通信電源設備的雷電過電壓防護探析

孫 計

（深圳市中興通訊技術服務有限責任公司，江蘇 南京 210000）

0 引 言

通信電源設備隨著技術的革新而不斷發展，目前已經從早期的線性、相控發展到開關電源，并成為當前電源設計的主流形式。開關電源是一類輕量化、高轉化率以及寬穩壓范圍的電源。在雷電過電壓保護中須考慮雷電類型，主要分為感應雷和直擊雷兩種情況[1-3]。根據不同雷電類型進行過電壓保護設計，以保障通信電源正常運行。

1 雷電流、通信電源設備以及危害分析

1.1 雷電流分析

雷電流即在雷擊發生過程中，同地面尖端導電體進行放電作用后產生的瞬間電流。其不同于常規電流的形式，在瞬間產生的數值極大，由此會帶來瞬間巨大能量的釋放。研究雷電流對于實現防雷設計極為重要，有助于設置防雷設計參數，為通信電源設備防雷用品規格參數的選取提供數理支持。

1.2 通信電源構成

通信電源作為通信系統中的重要組成，系統架構如圖1所示。主要包含交流配電單元、直流配電單元、整流單元以及監控單元等。其中，第一個模塊主要作用在于實現市電輸入，并對輸出進行配置，其需要做好多級防雷處理，并實現監護、運維一體化系統設計。第二個模塊則是配置直流輸出通道數，并實現流量監控和故障報警功能。第三個模塊主要功能是實現交流到直流的轉變，滿足現代通信系統供電需求。為了實現處理性能的提升，一般級聯多個整流模塊以提升整體整流效果。最后一個模塊的意義在于實現分散供電處理，滿足分散到各位置區域的交流及直流供電狀況的集中式管理。通過這一方式的調控管理，有助于提升通信電源穩定性。

圖1 通信電源系統架構

1.3 雷電對通信電源設備危害

1.3.1 直擊雷及其危害

直擊雷的本質定義即帶電云層和地面尖端物體之間的電荷作用而形成的顯著放電現象，瞬間的超高壓放電引發巨大能量的釋放，對尖端物體帶來極為嚴重的危害。高強度電流通過通信站處的尖端導電體進入建筑和電纜內部，甚至進入設備系統中，導致站內建筑被毀損、電纜和通信系統也被破壞。根據當前實際情況可知，這是一種極端的自然現象，一般發生概率較低，但是對應的破壞力顯著，一旦發生就會帶來嚴重的后果，對此做好相關防雷設計極為關鍵[4-6]。

1.3.2 感應雷及其危害

感應雷本質定義即在雷電與大地之間形成電場放電時，所感應的電荷聚集而形成的感應放電現象。具體而言，當雷電放電消失后，雷電和大地之間的電場瞬間不復存在，然而金屬物體中感應的電荷無法瞬間流散，由此產生較大電壓而引起放電現象，這一現象就是感應雷的產生的機理。事實上，通信電源同通信設備之間通過纜線進行供電連接，整個電路系統采用金屬導體構建，因此當系統設備中出現感應雷入侵時容易對電路系統產生強大沖擊。當前的電路系統多為集成設計，本身抗沖擊能力薄弱，一旦出現該問題極容易被摧毀，由此引發系統故障事件。根據研究可知，感應雷發生概率相較于直擊雷要高，因此對其進行防范是防雷設計的重中之重。

2 電源設備防雷保護問題及原理

2.1 雷電故障負序電流分布分析

負序電流分析作為重要的分析方法可以用來分別確定雷擊天氣下通信電源接地故障，并同時以最快速度定位雷電帶來的故障。圖2展示了這一階段的電流狀況。對此，本處進行相應的理論分析。假設Z2S、Z2if、Z2k1、Z2kf2、Z2il、Z2ik分別表示小電流接地系統阻抗、正常線路i的負序阻抗、系統母線與故障點之間故障線路k的負序阻抗、故障線路其他部分的負序阻抗、線路i負載的負序阻抗以及線路k負載的負序阻抗。對此根據電路知識可以得到數學表述形式為：

