什么是过电压?通信电源系统过电压保护的基本原则_过电压保护器件及方法

过电压指峰值大于正常运行下最大稳态电压的相应峰值的任何电压。在工程上，它指一切可能对设备造成损害的危险电压。因此在工程中，一些虽然大于设备正常运行电压峰值但不足以危及设备正常工作的过电压被排除在外。过电压包括：
（1）瞬态过电压，持续时间为毫秒级或更短，是避雷器的主要防护对象。
（2）暂态过电压或短时过电压，持续时间相对较长，一般介于0.1s和1s之间。
瞬态过电压的来源主要有：雷击、开关操作、静电放电和核爆炸。在通信局站，主要是雷电过电压或雷击过电压。
暂态过电压主要有：转移过电压、断零过电压、断线谐振过电压和中性线漂移形成的过电压。此外，空载线路的电容效应、不对称接地故障和突然甩负荷也可能产生危险的过电压。
1．通信电源系统过电压保护的基本原则
通信电源系统过电压保护有两条基本原则：一是系统防护原则，二是概率防护原则。
（1）系统防护原则
之所以有系统防护原则，是因为：
1）危险过电压，特别是雷电过电压的耦合机制多种多样，无孔不入；
2）因供电、数据与信息传输等业务需要，通信设备间存在着广泛的电连接。
系统防护原则包括以下内容：
1）既要考虑到瞬态过电压的保护，也要考虑到暂态过电压的耐受与防护；
2）既要考虑到各种过电压的保护，也要考虑到电磁脉冲的防护；
3）考虑到每个端口的保护；
4）将电涌保护器和被保护电路作为一个整体看待，进行良好的配合与协调；
5）过电压保护措施，必须符合相关标准和规范的要求；
6）过电压保护措施的加入，不能影响其他通信设备间的正常运行和互联互通；
7）提出合理的机房环境要求；
8）提出合理的安装与维护要求。
（2）概率防护原则
之所以有概率防护原则，是因为：
1）雷电的形成和发生有一定的随机性和不确定性，雷电参数的取值也有一定的统计性质；
2）防雷装置不能阻止雷电的形成；
3）由于技术的限制，防雷装置不能完全消除或阻止所有过电压，设备的过电压耐受能力也是有限的。
根据概率防护原则，需要做到：
1）对设备进行多种波形、幅值的模拟冲击测试；
2）对被保护设备提出过电压耐受指标；
3）设备的冲击通流容量的指标应明显高于国内外标准的要求。
2．过电压保护的方法
（1）过电压保护基本方法
为了防止过电压威胁到设备的正常运行和安全，首先可以减少或阻止过电压能量到达设备，这样的方法包括：
1）衰减或转移能量，如采用屏蔽、滤波、加装电涌保护器（SPD）等措施。
2）断开危险线路，如采用熔断器、短路器等。这一方法要在条件允许时才可以实施。
3）电气隔离，如采用隔离变压器、光耦等。
其次，由于过电压本身的不确定性和技术实现上的困难，不可能将过电压能量完全消除或阻止，这时需要增强设备抵抗剩余能量威胁的方法。这些方法有：提高设备的工作电压范围、提高设备的绝缘强度以及设计和实施完善的等电位连接与接地网络等。
（2）多级保护
通信电源系统应采用分级保护，逐级限压，将雷电过电压限制在设备的承受水平上。
（3）端口的保护
1）外壳端口的保护
对外壳端口实施的保护措施主要是屏蔽，应满足EMC测试中对辐射（屏蔽）的要求。
2）交流电源端口的保护
A．通流容量（8/20ms波形）：对于通信电源设备，应不低于20kA×10次及40kA×1次；对于通信局（站）低压配电系统，应依据YD/T5098-2005《通信局（站）防雷与接地工程设计规范》的有关规定，根据通信局（站）的类型、年雷暴日多少和地理环境等具体情况确定。
B．最大持续工作电压：应能使通信电源设备的耐受特性满足IEC61643-1和UL1449的要求，根据YD/T5098-2005《通信局（站）防雷与接地工程设计规范》的有关规定，国内低压配电系统的交流电源防雷器的最大持续工作电压应取385V。
C．应具备遥信告警功能，提供遥信告警接口，这对无人值守站尤其重要。
D．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实验基础上加以确定，对熔断器或断路器的材料质量也有严格要求。
E．第一级SPD应紧靠机房接地排安装。
3）直流电源端口的保护
A．通流容量（8/20ms波形）：对于通信电源设备的直流端口，SPD的最大通流容量应不低于15kA。
B．最大持续工作电压：一般不低于75V。
C．应具备遥信告警功能，提供遥信告警接口，这对无人值守站尤其重要。
D．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实验基础上加以确定，对熔断器或断路器的材料质量也有严格要求。
4）控制信号端口的保护
A．通流容量（8/20pLS波形）：结合现场情况，根据通信局（站）的类型、年雷暴日多少和地理环境，以及控制信号线的长度、布线方式与保护级别等因素，依据YD/T5098-2005《通信局（站）防雷与接地工程设计规范》的有关规定加以确定，其中标称放电电流一般不低于3kA。
