介紹了電子通訊產(chǎn)品在易發(fā)生供電故障和易受雷擊的供電環(huán)境下，電源端口雷擊和暫態(tài)過電壓的綜合防護解決方案。該解決方案將雷擊防護與暫態(tài)過電壓防護有機結合，智能檢測判斷過電壓是雷擊還是暫態(tài)過電壓，并及時啟動防護功能，防止電源損壞等嚴重故障。該方案還可實現(xiàn)防護后自動恢復供電和遠程控制供電，在復雜供電環(huán)境中保障供電安全和設備不被損壞，有很大的推廣價值。
隨著通訊業(yè)務的發(fā)展，通訊產(chǎn)品的應用場景復雜多變，室外應用設備的供電場景尤其復雜和惡劣，某些工程場景因配電網(wǎng)基礎薄弱，電能質(zhì)量難以保證，通信設備供電系統(tǒng)的穩(wěn)定運行面臨挑戰(zhàn)。當電網(wǎng)高壓側(cè)發(fā)生接地故障時，會引起所供低壓設備內(nèi)持續(xù)時間幾百毫秒的暫態(tài)過電壓（TOV）。近年來，國內(nèi)外某些通訊站點陸續(xù)出現(xiàn)交流電源防雷器電涌保護器（SPD）燒毀及通訊設備電源損壞和燒毀的嚴重故障，導致通訊站點的供電和通訊業(yè)務中斷。通過實地勘查工程現(xiàn)場以及對大量失效防雷器和損壞電源的分析，發(fā)現(xiàn)很多故障的原因是電源端口受到雷擊和暫態(tài)過電壓等干擾。
目前，行業(yè)內(nèi)對雷擊等瞬態(tài)過電壓的防護方案比較成熟，但對 TOV 的認識和防護還不夠，對 TOV 的研究主要是壓敏電阻耐 TOV 特性的研究，以及壓敏電阻防 TOV 起火燃燒的研究，缺失雷擊和 TOV 一體化的綜合防護方案。
01 交流 TOV 干擾機理
瞬態(tài)過電壓和暫態(tài)過電壓是兩種性質(zhì)完全不同的過電壓，對應著不同的干擾機理和防護方案，如圖 1 所示。瞬態(tài)過電壓持續(xù)時間主要是微秒和納秒數(shù)量級 ；暫態(tài)過電壓一般是中壓供電系統(tǒng)接地故障導致的持續(xù)時間為毫秒數(shù)量級的過電壓。
目前業(yè)界對雷擊干擾的研究比較成熟，下面主要介紹交流 TOV 的干擾機理，如圖 2 所示。當 10kV 側(cè)發(fā)生線路碰殼故障時，故障電流 IF會通過設備外殼的安全接地點流入大地。由于配電變壓器（簡稱配變）接地電阻并不完全為 0，因此接地點處可能會出現(xiàn)幅值為 UT 的電位抬升，UT 的值等于 IF 與 RT 的乘積。
（a）雷擊浪涌等瞬態(tài)過電壓
圖 1 工程現(xiàn)場電源端口過電壓類型
配變碰殼故障會導致低壓側(cè)中性點發(fā)生偏移，在用戶側(cè)產(chǎn)生轉(zhuǎn)移過電壓，且轉(zhuǎn)移過電壓與配變接地點地電位抬升值 UT 直接相關。這個轉(zhuǎn)移過電壓對用電設備來說，就是電源端口的交流 TOV。
TOV 對用電設備的干擾機理分為兩階段 ：第一階段為過電壓損傷，即中壓故障過電壓傳遞到低壓側(cè)，此時 TOV 還未達到防雷器 SPD 的截止電壓，N-PE 斷路，基站電源接地（PE）端接地極不分流 ；第二階段為過電流損傷，此時 TOV 電壓超過了 SPD 的截止電壓，N-PE 導通，PE 端接地極分流。
02 雷擊和 TOV 綜合防護方案
2.1 雷擊加強型方案
根據(jù)電源 TOV 的損傷機理和應力特點，結合電源的防雷拓撲，利用強耐受交流 TOV 沖擊等級的防雷器，同時采取提高設備級防雷電路截止電壓、提高設備絕緣耐壓水平等措施，實現(xiàn)雷擊和 TOV 的綜合防護，如圖 3 所示。
由圖 3 可以看出，此方案的防雷功能采用了兩級防雷，前面利用大通流能力的防雷器泄放大部分雷擊能量，在設備電源端口采用防雷電路進一步泄放殘余的雷擊能量，并把雷擊電壓鉗位在后級電路能承受的一個合理水平。
圖 3 的 TOV 防護，一方面選擇強耐受 TOV沖擊等級的防雷器，另外當 TOV 能量特別大且超過防雷器的承受能力后，防雷器脫扣保護，避免防雷器失效進而炸裂燃燒。當防雷器脫扣保護后，TOV 直接施加到后級防雷電路，后級防雷電路的截止電壓要大于 TOV 的電壓并提高設備的耐壓等級，以保證設備不會產(chǎn)生惡性故障。具體應用時，要根據(jù) TOV 的電壓合理設計后級防雷電路的截止電壓，同時又要保證防雷電路的正常功能。
