過電壓保護

一。名詞解釋

過電壓保護（over voltage protection）

當電壓超過預定最大值時，使電源斷開或使受控設備電壓降低的一種保護方式。

二。應用

避雷器、擊穿保險器、接地裝置等是常用的過電壓保護裝置。其中，以避雷器最為重要。

電磁鐵、電磁吸盤等大功率電感負載及直流繼電器等，在通斷時會產生較高的感應電動勢，可使電磁線圈絕緣擊穿而損壞，因此必須採用過電壓保護措施。

三。常用構造

通常過電壓保護是在線圈兩端並聯一個電阻、電阻串電容或二極體串電阻，以形成一個放電迴路，實現過電壓的保護。這在電力和電子技術中經常用到。

過電壓指峰值大於正常運行下最大穩態電壓的相應峰值的任何電壓。在工程上，它指一切可能對設備造成損害的危險電壓。因此在工程中，一些雖然大於設備正常運行電壓峰值但不足以危及設備正常工作的過電壓被排除在外。過電壓包括:

(1)瞬態過電壓，持續時間為毫秒級或更短，是避雷器的主要防護對象。

(2)暫態過電壓或短時過電壓，持續時間相對較長，一般介於0.1s和1s之間。

瞬態過電壓的來源主要有：雷擊、開關操作、靜電放電和核爆炸。在通信局站，主要是雷電過電壓或雷擊過電壓。

暫態過電壓主要有：轉移過電壓、斷零過電壓、斷線諧振過電壓和中性線漂移形成的過電壓。此外，空載線路的電容效應、不對稱接地故障和突然甩負荷也可能產生危險的過電壓。

1.通信電源系統過電壓保護的基本原則

通信電源系統過電壓保護有兩條基本原則：一是系統防護原則，二是概率防護原則。

(1)系統防護原則

之所以有系統防護原則，是因為:

1)危險過電壓，特別是雷電過電壓的耦合機制多種多樣，無孔不入;

2)因供電、數據與信息傳輸等業務需要，通信設備間存在著廣泛的電連接。

系統防護原則包括以下內容:

1)既要考慮到瞬態過電壓的保護，也要考慮到暫態過電壓的耐受與防護;

2)既要考慮到各種過電壓的保護，也要考慮到電磁脈衝的防護;

3)考慮到每個埠的保護;

4)將電涌保護器和被保護電路作為一個整體看待，進行良好的配合與協調;

5)過電壓保護措施，必須符合相關標準和規範的要求;

6)過電壓保護措施的加入，不能影響其他通信設備間的正常運行和互聯互通;

7)提出合理的機房環境要求;

8)提出合理的安裝與維護要求。

(2)概率防護原則

之所以有概率防護原則，是因為:

1)雷電的形成和發生有一定的隨機性和不確定性，雷電參數的取值也有一定的統計性質;

2)防雷裝置不能阻止雷電的形成;

3)由於技術的限制，防雷裝置不能完全消除或阻止所有過電壓，設備的過電壓耐受能力也是有限的。

根據概率防護原則，需要做到:

1)對設備進行多種波形、幅值的模擬衝擊測試;

2)對被保護設備提出過電壓耐受指標;

3)設備的衝擊通流容量的指標應明顯高於國內外標準的要求。

2.過電壓保護的方法

(1)過電壓保護基本方法

為了防止過電壓威脅到設備的正常運行和安全，首先可以減少或阻止過電壓能量到達設備，這樣的方法包括:

1)衰減或轉移能量，如採用屏蔽、濾波、加裝電涌保護器(SPD)等措施。

2)斷開危險線路，如採用熔斷器、短路器等。這一方法要在條件允許時才可以實施。

3)電氣隔離，如採用隔離變壓器、光耦等。

其次，由於過電壓本身的不確定性和技術實現上的困難，不可能將過電壓能量完全消除或阻止，這時需要增強設備抵抗剩餘能量威脅的方法。這些方法有：提高設備的工作電壓範圍、提高設備的絕緣強度以及設計和實施完善的等電位連接與接地網路等。

