防雷技术 | 电源端口雷击和暂态过电压综合防护方案

作者： 徐加征 1,2 胡红专 1 陈泓材 3

1 中兴通讯南京研发中心

2 移动网络和移动多媒体技术国家重点实验室

3 东南大学复杂工程系统测量与控制教育部重点实验室

基金项目：广东省基础与应用基础研究（2019A1515110008)

全文发表在2025 年第 1 期《安全与电磁兼容》

摘要： 介绍了电子通讯产品在易发生供电故障和易受雷击的供电环境下,电源端口雷击和暂态过电压的综合防护解决方案。该解决方案将雷击防护与暂态过电压防护有机结合,智能检测判断过电压是雷击还是暂态过电压,并及时启动防护功能,防止电源损坏等严重故障。该方案还可实现防护后自动恢复供电和远程控制供电,在复杂供电环境中保障供电安全和设备不被损坏,有很大的推广价值。

关键词： 暂态过电压 ;雷击 ;智能微型断路器 ;防雷器

0 引言

随着通讯业务的发展，通讯产品的应用场景复杂多变，室外应用设备的供电场景尤其复杂和恶劣，某些工程场景因配电网基础薄弱，电能质量难以保证，通信设备供电系统的稳定运行面临挑战。当电网高压侧发生接地故障时，会引起所供低压设备内持续时间几百毫秒的暂态过电压（TOV）。近年来，国内外某些通讯站点陆续出现交流电源防雷器电涌保护器（SPD）烧毁及通讯设备电源损坏和烧毁的严重故障，导致通讯站点的供电和通讯业务中断。通过实地勘查工程现场以及对大量失效防雷器和损坏电源的分析，发现很多故障的原因是电源端口受到雷击和暂态过电压等干扰。

目前，行业内对雷击等瞬态过电压的防护方案比较成熟，但对 TOV 的认识和防护还不够，对 TOV 的研究主要是压敏电阻耐 TOV 特性的研究，以及压敏电阻防 TOV 起火燃烧的研究，缺失雷击和 TOV 一体化的综合防护方案。

配变碰壳故障会导致低压侧中性点发生偏移，在用户侧产生转移过电压，且转移过电压与配变接地点地电位抬升值 UT 直接相关。这个转移过电压对用电设备来说，就是电源端口的交流 TOV。

TOV 对用电设备的干扰机理分为两阶段：第一阶段为过电压损伤，即中压故障过电压传递到低压侧，此时 TOV 还未达到防雷器 SPD 的截止电压，N-PE 断路，基站电源接地（PE）端接地极不分流；第二阶段为过电流损伤，此时 TOV 电压超过了 SPD 的截止电压，N-PE 导通，PE 端接地极分流。

2 雷击和 TOV 综合防护方案

2.1 雷击加强型方案

根据电源 TOV 的损伤机理和应力特点，结合电源的防雷拓扑，利用强耐受交流 TOV 冲击等级的防雷器，同时采取提高设备级防雷电路截止电压、提高设备绝缘耐压水平等措施，实现雷击和 TOV 的综合防护，如图 3 所示。

由图 3 可以看出，此方案的防雷功能采用了两级防雷，前面利用大通流能力的防雷器泄放大部分雷击能量，在设备电源端口采用防雷电路进一步泄放残余的雷击能量，并把雷击电压钳位在后级电路能承受的一个合理水平。

图 3 的 TOV 防护，一方面选择强耐受TOV冲击等级的防雷器，另外当 TOV 能量特别大且超过防雷器的承受能力后，防雷器脱扣保护，避免防雷器失效进而炸裂燃烧。当防雷器脱扣保护后，TOV 直接施加到后级防雷电路，后级防雷电路的截止电压要大于 TOV 的电压并提高设备的耐压等级，以保证设备不会产生恶性故障。具体应用时，要根据 TOV 的电压合理设计后级防雷电路的截止电压，同时又要保证防雷电路的正常功能。