（a）TOV 干擾機理第一階段
（b）TOV 干擾機理第二階段
圖 2 TOV 的干擾機理
圖 3 加強型雷擊和 TOV 綜合防護方案
2.2 智能防護方案
雷擊加強型防護方案雖然實現(xiàn)了雷擊和TOV 的綜合防護，但只能保護有限次的TOV。如果 TOV 沖擊次數(shù)多，還是無法避免 TOV 導致的防雷器失效現(xiàn)象，這對設備級的防雷電路和絕緣耐壓水平提出了相應的要求。采用普通防雷器和智能微型斷路器相結合的方案，不會影響防雷功能，且可以提供智能 TOV 防護功能，理論上可以提供無限次 TOV 防護，核心技術和功能如下 ：
（1）能識別線路中的過電壓類型是雷擊還是 TOV。不會因雷擊、浪涌等瞬態(tài)干擾誤觸發(fā)開關動作。
（2）識別到線路中的 TOV 后，執(zhí)行機構快速響應，自動切斷供電，阻止 TOV 傳遞到防雷器和后級設備。
（3）線路中的 TOV 去除后，供電能自動或遠程恢復，即電源輸入端口開關能自動或遠程控制復位。
圖 4 所示的防護方案結合了雷擊防護與TOV 智能防護，可靈活設定 TOV 電壓和持續(xù)時間的閾值。當線路中的 TOV 達到閾值時，快速（5~20 ms）切斷供電線路，阻止 TOV 傳遞到防雷器和后級設備。觸發(fā)電路保護模式后，一旦TOV 干擾消除，設備會自動合閘恢復上電，不需要人為操作。同時不影響雷擊防護等級和防護效果。
圖 4 雷擊和 TOV 智能防護方案
03 方案驗證
3.1 實驗室模擬驗證
按照 IEC 61643-11:2011的高（中）壓系統(tǒng)故障引起的暫態(tài)過電壓試驗要求，按圖 5 的配置方式，對第 2 節(jié)的兩種方案在實驗室進行了 TOV 的測試驗證。
圖 5 交流電源 TOV 測試設備電路
設備 L/N 電源接入 TOV 測試設備的供電端口，在 90° 相位施加 1200V/200A/1000ms 的暫態(tài)過電壓。
雷擊加強型方案 ：TOV 測試后，防雷器均安全脫扣保護。防雷器安全脫扣后，再進行多次 TOV 測試，設備級防雷電路和設備均正常。
智能防護方案 ：經(jīng)多次施加 TOV 應力，智能斷路器均在 10 ms 內(nèi)切斷 TOV，并在 TOV 測試后自動恢復供電。測試過程中和測試后設備均正常。對雷擊加強型方案和智能防護方案進行了差模和共模各 10 次 30 kA 的雷擊測試，防護電路和設備均運行正常。
3.2 真型場試驗驗證
國電電網(wǎng)某公司配電網(wǎng)真型試驗場是世界上最大規(guī)模的 10 kV 真型試驗場之一，按照通信站點的典型配電、防雷和接地場景，搭建還原某通訊站點的真實場景，人工制造中壓交流單相接地故障，測試驗證智能防護方案，測試配置如圖 6 所示。
在故障專用配電變壓器側(cè)人工制造 10kV 單相接地故障，故障持續(xù)時間 100 ms。通過錄波器測試可知，接地變壓器接地轉(zhuǎn)移到低壓交流側(cè) N線對 PE 之間的 TOV 約為 1500 V，A相 L 對 PE 之間的 TOV 大約 1800 V，持續(xù)時間 100 ms。給遭受 TOV 干擾的整流器 1 的配電變壓器加上智能微型斷路器，智能微型斷路器過壓保護閾值設為 275 VAC。通過錄波器測試可知，當整流器電源 N 線對 PE、L 線對 PE 之間的電壓超了微型斷路器設置的閾值電壓后，微型斷路器在 15 ms 內(nèi)跳閘斷開 L 線和 N 線，阻斷TOV，保護后級 AC 設備及直流設備。100 ms故障結束后，微型斷路器自動合閘恢復供電。
圖 6 智能防護方案驗證配置
結語
隨著通信產(chǎn)品的廣泛應用，其應用場景也越來越復雜和多變，雷擊和電網(wǎng) TOV 干擾是通信產(chǎn)品安全、可靠運行的一大威脅，采取雷擊和電網(wǎng) TOV 綜合防護措施是保障通信設備安全可靠運行的重要手段。本文提出的兩種解決方案，在不影響防雷功能的情況下，能有效地防護 TOV 干擾，實現(xiàn)了防雷和 TOV 的綜合防護。
本文摘自：《安全與電磁兼容》2025年第01期
作者：徐加征、胡紅專、陳泓材
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