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通信局（站）供电系统防雷中的若干问题通信局（站）供电系统防雷中的若干问题 [摘要] 根据通信行业标准、国家标准和国际电工委员会标准，结合工程环境和应用经验，简要论述了当前存在于通信供电系统雷电过电压保护中的一些突出问题。 [关键词] 通信供电系统、防雷、接地、电涌保护器、端口、标准 1、通信供电系统防雷的意义根据国际电信联盟（ITU）提供的统计数据，我国是世界上年雷暴日最多的国家之一，雷害事故也甚为频繁。我国有关通信防雷机构在长期探索中，结合ITU-T和国际电工委员会（IEC）的相关标准及文件，提出了很好的有中国特色的通信防雷保护设计方法，有效降低了雷击概率和损失。但是，随着通信设备的集成度越来越高（过电压耐受水平大大降低了），以及通信局（站）的环境条件越来越差，在通信防雷方面出现了许多新的挑战，使得这一课题还有待进一步深入研究，防雷解决方案也需要从“粗放型”向“集约型”转变。这之中，以通信供电系统的雷电过电压保护问题尤为突出。通信供电系统是由低压交流配电设备、市电－油机自动转换设备、稳压器、调压器、UPS、通信开关电源，直流配电设备、逆变器等设备组成，因其所处工作环境的特殊性，容易遭到雷电、电涌或其它过电压的损害。根据信息产业部邮电设计院（现中讯邮电咨询设计院）对全国十几个省市通信局（站）遭雷击情况的调查统计数据，雷击造成通信设备损坏事故的75%左右是因雷电过电压侵入通信供电系统引起的。因此，对通信供电系统进行切实有效的雷电过电压保护就显得十分必要。其次，作为通信系统的“心脏”，通信供电系统的损坏将对其它通信设备的正常运行构成威胁，若得不到及时有效的维护，很容易引发二次事故，这在目前普遍采用的集中供电方式的通信局（站）或无人值守站中尤为突出。显然，供电中断是这些二次事故最常见的表现形式，它的直接后果就是造成通信中断甚至传输中断，这些都是不可接受的。因此，如何才能做好通信供电系统的雷电过电压保护，一直是广大运营商、设备制造商和电信设计与施工单位颇为关心的问题之一，它也成为近年来国内通信防护研究的重点。 2、通信供电系统中雷电过电压的计算理论分析和实践经验都表明，在整个通信网络中，以通信供电系统中出现的雷电过电压最为严酷，它的来源主要有两种：雷击过电压和雷电感应过电压。 2.1 雷击过电压当通信局（站）的建筑物遭到直接雷击时，依据IEC 61312系列标准提供的雷击电流分配模型进行计算，可以得到流入每根供电线的雷电流峰值，如表1所示。表1 雷击通信局（站）时流入每根供电线的近似雷电流峰值（kA）防雷类别 Ⅰ Ⅱ Ⅲ-Ⅳ 全部雷电流（kA） 200 150 100 流入每根供电线的近似雷电流(kA) 单相供电 ≤50 ≤37.5 ≤25 三相供电 ≤25 ≤18.8 ≤12.5 2.2 低压架空线上的雷电感应过电压 IEC TC37技术委员会给出的近似计算公式为：式中：感应过电压，kV；雷电通道回击速度系数，1～1.3 架空线离地高度，m 通信局（站）与落雷点的距离，m 雷电流峰值，kA 3、限压型SPD与电压开关型SPD SPD是电涌保护器（Surge Protective Device）的简写，它是通过抑制瞬态过电压以及旁路电涌电流来保护设备的一种装置，须包含至少一个非线性元件。SPD常被分为三大类：限压型SPD、电压开关型SPD和组合型SPD。 SPD的动作特性有两种，一种被称作限压型，其特征是：在无电涌时呈高阻态，但随着电涌的增大，其阻抗不断降低。具有限压特性的SPD包括：①完全由限压型元器件，如压敏电阻（MOV）、瞬变抑制管（TVS）等构成的限压型SPD；②具有限压特性的组合型SPD。 SPD动作特性的另外一种是电压开关型，其特征是：在无电涌时呈高阻态，但对电涌响应时，其阻抗突变为低阻值。具有电压开关特性的SPD包括：①完全由电压开关型元器件，如气体放电管（GDT）、火花间隙、雷击电流放电器、晶闸管（TSS）等构成的电压开关型SPD；②具有电压开关特性的组合型SPD。在通信供电系统中，常用的SPD是限压型的压敏电阻，开关型的火花间隙或雷击电流放电器也有少量使用。近年来围绕SPD的选用问题，主要是在压敏电阻和雷击电流放电器的选取问题上一直存在争议。其实，压敏电阻和雷击电流放电器在性能、功能和适用环境等方面都各有特点。雷击电流放电器的突出优点是：①冲击通流容量大，如可承受幅值较高的10/350μs电流波形的冲击；②导通后两端电压很低（注意：根据　IEC 61643-1的有关规定，开关型SPD的残压或电压保护水平并不低）。