(2)多級保護

通信電源系統應採用分級保護，逐級限壓，將雷電過電壓限制在設備的承受水平上。

(3)埠的保護

1)外殼埠的保護

對外殼埠實施的保護措施主要是屏蔽，應滿足EMC測試中對輻射(屏蔽)的要求。

2)交流電源埠的保護

A.通流容量(8/20ms波形):對於通信電源設備，應不低於20kA×10次及40kA×1次；對於通信局(站)低壓配電系統，應依據YD/T5098-2005《通信局(站)防雷與接地工程設計規範》的有關規定，根據通信局(站)的類型、年雷暴日多少和地理環境等具體情況確定。

B.最大持續工作電壓：應能使通信電源設備的耐受特性滿足IEC61643-1和UL1449的要求，根據YD/T5098-2005《通信局(站)防雷與接地工程設計規範》的有關規定，國內低壓配電系統的交流電源防雷器的最大持續工作電壓應取385V。

C.應具備遙信告警功能，提供遙信告警介面，這對無人值守站尤其重要。

D.使用的SPD應有安全、有效和可靠的失效保護措施，對熔斷器或斷路器的額定電流、分斷特性和動作特性等要求均應在大量實驗基礎上加以確定，對熔斷器或斷路器的材料質量也有嚴格要求。

E.第一級SPD應緊靠機房接地排安裝。

3)直流電源埠的保護

A.通流容量(8/20ms波形):對於通信電源設備的直流埠，SPD的最大通流容量應不低於15kA。

B.最大持續工作電壓：一般不低於75V。

C.應具備遙信告警功能，提供遙信告警介面，這對無人值守站尤其重要。

D.使用的SPD應有安全、有效和可靠的失效保護措施，對熔斷器或斷路器的額定電流、分斷特性和動作特性等要求均應在大量實驗基礎上加以確定，對熔斷器或斷路器的材料質量也有嚴格要求。

4)控制信號埠的保護

A.通流容量(8/20pLS波形):結合現場情況，根據通信局(站)的類型、年雷暴日多少和地理環境，以及控制信號線的長度、布線方式與保護級別等因素，依據YD/T5098-2005《通信局(站)防雷與接地工程設計規範》的有關規定加以確定，其中標稱放電電流一般不低於3kA。

B.最大持續工作電壓：一般不低於控制信號電平峰值的1.2倍。

C.應不影響控制信號的傳輸質量，傳輸速率和帶寬滿足設備介面要求，插入損耗一般低於0.2dB。

3.過電壓保護器件

過電壓保護器又叫電涌保護器(SurgeProtectiveDevices，SPD)，是用於各類通信系統對各種雷電電流、操作過電壓等進行保護的器件。它由氣體放電管、放電間隙、MOV(氧化物壓敏電阻)、SAD(半導體放電管)、齊納二極體、濾波器、保險絲等元件組成。

SPD通常分為以下三類:

1)開關型SPD，如火花間隙、雷擊電流放電器、氣體放電管等。它是安裝在通信局(站)建築物外(一般用在LPZOB~LPZ1區)用於電源系統的SPD，可最大限度地消除電網後續電流，疏導10/350ms的模擬雷電衝擊電流。

2)限壓型SPD，如氧化物壓敏電阻(MOV)、瞬變抑制二極體、半導體放電管(SAD)等。它是安裝在防雷區建築物內(一般用在LPZ1區和LPZ2區至LPZn區)的SPD，可疏導8/20ms的模擬雷電衝擊電流。

3)混合型SPD，一般由氧化物壓敏電阻(MOV)與濾波器、半導體放電管(SAD)與MOV等電路組成。

在通信電源系統中，常用的SPD是開關型的火花間隙或雷擊電流放電器以及限壓型的壓敏電阻，二者在性能上有以下優缺點:

