通信站电源系统防雷设计与应用

摘要：文章主要分析了雷电的成因和危害。雷电由大气环流和当地气象因素所决定，是积雨云中云与云之间或云与地之间产生的放电现象，强大电流通过时，又使空气迅速膨胀产生巨大的响声，即产生雷电。雷电根据形状的不同，可分为枝状、片状、线状等形式，其中枝状最为常见。文章以淮南矿业集团通信站为分析模型，介绍了三级防雷设计在通信电源系统中的应用。

关键词：雷电；感应雷；电源系统；防雷保护器；防雷设计；通信电源系统

中图分类号：TN915 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2009）15-0066-02

一、雷电的成因和危害

（一）雷电的成因

雷电由大气环流和当地气象因素所决定，是积雨云中云与云之间或云与地之间产生的放电现象，强大电流通过时，又使空气迅速膨胀产生巨大的响声，即雷电。雷电根据形状的不同，可分为枝状、片状、线状等形式，其中枝状最为常见。暖湿气流上升到大约15000米的高空，在云中产生出正、负电荷，强烈的上升气流造成了云内电荷的分离，正电荷位于云的上部，负电荷在云的下部，云与大地间就形成电场，其下端的负电荷使大地被感应出正电荷，此时雷云与大地之间就成为一个大的已充电的电容器。可触发雷电的电场强度与空气的绝缘度相关，当电场强度在0.5～10kV/cm之间，雷云与地间的电势差高到一定程度（约103v/cm～104v/cm）时，大气会被击穿。

（二）雷电对通信系统的危害

雷电是一种极具破坏力的自然现象，其电压可高达数百万伏，瞬间电流更可高达数十万安培。由于通信设备硬件结构集中化程度较高，使板件耐受过电压、过电流的能力下降，更易遭受雷电破坏。轻者造成设备的接口损坏，大量数据丢失或无法传输；重者使主机损坏，导致通信中断，因此对关键的系统和设备进行防雷害是非常必要的。从危害角度雷电可分为直击雷和感应雷。

1．直击雷。由于原有的防直击雷系统不够完善，雷云对地放电的主通道通过被保护物，就称被保护物被直击雷击中。雷电直接击中通信站机房楼、配电室设备、电缆和人员，强大的雷电冲击电流具有巨大的电磁效应、和热效应，足以造成建筑物损坏、电气短路引起火灾以及人员伤亡等严重后果。

2．感应雷。雷云对地放电的主通道虽然没有经过被保护物，但放电过程中在附近导体上产生静电感应和电磁感应，即通常所说的感应雷。感应雷产生于导体中并沿导体传播，损坏与导体相联的某些设备或设备中的某些器件。通信站的设备中有大量的集成微电子电路通过金属导线相连，并且通信站也通过电力电缆和各种通信传输电缆与外界相连，容易被感应雷损坏，造成各类接口板件损坏、硬件背板整流模块损坏。感应雷破坏力虽然不及直击雷大，但其损害的往往是设备的核心器件，会造成大的通信阻断，可以说通信站防雷主要是防感应雷。

二、电源系统的防雷要求

（一）配置现状

以淮南矿业集团通信站为分析模型，通信站的电源系统主要由交流供配电屏、直流配电屏、直流开关电源设备及直流逆变器等组成。交流电源由两路市电回路输入到电源机房的市电切换柜内，经切换器后接至市电总配电柜，其中一路供至通信直流开关电源设备，通信直流开关电源将交流电源整流成直流-48V输出至直流配电屏，再分配到通信站内各直流负载通信设备。其中直流开关电源的直流-48V输出与-48V蓄电池组并联，市电正常供电时，由开关电源组蓄电池组进行浮充；市电停电时，由蓄电池组供电至各直流负载通信设备，同时经-48V直流逆变器输出交流220V电源供给交流负载通信设备及维护终端使用。

（二）电源防护要求

信息产业部了通信电源防雷标准，主要有两条：一是电力电缆应有金属屏蔽层，且必须埋地站；二是在电源上逐级加装电源防雷器，实现多级防护。即在变压器的高压端加装高压避雷器，低压侧加装低压避雷器，在交流配电屏和直流配电屏分别加装交、直流防雷器。

防雷器的防雷能力与安装方式有密切关系，主要是引线电感会产生额外的残压，应尽可能地缩短电力线与防雷器的连线和防雷器与接地汇接板连线的长度。

采用多级防雷器可减小引线电感带来的额外残压，因为前级防雷器已将大部分雷电流泄放入地，在后级的防雷器只泄放少部分雷电流，雷电流的减小必然导致引线上的附加残压减小。为保证防雷器由前到后顺序泄放，动作电压应是后级不低于前级。防雷器之间的电力电缆长度不小于10米。

三、电源系统防雷方案

根据配置现状对该站电源系统进行防雷保护，需对交流电源输入及直流电源输出加装防雷、防浪涌的设备和器件，以提高该站电源系统抵御雷击和过压浪涌冲击的能力。设计采用三级防雷措施，其工作原理为利用分级的防雷器层层泄放雷电感应的能量，逐渐减低浪涌电压，从而保护用户终端设备。

（一）第一级（B级）防雷

对于电源一级防雷器，必须做到在电源的进入端并联安装低压端的总电源防雷器，将由外部线路可能引入的雷击高电压引至大地泄放，以确保后接设备的安全。在变压器低压电源输出端（市电输入总配电柜）配置安装德国Bettermann集团OBO避雷器，选用型号MCD25-B+C/T25KA（10/350）开关型三相电源防雷箱，能满足第一级雷电防护要求，如图1所示：

（二）第二级（C级）防雷

作为分配电柜的次级防雷器，防雷器并联安装在开关电源、逆变电源的电源进线端处。可对已经过初级防雷器限制电压的直击雷、高强度感应雷实施泄放保护。要求第二级防雷器的线路安装距离距第一级防雷器10～15米，以使防雷器的动作分级起效。选用型号是OBO避雷器V25-B/3+NPE和V10-C，能满足第二级雷电防护要求，如图2所示：

备如程控交换机、SDH、网络交换机等使用很多的集成电路和精密的元件，击穿电压只有几十伏，最大允许工作电源也是毫安级的。由经过一、二级防雷而进入机房设备的雷击残压仍有千伏之上，将对这些设备造成很大冲击甚至损坏。第三级为精细保护，并联安装在设备直流电源进线端。选用型号是OBO避雷器V20-C/3+NPE，能满足第三级雷电防护要求，如图3所示：

四、结语

通信站电源系统雷电防护，是保护通信线路、设备及人身安全的重要手段。防雷保护设计工作是一项要求高、难度大的系统工程，涉及多方面的因素。本方案在遵照执行国家有关标准、行业标准的基础上，还参考和引入IEC国际电工委员会的有关防雷技术标准要求，采用三级防雷措施，达到较好的防护效果。

参考文献

[1]侯振义，夏峥．通信电源站原理及设计[M]．北京：人民邮电出版社，2002．

[2]雷电电磁脉冲的防护（IEC61312）[S]．

[3]通信局（站）雷电过电压保护设计规范（YD5098-2001）[S]．

[4]通信工程电源系统防雷技术规定（YD5078-98）[S]．

作者简介：杨畅，淮南矿业集团信息分公司工程师；王帅，淮南矿业集团信息分公司助理工程师。