开关电源监控系统的防雷措施

2019-02-21吴向阳赵广超马向东

通信电源技术 2019年1期

吴向阳，郭明，赵广超，马向东

（河南洛阳电子装备试验中心，河南洛阳 471000）

0 引言

通信设备中广泛应用了微电子技术、智能设备和计算机技术等，致使其过电压、过电流防范措施要求越来越高，防雷保护也越来越重要。通信数据线路上雷电、强电、静电以及操作引起的瞬间过压造成的危害时常发生，必须采取适当的保护措施，避免因过电压产生过电流对通信设备、传输线路等造成危害[1]。通信机房及铁塔安装了避雷针、避雷带或避雷网，采取联合接地的方式，具备了良好的防雷和抗外界电磁干扰的性能。但是，通信设备有时还会遭受过压、过流而损坏，还会威胁操作维护人员的人身安全。文章论述了雷电的产生和它的破坏作用，提出了电源监控系统的防雷措施。

1 雷电产生及危害

1.1 雷电的产生

雷电形成需要多种复杂的条件，如地面湿度很大的气体受热上升，与冷空气相遇形成积云，并在运动中集聚了大量电荷等[2]。当不同电荷的积云靠近时，或者带电积云对大地因静电感应而产生异性电荷时，宇宙间将发生巨大的电脉冲放电而产生雷电。

1.2 雷电的种类及危害

（1）直击雷。它是带电的云层与大地上某一点之间迅猛的放电，峰值有几十千伏，乃至几十万伏。

（2）雷电感应，或称“二次雷”。虽然它的危害没有直击雷大，但它发生的概率也很高。直击雷可以在很大区域的多个小范围内同时发生雷电感应，可以通过电力线、电话线、网络线等金属导线传输到室内，进一步扩大灾害。直击雷放电电流瞬间高达几百千安，其瞬间产生巨大的能量可导致电力停电和通信中断，甚至危及人身安全。直击雷虽然危害性很大，但因室内设备或系统遭受直击雷击的概率和范围较小，故直击雷危害室内安全的概率很小，危害更大的是直击雷导致的雷电感应。

雷电感应通常有两种表现形式[3]。第一种，静电感应。在室外电力线上空出现带电云层时，由于静电感应，电力上会聚集大量正电荷。一旦云层发生放电，负电荷便会迅速释放，此时导线上的大量正电荷依然存在，沿着导体流动寻找释放通道，并以雷电波的形式沿着导线经设备入地而损坏设备。第二种，电磁感应。雷云由于它的频率高、强度大，迅速变化的雷电流在其周围产生强大的瞬变电磁场。放电时，附近导体上会产生感生电动势，从而产生的感应电压可能击穿与导体相连的设备。

通信设备因雷击造成的故障，大部分是由于雷电电磁脉冲波从户外传输线路侵入而造成的，如雷电直击电力线路、传输线路，或者在距离电力线路、传输线路一定距离处有雷电闪击。

通信设备的感应雷入侵途径如下[4]：

（1）雷雨天气时，接地电阻上引起暂态电压降；

（2）雷电击中建筑物外部，在建筑物内部感应出过电压；

（3）雷电击中远处电源架空线缆引起过电压；

（4）雷电击中远处地面，地下通信电缆地电位上升或感应引起过电压。

2 电源监控系统的防雷措施

2.1 电源监控系统的结构

电源监控线路分为电源线和信号线。系统采用机房和监控主机分开，即中心机房和通信局（站）分别位于不同地域。

系统采用逐级汇接、自上而下的结构[5]，包括监控中心（Supervision Center，SC）、监控站（Supervision Station，SS）、监控单元（Supervision Unit，SU）和监控模块（Supervision Module，SM）。系统组网方式如图1所示。

图1 电源监控系统组网方式

2.2 电源监控系统的防雷保护措施

（1）机房之间的信号线防雷。在机房之间的信号线、辅助电源线均应在入口处配置相应的浪涌保护器件（SPD），并可靠接地。在各个机房的入口处设置防雷箱，箱内安装1个RS-485防雷器和1个辅助电源防雷器，并根据智能设备数量安装RS-232防雷器，同时使防雷箱与防雷地连接。

（2）交流市电采样防雷。监控系统需采集低压配电盘交流市电的电量。交流供电线路除容易受感应雷击外，还易受操作过电压影响，因此须在交流变送器前加一个SPD。低压室的信号线在进入监控主机所在机房时也应设置SPD。

（3）三相交流电源采样端防雷。三相交流电压采用多功能交流变送器采样，为保护多功能变送器和监控设备，必须在多功能交流变送器的入端加装三相电源防雷器，在多功能交流变送器的输出端加装适用于RS-485接口的信号防雷器。

（4）智能设备防雷。智能设备一般由RS-232通信接口与监控主机的多串口卡相连接。在监控设备的通信接口两端，加装一个适用于RS-232的信号防雷器。

（5）RS-485防雷。从监控主机起，RS-485总线每超过20 m配置一个防雷器，并将其靠近接地端子安装，使接地线长度小于1 m，接地线可用2.5 mm2的黄绿线。

整个通信机房中建有地网，机房大楼的主钢筋与顶层的闪接器连通，下端与地网连接，建筑物中的各种金属管线实施均压等电位连接，对具有特殊要求的各种不同的地线进行等电位处理，形成一个法拉第笼式接地系统[6]。经过测试，接地电阻小于1 Ω，完全符合避雷标准。但是，每次雷击时室内计算机监控系统仍然会受到侵害。究其原因，在于弱电系统处于室内，其受到的雷电干扰显然不是直击雷而是感应雷造成的，其由于地网电压瞬间升高而导致雷电压反击。一般情况下，最容易引入雷电的是电源系统，因为它的内阻极低，而电源系统又承担对各种通信设备供电的工作，通信机房的电源监控系统的信号线和电源线路分布在一起，因此形成了二次雷电感应，从而导致弱电设备受损。

针对上述问题提出以下解决方案。

（1）电源线防雷。根据电源防雷的三级防护原则，在电源线路原有浪涌拟制器的基础上增加电源防雷器，防止雷电通过电源线路对计算机造成破坏。

（2）信号线防雷。机房监控部分采用信号线连接，信号线防雷包括三个方面。一是信号线和电源线分开布线并加套金属屏蔽管，金属屏蔽管尽可能多点接地；二是信号线采用带有屏蔽的线缆；三是信号线接口使用抗雷击能力强的接头。

为提高端口的抗雷击能力，可以将RS-232接口串接到RS-232至RS-485的转换器。由于多了一层转换隔离，因此提高了抗雷击能力。此外，可以在RS-232接口的两端加上信号防雷器，对通信接口进行多重保护。信号防雷器可以泄放侵入信号线路上的雷电脉冲，防止雷电波的侵入，保护电源监控系统。

（3）等电位连接。本系统防雷中，采用等电位连接的目的是减小防雷空间内各金属部件和各系统之间的等电位差，防止雷电反击。机房内的电源线和监控的信号线通过过压保护器进行等电位链接，机柜和设备的金属外壳、电源线、信号线的屏蔽体、金属管线与接地系统进行等电位连接，使雷电流迅速泄流入大地，防止感应雷通过这些金属导体破坏设备。