通信电源设备的雷电过电压防护探析

2020-04-26孙计

通信电源技术 2020年23期

孙计

（深圳市中兴通讯技术服务有限责任公司，江苏南京 210000）

0 引言

通信电源设备随着技术的革新而不断发展，目前已经从早期的线性、相控发展到开关电源，并成为当前电源设计的主流形式。开关电源是一类轻量化、高转化率以及宽稳压范围的电源。在雷电过电压保护中须考虑雷电类型，主要分为感应雷和直击雷两种情况[1-3]。根据不同雷电类型进行过电压保护设计，以保障通信电源正常运行。

1 雷电流、通信电源设备以及危害分析

1.1 雷电流分析

雷电流即在雷击发生过程中，同地面尖端导电体进行放电作用后产生的瞬间电流。其不同于常规电流的形式，在瞬间产生的数值极大，由此会带来瞬间巨大能量的释放。研究雷电流对于实现防雷设计极为重要，有助于设置防雷设计参数，为通信电源设备防雷用品规格参数的选取提供数理支持。

1.2 通信电源构成

通信电源作为通信系统中的重要组成，系统架构如图1所示。主要包含交流配电单元、直流配电单元、整流单元以及监控单元等。其中，第一个模块主要作用在于实现市电输入，并对输出进行配置，其需要做好多级防雷处理，并实现监护、运维一体化系统设计。第二个模块则是配置直流输出通道数，并实现流量监控和故障报警功能。第三个模块主要功能是实现交流到直流的转变，满足现代通信系统供电需求。为了实现处理性能的提升，一般级联多个整流模块以提升整体整流效果。最后一个模块的意义在于实现分散供电处理，满足分散到各位置区域的交流及直流供电状况的集中式管理。通过这一方式的调控管理，有助于提升通信电源稳定性。

图1 通信电源系统架构

1.3 雷电对通信电源设备危害

1.3.1 直击雷及其危害

直击雷的本质定义即带电云层和地面尖端物体之间的电荷作用而形成的显著放电现象，瞬间的超高压放电引发巨大能量的释放，对尖端物体带来极为严重的危害。高强度电流通过通信站处的尖端导电体进入建筑和电缆内部，甚至进入设备系统中，导致站内建筑被毁损、电缆和通信系统也被破坏。根据当前实际情况可知，这是一种极端的自然现象，一般发生概率较低，但是对应的破坏力显著，一旦发生就会带来严重的后果，对此做好相关防雷设计极为关键[4-6]。

1.3.2 感应雷及其危害

感应雷本质定义即在雷电与大地之间形成电场放电时，所感应的电荷聚集而形成的感应放电现象。具体而言，当雷电放电消失后，雷电和大地之间的电场瞬间不复存在，然而金属物体中感应的电荷无法瞬间流散，由此产生较大电压而引起放电现象，这一现象就是感应雷的产生的机理。事实上，通信电源同通信设备之间通过缆线进行供电连接，整个电路系统采用金属导体构建，因此当系统设备中出现感应雷入侵时容易对电路系统产生强大冲击。当前的电路系统多为集成设计，本身抗冲击能力薄弱，一旦出现该问题极容易被摧毁，由此引发系统故障事件。根据研究可知，感应雷发生概率相较于直击雷要高，因此对其进行防范是防雷设计的重中之重。

2 电源设备防雷保护问题及原理

2.1 雷电故障负序电流分布分析

负序电流分析作为重要的分析方法可以用来分别确定雷击天气下通信电源接地故障，并同时以最快速度定位雷电带来的故障。图2展示了这一阶段的电流状况。对此，本处进行相应的理论分析。假设Z2S、Z2if、Z2k1、Z2kf2、Z2il、Z2ik分别表示小电流接地系统阻抗、正常线路i的负序阻抗、系统母线与故障点之间故障线路k的负序阻抗、故障线路其他部分的负序阻抗、线路i负载的负序阻抗以及线路k负载的负序阻抗。对此根据电路知识可以得到数学表述形式为：