但是，雷击电流放电器也存在一些固有缺陷：①存在续流遮断问题，实际应用表明比较容易失火；②动作时di/dt及du/dt值都很大，这对半导体元器件的影响特别明显；③无法劣化指示；④无法实现故障遥信功能（目前可以实现的仅限于其辅助电路的工作状态，并且是通过LED来显示）。雷击电流放电器的续流问题限制了它在相线间及相线对中线间的应用，严格来讲，雷击电流放电器只有接在运行质量稳定可靠的TT供电系统的中线对地线间才是本质安全的，这一点在通信行业标准YD/T 1235.1-2002和YD/T 1235.2-2002中均有明确规定。此外，雷击电流放电器目前还无法实现故障遥信功能，这使得它在无人值守站中难以得到有效应用。与电压开关特性SPD不同的是，压敏电阻的伏安特性是连续和递增的，因此它不存在续流遮断问题，其di/dt及du/dt值也小得多，此外基于压敏电阻的SPD一般都可以实现劣化指示和故障遥信告警功能。压敏电阻的美中不足是其泄流本领相对较弱，但是通过采用并联、均流技术也可使其冲击通流容量达到100kA以上的水平，从而可以完全满足行业标准和通信局（站）实际情况的需要。 4、通信能源设备各主要端口的保护要求过电压可经设备的任一、几个或全部端口进行耦合，并造成设备损坏。这些端口包括：外壳端口（enclosure port）、交流电源端口（AC power port）、直流电源端口（DC power port）、控制信号端口（control/signal port）和接地端口（earth port）。值得注意的是，接地端口在分析和解决问题时往往被有意或无意地忽略。 4.1 外壳端口的保护在外壳端口实施的保护措施，主要是屏蔽。考虑到通信能源设备在我国使用前都需通过第三方机构的EMC测试，其中已包含对辐射（屏蔽）的要求；以及依据IEC 61312-1对防雷区划分的规定，通信能源设备内被保护电路一般属于LPZ 2或电磁环境参数更弱的后续防雷区；基本可以认为现有品质优良的通信能源设备在提供外壳端口保护方面已是合理有效的。笔者曾对遭过雷击的通信开关电源中被损坏的元器件进行过统计分析，结果表明绝大多数损坏器件都明显同I/O部分有电气连接，并从未发现存在I/O附近元器件完好而远离I/O处元器件却损坏的情况，这些实际情况与上述分析是相吻合的。有关磁场强度的衰减的计算方法，需视具体情况而定，详细规定请见国标《建筑物防雷设计规范》GB 50057-94(2000年版)中第6.3.2条。 4.2 交流电源端口的保护 ①通流容量（波形）：对于通信能源设备而言，应不低于20kA×10次及40kA×1次，并通过信息产业部通信产品防雷质检中心的在线测试；对于通信局（站）低压配电系统而言，应依照YD/T 5098-2001的有关规定，视通信局（站）的类型、年雷暴日多少和地理环境等具体情况而定，但不应低于60kA。根据艾默生网络能源有限公司（原华为电气）多年的、大量的使用经验，在通信局（站）供电系统入户处安装通流容量为100kA左右的SPD是比较安全、可靠、经济、合理的。 ②最大持续工作电压：应能使通信能源设备的TOV耐受特性满足IEC 61643-1和UL 1449的要求，除在供电质量较好的城市内可以取为275V外，在其它地区均应取到320V乃至更高。当然，最大持续工作电压的取值增大后，SPD的电压保护水平一般也将随之升高，对这一问题，需依据系统防护原则进行分析解决。 ③应具备遥信告警功能，提供遥信告警接口，这一点对于那些环境苛刻但又无人值守的局站，如移动基站、接入网点等来说尤其重要。 ④使用的SPD应有安全、有效和可靠的失效保护措施，对熔断器或断路器的额定电流、分断特性和动作特性等要求均应在大量试验基础上加以确定，对熔断器或断路器的来料质量也应有严格要求。 ⑤对SPD特别是第一级SPD的安装方式应引起充分重视。笔者曾到过许多省市的电信、移动和联通机房现场，发现普遍存在SPD接地线过长的问题，一般都在3米以上，有些甚至超过了10米，引发不少SPD完好但设备却损坏的“奇怪”现象。接地线越长，其电感量（常用铜导线的电感值约1～1.6μH/m）将越大，雷电流因其陡度di/dt作用而产生的压降也就越大，一般都在数kV以上。在这种情况下，施加到设备的残压并不只是SPD的残压，还包括在接地线上的压降，因此要努力缩短接地线的长度。使SPD紧靠机房总接地排安装，是解决这一问题的最好办法。 4.3直流电源端口的保护因现行电信设备入网规定对此没有明确要求，直流电源端口的保护问题常被不少设备厂家忽略。