2.2 智能防护方案

雷击加强型防护方案虽然实现了雷击和TOV 的综合防护，但只能保护有限次的TOV。如果 TOV 冲击次数多，还是无法避免 TOV 导致的防雷器失效现象，这对设备级的防雷电路和绝缘耐压水平提出了相应的要求。采用普通防雷器和智能微型断路器相结合的方案，不会影响防雷功能，且可以提供智能 TOV 防护功能，理论上可以提供无限次 TOV 防护，核心技术和功能如下：

（1）能识别线路中的过电压类型是雷击还是 TOV。不会因雷击、浪涌等瞬态干扰误触发开关动作。

（2）识别到线路中的 TOV 后，执行机构快速响应，自动切断供电，阻止 TOV 传递到防雷器和后级设备。

（3）线路中的 TOV 去除后，供电能自动或远程恢复，即电源输入端口开关能自动或远程控制复位。

图 4 所示的防护方案结合了雷击防护与TOV 智能防护，可灵活设定 TOV 电压和持续时间的阈值。当线路中的 TOV 达到阈值时，快速（5~20 ms）切断供电线路，阻止 TOV 传递到防雷器和后级设备。触发电路保护模式后，一旦TOV 干扰消除，设备会自动合闸恢复上电，不需要人为操作。同时不影响雷击防护等级和防护效果。

3 方案验证

3.1 实验室模拟验证

按照 IEC 61643-11:2011[5] 的高（中）压系统故障引起的暂态过电压试验要求，按图 5 的配置方式，对第 2 节的两种方案在实验室进行了TOV 的测试验证 [6-7]。

设备L/N 电源接入TOV 测试设备的供电端口，在90°位施加1200V/200A/1000ms的 暂态过电压。

雷击加强型方案 ：TOV 测试后，防雷器均安全脱扣保护。防雷器安全脱扣后，再进行多次 TOV 测试，设备级防雷电路和设备均正常。

智能防护方案 ：经多次施加 TOV 应力，智能断路器均在 10 ms 内切断 TOV，并在 TOV 测试后自动恢复供电。测试过程中和测试后设备均正常。

对雷击加强型方案和智能防护方案进行了差模和共模各 10 次 30 kA 的雷击测试，防护电路和设备均运行正常。

3.2 真型场试验验证

国电电网某公司配电网真型试验场是世界上最大规模的 10 kV 真型试验场之一，按照通信站点的典型配电、防雷和接地场景，搭建还原某通讯站点的真实场景，人工制造中压交流单相接地故障 [8]，测试验证智能防护方案，测试配置如图 6 所示。

在故障专用配电变压器侧人工制造 10 kV 单相接地故障，故障持续时间 100 ms。通过录波器测试可知，接地变压器接地转移到低压交流侧 N线对PE之间的TOV 约为1500 V，A相L对 PE之间的TOV 大约1800 V，持续时间 100 ms。

给遭受 TOV 干扰的整流器 1 的配电变压器加上智能微型断路器，智能微型断路器过压保护阈值设为 275 VAC。通过录波器测试可知，当整流器电源 N 线对 PE、L 线对 PE 之间的电压超了微型断路器设置的阈值电压后，微型断路器在15 ms 内跳闸断开L线和N线，阻断TOV，保护后级 AC 设备及直流设备。100 ms故障结束后，微型断路器自动合闸恢复供电。

4 结语

随着通信产品的广泛应用，其应用场景也越来越复杂和多变，雷击和电网 TOV 干扰是通信产品安全、可靠运行的一大威胁，采取雷击和电网 TOV 综合防护措施是保障通信设备安全可靠运行的重要手段。本文提出的两种解决方案，在不影响防雷功能的情况下，能有效地防护 TOV 干扰，实现了防雷和 TOV 的综合防护。

自然界中的雷电不可能消失

人类对技术进步的向往和冲动也不可能终止

技术进步带来的潜在威胁

只能靠技术的继续进步来解决