B．最大持续工作电压：一般不低于控制信号电平峰值的1.2倍。
C．应不影响控制信号的传输质量，传输速率和带宽满足设备接口要求，插入损耗一般低于0.2dB。
3．过电压保护器件
过电压保护器又叫电涌保护器（SurgeProtectiveDevices，SPD），是用于各类通信系统对各种雷电电流、操作过电压等进行保护的器件。它由气体放电管、放电间隙、MOV（氧化物压敏电阻）、SAD（半导体放电管）、齐纳二极管、滤波器、保险丝等元件组成。
SPD通常分为以下三类：
1）开关型SPD，如火花间隙、雷击电流放电器、气体放电管等。它是安装在通信局（站）建筑物外（一般用在LPZOB～LPZ1区）用于电源系统的SPD，可最大限度地消除电网后续电流，疏导10/350ms的模拟雷电冲击电流。
2）限压型SPD，如氧化物压敏电阻（MOV）、瞬变抑制二极管、半导体放电管（SAD）等。它是安装在防雷区建筑物内（一般用在LPZ1区和LPZ2区至LPZn区）的SPD，可疏导8/20ms的模拟雷电冲击电流。
3）混合型SPD，一般由氧化物压敏电阻（MOV）与滤波器、半导体放电管（SAD）与MOV等电路组成。
在通信电源系统中，常用的SPD是开关型的火花间隙或雷击电流放电器以及限压型的压敏电阻，二者在性能上有以下优缺点：
火花间隙或雷击电流放电器主要具有冲击通流容量大和导通后两端电压很低的优点，但它也存在需要遮断续流、无法遥信、无法劣化指示等问题。所以严格来说，火花间隙或雷击电流放电器只有接在运行质量稳定的TT供电系统的中线对地线间才是本质安全的。
压敏电阻可实现遥信告警和劣化指示功能，而且其伏安特性是连续和递增的，因此不存在续流遮断问题，但泄流能力相对较弱。
依照YD/T5098-2005《通信局（站）防雷与接地工程设计规范》中的相关规定，过电压保护器的选择应满足以下要求。
（1）SPD选择的一般要求
能承受一定浪涌能量、可靠抑制瞬间过压、残压小于设备安全电压、时间响应快、元件具有高可靠性和稳定性、反复冲击不损坏、具有遥信和监控功能等。
（2）电源用SPD
1）工程选用限压型SPD时，必须考虑通信局（站）供电电源的不稳定等因素，对SPD的标称导通电压、标称放电电流、冲击通流容量、限制电压、残压等参数，根据工程的具体情况进行选择。
2）通信局（站）采用的电源用模块式SPD，应具有以下功能：
A．SPD模块损坏告警；
B．遥信；
C．SPD模块替换；
D．热容和过流保护。
3）通信局（站）采用的电源用箱式SPD，应根据通信局（站）的具体情况；具有以下功能：
A．SPD劣化指标；
B．SPD损坏告警；
C．热容和过流保护；
D．跳闸告警；
E．遥信；
F．雷电记数。
第D、F项功能可根据需要进行选择。
4）混合型SPD-般有两种形式：
A．MOV与滤波器组成的混合型SPD，RFI滤波器可对150kHz～20MHz的雷电波进行滤波，该类SPD在标称放电电流为40kA时其残压应小于1000V。
B．半导体放电管（SAD）与MOV组成的混合型SPD，在一般雷电过电压的保护时，标称放电电流可达10～20kA，若遇到较大量级的雷电过电压，第一级由SAD组成的电路保险管应自动断开，由第二级MOV作为雷电过电压保护，MOV能承受冲击通流能量宜大于100kA。
5）开关型SPD应具有高能泄放、残压在2000～4000V范围内、响应时间小于100ns等特点。
（3）信号线用SPD
1）信号线用SPD的启动电压应满足通信设备接口的需要，对雷电响应时间应在纳秒（ns）级。
2）总配线架的保安单元应符合YD/T694-2000《总配线架技术要求和实验方法》的规定。
3）信号线用SPD应满足信号传输速率及带宽的需要，其接口应与被保护设备兼容。
4）信号线用SPD的插入损耗应满足通信系统的要求。
5）信号线用SPD的标称放电电流应大于或等于3kA。
（4）馈线用同轴型SPD
1）同轴型SPD插入损耗应小于等于0.2dB，驻波比小于等于1.2，同轴型SPD最大输入功率能满足发射机最大输出功率的要求，安装与接地方便，具有不同的接头，同轴型SPD与同轴电缆接口应具备防水功能。
2）同轴型SPD的标称放电电流应大于等于5kA。
（5）计算机、控制终端、监控系统的网络数据线用SPD
1）计算机接口、控制终端、监控系统的网络数据线SPD应满足各类接口设备传输速率的要求，SPD接口的线位、线排、线序应与被保护设备接口兼容，设计时在满足设备传输速率条件下，应采用由半导体放电管组成的SPD。
2）计算机接口、控制终端、监控系统的网络数据线用SPD的标称放电电流应大于等于3kA，若采用SAD器件组成的SPD标称放电电流应大于等于300A。