但是，直流侧雷击事故时有发生，并且因目前普遍采用集中供电方式，其后果往往是灾难性的，极易造成通信瘫痪。对直流电源端口的保护要求主要有： ①通流容量（波形）：对于通信能源设备而言，应不低于5kA×10次及10kA×1次；对于通信局（站）内直流配电系统而言，依照YD/T 5098-2001的有关规定，应不低于15kA×1次。 ②最大持续工作电压：一般应不低于75V。 ③应具备遥信告警功能，提供遥信告警接口，这一点对于那些环境苛刻但又无人值守的局站，如移动基站、接入网点等来说尤其重要。 ④使用的SPD应有安全、有效和可靠的失效保护措施，对熔断器或断路器的额定电流、分断特性和动作特性等要求均应在大量试验基础上加以确定，对熔断器或断路器的来料质量也应有严格要求。 4.4 控制信号端口的保护 ①通流容量（波形）：需结合现场情况，根据通信局（站）的类型、年雷暴日多少与地理环境，以及控制信号线的长度、布线方式与保护级别等因素，依照YD/T 5098-2001的有关规定加以确定，其中标称放电电流应不低于3kA。 ②最大持续工作电压：一般应不低于控制信号电平峰值的1.2倍。 ③应不影响到控制信号的传输质量，传输速率和带宽满足设备接口要求，插入损耗一般应低于0.2dB。 ④控制信号用SPD的失效指示和遥信告警功能，有待进一步研究解决。 5、接地问题出于对现行规范的理解、认识和执行的不统一，或受到通信局（站）环境条件的限制，或屈从于通信局（站）内一些通信设备厂家的不合理要求，或按过去建立在模拟通信基础上的观点来处理当今数字通信系统的接地问题等原因，目前在通信局（站）的工程设计或施工中仍存在一些接地不当问题，需要及时加以解决。首先是通信设备的接地问题，需要厂家将诸多接地，如保护接地、SPD的接地、直流电源的接地和低压配电系统的接地等等，进行综合考虑，并保证待接入的等电位连接网络无论是网状IBN系统还是网状BN系统，都不会发生设备及系统工作异常变化的情况，系统EMC性能的改变也应在允许范围之内。其次是关于接地基准点的选择问题。接地基准点是指信息设备或系统的等电位连接网络与共用接地系统之间唯一的一点连接点。实际上，接地基准点并不是一个点，而必然有足够的大小，以适应等电位连接导体的连接。选择接地基准点的目的是保障设备及系统的正常运行，这也是判断接地基准点选择恰当与否的标志。从防雷保护角度看，接地基准点越靠近设备越好，因为在这种情况下用于连接设备和接地基准点的等电位连接导体的长度可以做到最短，从而能保证在雷电流通过时等电位连接导体两端的电压降最低。另外，接地电阻问题也是大家比较关心的。根据YD5068-98《移动通信基站防雷与接地设计规范》的要求，基站的接地电阻值应小于5欧姆。但是，依据接地电阻的估算公式（ρ为土壤电阻率，S为接地网面积）可知，许多建在山上的基站因所处地理环境特殊，多为岩石或多石土壤，土质很差、大地电阻率极高，实际上很难做到规范所要求的这一接地电阻值。那么，接地电阻值的大小究竟会有什么影响呢？大量实践表明，移动通信基站的接地电阻值是从几欧姆到几十欧姆不等。对于正在运行的基站设备，接地电阻值的大小对其技术参数以及信号传输质量没有任何影响。即接地电阻值是大还是小，都不会影响到基站设备的正常工作。从防雷保护角度上讲，接地电阻值是越小越好。这主要是因为接地系统流过雷电流时会使地电位升高，从而产生危险的接触电压和跨步电压。但是，同低的接地电阻值相比，正确的等电位连接措施显得更为重要。通过采用均衡大地电位、实施共用接地以及改进接地线敷设方式等方法，可以保证在雷击时基站内各处电位基本同样上升，这样基站设备内部或基站设备间就没有危险的电位差出现，从而可以确保基站设备的安全。因此，对基站的接地电阻值的要求不必过于严格，应在力所能及、经济合理的前提下尽可能地做小。虽然对接地电阻值的大小要求可以降低，但是测量和定期复测接地电阻值仍是必要的，以确定接地系统是否完整及其变化情况。 6、标准和规范问题 6.1 相关基础标准简介通信防雷与接地标准的来源主要有：国内规范如国家标准GB和通信行业规范YD，国际电信联盟的ITU-T K系列建议，以及IEC系列标准。常用国内规范包括：GB 50057-94（2000年版）《建筑物防雷设计规范》，GB/T 17949.1-2000《接地系统的土壤电阻率、接地阻抗和地面电位测量导则　第1部分　常规测量》，主要规定SPD选用的YD/T 5098-2001《通信局（站）雷电过电压保护工程设计规范》，接地设计方面的基础规范YDJ 26-89《通信局（站）接地设计暂行技术规定（综合楼部分）》，YD 2011-93《微波站防雷与接地设计规范》，以及YD 5068-98《移动通信基站防雷与接地设计规范》。 