圖2 線路單相故障時負序電流分布

式中，K2為未出現故障系統對應的負序電流和回流至電源的負序電流的比值。當出現雷擊現象時，高壓側產生的阻抗經過電壓折算對應值較小，可忽略不計。同時，隨著電網傳輸能力提升，則系統中感應的阻抗則被削減，因此Z2il和Z2ik被削減至可忽略不計。此外，接地故障產生的負序電流部分電流會從故障線路回流至系統，而非故障線路產生的負序電流則相對較小，因此一旦電源的負序電流增大，則表示出現了接地故障，對此再根據故障處形成的阻抗來確定電流流向，由此可以根據電路流向確定最終的雷擊故障方位和程度。

2.2 雷電故障負序電流保護

雷電導致系統故障后會產生負序電流，而瞬間的故障會產生逆向高電壓，這樣在過壓下，負序電流增加引發保護作用。這種保護作用則是保護設備和確定故障位置的關鍵。一般而言，當出現雷電入侵時，零序電壓變化，對應變化程度作為啟動保護的尺度，當對應的零序電壓在相鄰兩個周期的范圍內對應變化量顯著大于平衡電壓，此時則可判定出現了接地故障，對應的零序時段可以作為故障發生時段，為雷電等物理因素導致的故障報警和保護提供依據[7-9]。

對此，整個負序電流保護均須考慮過電壓情況，具體就是根據雷擊狀況來選擇判定依據，以確定故障程度和位置。根據當前整體雷擊對通信電源的影響考慮，進行相應的防雷負序電流保護設計，同時可進行如下判定。

一是當雷擊中金屬導體產生的負序電流大于設定值時，根據電路的接地保護饋線可分析對應的金屬體狀況，并根據過電壓情況，將此電壓下形成的負序電流反饋方向作為啟動保護的依據，并可根據該方向來順次定位故障位置。二是當出現直擊雷天氣時容易出現低電阻故障，導致導通區域呈現過電壓狀態，此時對應的負序電流極大，采用上述分析并可確定故障情況。而當出現高電阻接地故障時，對應的負序電流小，且對應的故障電壓高，因此消耗的能量相對較大，由此可用于確定故障程度。

3 通信電源設備的雷電過電壓防護措施分析

3.1 直擊雷過電壓防護措施

在過電壓防護時，由于直擊雷對應危害大，一級處理則實現有效處理基本不現實。對此，當前采用分級分攤的思路進行逐級削弱，以最大程度降低其危害性。即在發生直擊雷時，通信電源系統中的線纜、接地子系統、通信系統、接閃裝置、電源以及地下線纜工程等進行分級吸收雷擊能量，通過層層阻擊以實現雷擊對電源系統核心裝置破壞力的削弱，從而實現危機的分化處理。

以4G通信基站系統為例，其涵蓋的接地子系統、接閃裝置以及地下線纜工程能夠分化雷擊50%左右的能量，通信電源設備分化45%。此外，在4G通信基站中，通常采用三相四線制，每線分擔的電流不超過25 kA，剩余的5%能量被通信線纜進行分化。通過上述處理，4G通信基站能夠實現有效的直擊雷過電壓防護保護，提升通信系統運行的穩定水平[10]。

3.2 感應雷過電壓防護措施

感應雷即由雷擊附近金屬導體靜電感應或電磁感應形成的放電現象。具體而言即雷云中大量聚集的電荷促使附近區域金屬感應相反性質的電荷，當雷擊放電后，這些感應電荷卻無法及時流散而形成電脈沖。此外雷擊過程會引發電磁場的變化，從而在附近金屬導體上形成感應電場，由此形成較大的電動勢和過壓電流。對此在防護中需優化接地子系統設計，正確配置科學合理的防雷設備，阻止感應雷對系統的入侵。同時需要做好負序電流保護檢測工作，以有效確定故障并對整體系統進行停機保護，此外有效的接地系統保護有助于實現接地屏蔽，由此削弱感應雷的沖擊，降低其帶來的危害。

4 結 論

雷電作為極端自然災害現象，對通信系統危害嚴重，尤其是對電源系統。對此本文立足于通信電源系統的防雷處理背景，重點分析了防雷過電壓防護等相關內容，并進一步提出了防護措施，從而為當前的通信系統安全穩定運行提供技術保障。