图2 线路单相故障时负序电流分布

式中，K2为未出现故障系统对应的负序电流和回流至电源的负序电流的比值。当出现雷击现象时，高压侧产生的阻抗经过电压折算对应值较小，可忽略不计。同时，随着电网传输能力提升，则系统中感应的阻抗则被削减，因此Z2il和Z2ik被削减至可忽略不计。此外，接地故障产生的负序电流部分电流会从故障线路回流至系统，而非故障线路产生的负序电流则相对较小，因此一旦电源的负序电流增大，则表示出现了接地故障，对此再根据故障处形成的阻抗来确定电流流向，由此可以根据电路流向确定最终的雷击故障方位和程度。

2.2 雷电故障负序电流保护

雷电导致系统故障后会产生负序电流，而瞬间的故障会产生逆向高电压，这样在过压下，负序电流增加引发保护作用。这种保护作用则是保护设备和确定故障位置的关键。一般而言，当出现雷电入侵时，零序电压变化，对应变化程度作为启动保护的尺度，当对应的零序电压在相邻两个周期的范围内对应变化量显著大于平衡电压，此时则可判定出现了接地故障，对应的零序时段可以作为故障发生时段，为雷电等物理因素导致的故障报警和保护提供依据[7-9]。

对此，整个负序电流保护均须考虑过电压情况，具体就是根据雷击状况来选择判定依据，以确定故障程度和位置。根据当前整体雷击对通信电源的影响考虑，进行相应的防雷负序电流保护设计，同时可进行如下判定。

一是当雷击中金属导体产生的负序电流大于设定值时，根据电路的接地保护馈线可分析对应的金属体状况，并根据过电压情况，将此电压下形成的负序电流反馈方向作为启动保护的依据，并可根据该方向来顺次定位故障位置。二是当出现直击雷天气时容易出现低电阻故障，导致导通区域呈现过电压状态，此时对应的负序电流极大，采用上述分析并可确定故障情况。而当出现高电阻接地故障时，对应的负序电流小，且对应的故障电压高，因此消耗的能量相对较大，由此可用于确定故障程度。

3 通信电源设备的雷电过电压防护措施分析

3.1 直击雷过电压防护措施

在过电压防护时，由于直击雷对应危害大，一级处理则实现有效处理基本不现实。对此，当前采用分级分摊的思路进行逐级削弱，以最大程度降低其危害性。即在发生直击雷时，通信电源系统中的线缆、接地子系统、通信系统、接闪装置、电源以及地下线缆工程等进行分级吸收雷击能量，通过层层阻击以实现雷击对电源系统核心装置破坏力的削弱，从而实现危机的分化处理。

以4G通信基站系统为例，其涵盖的接地子系统、接闪装置以及地下线缆工程能够分化雷击50%左右的能量，通信电源设备分化45%。此外，在4G通信基站中，通常采用三相四线制，每线分担的电流不超过25 kA，剩余的5%能量被通信线缆进行分化。通过上述处理，4G通信基站能够实现有效的直击雷过电压防护保护，提升通信系统运行的稳定水平[10]。

3.2 感应雷过电压防护措施

感应雷即由雷击附近金属导体静电感应或电磁感应形成的放电现象。具体而言即雷云中大量聚集的电荷促使附近区域金属感应相反性质的电荷，当雷击放电后，这些感应电荷却无法及时流散而形成电脉冲。此外雷击过程会引发电磁场的变化，从而在附近金属导体上形成感应电场，由此形成较大的电动势和过压电流。对此在防护中需优化接地子系统设计，正确配置科学合理的防雷设备，阻止感应雷对系统的入侵。同时需要做好负序电流保护检测工作，以有效确定故障并对整体系统进行停机保护，此外有效的接地系统保护有助于实现接地屏蔽，由此削弱感应雷的冲击，降低其带来的危害。