ITU-T K系列建议主要是：K.11《过电压和过电流防护的原则》，K.20《电信交换设备耐过电压和过电流的能力》，K.27《电信大楼内的联接结构和接地》，K.36《保护装置的选择》，K.39《电信场所的雷击危害性评估》，K.40《电信中心的雷电电磁脉冲防护》和K.41《电信中心的内部接口耐浪涌过电压的能力》。 IEC系列标准主要是：有关低压系统内设备绝缘配合的IEC 60664系列，有关电气安全的IEC 60364系列，有关建筑物防雷的IEC 61024系列，有关雷电电磁脉冲防护的IEC 61312系列，有关雷击危害性评估的IEC 61662，有关SPD及其元件（GDT，ABD，TSS和MOV）的IEC 61643系列。 6.2 电源用SPD的标准问题现有的有关低压系统用电涌保护器（以下简称SPD）的标准大致可以分为三类：一类是面向实际应用，依据通信系统的需要而对SPD提出相关要求，规定SPD选用原则，这类标准以YD/T 5098-2001《通信局（站）雷电过电压保护工程设计规范》为代表。另一类则是面向SPD本身，与电工元件基础标准相似，这类标准以IEC 61643-11“Surge protective devices connected to low-voltage distribution systems—Part 1: Performance requirements and testing methods”为代表。还有一类是纯粹关心SPD的安全性问题，而对SPD的防雷或电涌抑制性能几乎不做评定，这类标准以UL1449“Standard for transient voltage surge suppressors, 2nd edition”为代表。UL是美国保险商实验室Underwriters Laboratories Inc.的缩写。凡是可能危及人身安全的电气电子产品，在北美地区使用前都必须通过UL认证。就约束力来说，UL认证类似于我国的CCC认证，但不同的是，UL在世界其它一些国家也有较大影响力。UL认证主要关心产品是否存在或能否引发安全问题，而对性能和质量的要求一般较低或不完整。因此，一个通过了UL认证的产品并不一定就是好的、能满足实际使用要求的产品。作为安全认证标准的UL 1449，与规定技术要求和测试方法的其它标准如IEC 61643-1等有着质的不同。由于上述三类标准都是从某一角度来规定SPD的技术条件，难免有其局限性或相互矛盾之处。在这种情况下，盲目照搬某一标准特别是国际标准是很不恰当的，这也为实践所证明。大家知道，IEC 61643-11基本上是由一些发达国家特别是以少数欧洲国家为主起草的。笔者曾对这些欧美发达国家的各种典型通信局（站）进行过现场调研，发现其供电系统的运行质量、既有的防雷及电涌保护措施、通信系统的接地情况等等，同我国现实情况有明显的不同。此外，就是在国内，通信局（站）的实际条件也千差万别，并处于不断变化之中，例如在供电和对SPD功能要求等方面，接入网点或移动基站就同交换局有很大区别。目前应用在国内通信局（站）低压系统（含各种电源设备）中的电涌保护器数量巨大、种类繁多，有国内外上百种产品，迫切需要一个统一的技术条件和测试方法来进行质量检验和评定，以防止以假乱真、以次充好和花钱买事故等不合理现象的再次发生。为此，信息产业部在2002年11月发布了YD/T 1235.1-2002和YD/T 1235.2-2002两项供电系统用电涌保护器规范。同IEC及IEEE相关标准相比，这两项标准结合我国通信局（站）的防雷特点和国内外各种SPD产品的应用经验，重点突出了防雷及电涌保护的安全性和可靠性，可操作性和实用性也明显加强，解决了IEC相关标准中部分试验难以实施的困难，在技术上很有独到之处，为电涌保护器的设计、生产、检验、选择和应用提供了技术依据。参考文献： 1. IEC 61312-1，雷电电磁脉冲的防护第1部分通则 2. 何亨文，通信能源系统的过电压保护，《邮电设计技术》2002增刊（雷电与静电专辑） 3. YD/T 5098-2001，通信局（站）雷电过电压保护工程设计规范 4. 何亨文，移动基站电源的接地与等电位连接问题，《邮电设计技术》2002.5（总第315期） 5. YD/T 1235.1-2002，通信局（站）低压配电系统用电涌保护器技术要求 6. YD/T 1235.2-2002，通信局（站）低压配电系统用电涌保护器测试方法