 20kA 、 8/20 μ s 波形的条件下 ) ；（漏电流测试前后≤ 20 μ A ）。 
状态指示：具有模块损坏告警、开关掉电显示 , 最好采用 3+1 的保护模式。 
（ 2 ）郊区（城市中高层孤立建筑物的楼顶机房、城郊、居民房、水塘旁以及无专用配电变压器供电的基站，且雷暴日为多雷区的地区）： 
电源用 SPD 最大通流量 : L-G 或 L-N 、 N-G 必须同时通过标称放电电流≥ 35KA/ 每线、冲击通流容量≥ 80KA/ 每线、 8/20 μ s 波形的检测； 
最大持续工作相电压：不小于 385V （指交流电有效值），对应的氧化锌标称导电电压（压敏电压）为 620V 左右 , 残压小于 1600V( 在 20kA 、 8/20 μ s 波形的条件下 ) ；（漏电流测试前后≤ 20 μ A ）。 
状态指示：具有模块损坏告警、开关掉电显示 , 最好采用 3+1 的保护模式。 
（ 3 ）山区型（中雷区以上有架空电源线引入的机房、丘陵、公路旁、农民房、水田中、易遭受雷击的机房，且雷暴日为多雷区的地区） 
电源用 SPD 最大通流量 : L-G 或 L-N 、 N-G 必须同时通过标称放电电流≥ 40KA/ 每线、冲击通流容量≥ 100KA/ 每线、 8/20 μ s 波形的检测； 
最大持续工作相电压：不小于 385V （指交流电有效值），应的氧化锌标称导电电压（压敏电压）为 620V 左右 , 残压小于 1700V( 在 20kA 、 8/20 μ s 波形的条件下 ) ；（漏电流测试前后≤ 20 μ A ）。 
状态指示：具有模块损坏告警、开关掉电显示 , 最好采用 3+1 的保护模式。 
其余要求参见 YD5098-2001 。 
4.4 电源用 SPD 使用条件说明 
（ 1 ）用于移动通信基站、独立微波站（对应 YD5098-2001 中的“通信局（站））， 220/380V 三相交流供电系统； 
（ 2 ）安装位置：低压电力电缆引入设备机房后，在交流配电箱内、配电屏内或者配电箱附近； 
（ 3 ）基站一般没有采用 TN-C-S 供电方式（没有专用变压器供电），多数基站供电系统采用 TT 方式，由于该方式供电发生接地故障时可以带故障工作，其故障电压足以使 SPD 发生燃烧，因此在基站应采用 3+1 方式 SPD 、即相对中采用 MOV ，中对地采用放电管类的产品，请注意 PE 线和 N 相不能接反； 
（ 4 ）通信局（站）开关电源内已配置 C 级 40kA 限压型 SPD ；但不能保障其它用电设备如空调等设备的安全； 
（ 5 ）“城市型”用于市区内雷电防护环境较好的通信局（站），有专用配电变压器供电的基站；无专用配电变压器供电的基站应列入“郊区型或山区型”，设备机房处于 LPZ1 防雷区的情况。 
5 2Mb/S 接口保护器的技术要求 
从现场调查的情况看，当 GSM 和模块局共站或距离较近的情况下，局方一般采用 E1 线明线架空引入的方式，而没有采取相应的防护措施。在这种情况下，当强大的雷电流通过铁塔泄流时，会在铁塔周围空间产生强大的雷电电磁场，使处于雷电电磁场中的 E1 线上感应了较高的雷电过电压，造成 E1 线两端的接口板损坏。由发射机到 SDH 光电转换传输设备之间采用 2Mb/S 电缆进行连接，由于移动通信基站的收发信机直接于天馈线电气连接，馈线的接头直接接收发信信机的机壳上，当雷电从天馈线外导体入侵到设备外壳时，自然会在 2Mb/S 连接线本身产生一个高电位，造成与之连接的设备接口损坏。另外随着集中监控系统在移动通信基站中的广泛应用，监控系统因遭受雷击而损坏的事故时有发生。集中监控系统具有线缆类型多、接口类型多、线缆数量大等特点，其雷电损坏以近区磁场感应过电压和雷电侵入波为主，因此监控系统的防护应针对上述特点，从整体上加以考虑，才能起到良好的防雷效果。 
2Mb/S 系统的雷电防护措施可以归纳为以下两个方面：其一、 DDF 良好接地；其二、 2Mb/S 缆线两端根据缆线长度确定加装一个或者两个 SPD 。 
监控系统的雷电防护措施可以归纳为以下三个方面：其一、抑制或衰减雷电浪涌的耦合途径，主要措施包括屏蔽、合理布线、等电位连接和接地等；其二、提高监控设备本身的浪涌耐受能力，主要包括合理设计内部电路；其三、在 2Mb/S 一端加装 DDF 处加装电涌保护器。对于其保护器的技术要求如下： 
1 ） 2Mb/S 接口保护器 SPD 的保护水平应满足通信设备接口的需要，箝位电压应小于 150V （ 8/20 μ S 、 5kA ），对雷电响应时间应在纳秒（ ns ）级。 
2 ） 2Mb/S 接口保护器 SPD 应满足信号传输速率及带宽的需要，最大传输速率应为 10Mb/S 。 
3 ） 2Mb/S 接口保护器 SPD 接口应与被保护设备兼容（即无须转换接口，如 L9 、 BNC 、 N 、 SMA 等直接与 SDH 或监控设备接口相连）。 
4 ） 2Mb/S 接口保护器 SPD 的插入损耗应满足通信系统的要求，插入损耗≤ 0 .2dB 。 
5 ） 2Mb/S 接口保护器 SPD 的标称放电电流应 3 3kA ，最大通流容量应 3 10kA 。 
6 结束语 
虽然移动通信基站电源系统的雷电过电压保护是防雷要素中极为重要的因素之一，但由于移动通信基站如何减少雷害确是一个整体的、全面的防雷问题，因此只有将移动通信基站的防雷问题从各个方面加以解决，即从联合接地均压等电位的理论、避雷针的保护半径、浪涌电流就近疏导分流、站内线缆的屏蔽接地和通信电源及信号线的雷电过电压多级保护的原则、正确的选择雷电过电压保护器件和防雷方案（根据年雷暴日、海拔高度、环境因素去选择和考虑），移动通信基站进行整体的、综合的雷电防护，才能有效的减少雷害。 
参考文献： 
1 刘吉克、詹乐《移动通信基站接地问题的考虑》邮电设计技术 2002.6 雷电与静电专刊 
2 刘吉克《移动通信基站的防雷与接地》邮电设计技术 2000.5 
3 林中达、史俊伟《福建通信局（站）雷击 SPD 损坏问题的分析》邮电设计技术、雷电与静电专刊 2002年6月28日

luosunshine 发表于 2009-3-19 12:55:00

大家好好看看这个，实际选择SPD时还是很有帮助的！

lijinfeng12 发表于 2009-4-2 23:13:00

好学习了

guokaifeng 发表于 2009-4-19 22:52:00

学习了，好东西

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