火花間隙或雷擊電流放電器主要具有衝擊通流容量大和導通后兩端電壓很低的優點，但它也存在需要遮斷續流、無法遙信、無法劣化指示等問題。所以嚴格來說，火花間隙或雷擊電流放電器只有接在運行質量穩定的TT供電系統的中線對地線間才是本質安全的。

壓敏電阻可實現遙信告警和劣化指示功能，而且其伏安特性是連續和遞增的，因此不存在續流遮斷問題，但泄流能力相對較弱。

依照YD/T5098-2005《通信局(站)防雷與接地工程設計規範》中的相關規定，過電壓保護器的選擇應滿足以下要求。

(1)SPD選擇的一般要求

能承受一定浪涌能量、可靠抑制瞬間過壓、殘壓小於設備安全電壓、時間響應快、元件具有高可靠性和穩定性、反覆衝擊不損壞、具有遙信和監控功能等。

(2)電源用SPD

1)工程選用限壓型SPD時，必須考慮通信局(站)供電電源的不穩定等因素，對SPD的標稱導通電壓、標稱放電電流、衝擊通流容量、限制電壓、殘壓等參數，根據工程的具體情況進行選擇。

2)通信局(站)採用的電源用模塊式SPD，應具有以下功能:

A.SPD模塊損壞告警;

B.遙信;

C.SPD模塊替換;

D.熱容和過流保護。

3)通信局(站)採用的電源用箱式SPD，應根據通信局(站)的具體情況；具有以下功能:

A.SPD劣化指標;

B.SPD損壞告警;

C.熱容和過流保護;

D.跳閘告警;

E.遙信;

F.雷電記數。

第D、F項功能可根據需要進行選擇。

4)混合型SPD-般有兩種形式:

A.MOV與濾波器組成的混合型SPD，RFI濾波器可對150kHz~20MHz的雷電波進行濾波，該類SPD在標稱放電電流為40kA時其殘壓應小於1000V。

B.半導體放電管(SAD)與MOV組成的混合型SPD，在一般雷電過電壓的保護時，標稱放電電流可達10~20kA，若遇到較大量級的雷電過電壓，第一級由SAD組成的電路保險管應自動斷開，由第二級MOV作為雷電過電壓保護，MOV能承受衝擊通流能量宜大於100kA。

5)開關型SPD應具有高能泄放、殘壓在2000~4000V範圍內、響應時間小於100ns等特點。

(3)信號線用SPD

1)信號線用SPD的啟動電壓應滿足通信設備介面的需要，對雷電響應時間應在納秒(ns)級。

2)總配線架的保安單元應符合YD/T694-2000《總配線架技術要求和實驗方法》的規定。

3)信號線用SPD應滿足信號傳輸速率及帶寬的需要，其介面應與被保護設備兼容。

4)信號線用SPD的插入損耗應滿足通信系統的要求。

5)信號線用SPD的標稱放電電流應大於或等於3kA。

(4)饋線用同軸型SPD

1)同軸型SPD插入損耗應小於等於0.2dB，駐波比小於等於1.2，同軸型SPD最大輸入功率能滿足發射機最大輸出功率的要求，安裝與接地方便，具有不同的接頭，同軸型SPD與同軸電纜介面應具備防水功能。

2)同軸型SPD的標稱放電電流應大於等於5kA。

(5)計算機、控制終端、監控系統的網路數據線用SPD

1)計算機介面、控制終端、監控系統的網路數據線SPD應滿足各類介面設備傳輸速率的要求，SPD介面的線位、線排、線序應與被保護設備介面兼容，設計時在滿足設備傳輸速率條件下，應採用由半導體放電管組成的SPD。

2)計算機介面、控制終端、監控系統的網路數據線用SPD的標稱放電電流應大於等於3kA，若採用SAD器件組成的SPD標稱放電電流應大於等於300A。