[ 摘要 ] 面向产品和工程应用，介绍了雷电过电压基本知识，提出了涉及通信能源系统过电压保护的各个主要问题，并进行了系统阐述。

Abstract Originated from the concept of equipment and its engineering environments, this paper introduces the basic lightning over-voltage knowledge, and expounds all key issues on over-voltage protection for telecommunication energy system.

[ 关键词 ] 通信能源系统、过电压保护、防雷、接地

Keywords telecommunication energy system ， over-voltage protection ， lightning protection ， earthing

通信能源系统包括低压交流配电设备、市电－油机自动转换设备、稳压器、调压器、 UPS 、通信开关电源，直流配电设备、逆变器等等，因其所处工作环境的特殊性，容易遭到雷电、电涌或其它过电压的损害。另外，作为通信系统的“心脏”，通信能源系统的损坏将对其它通信设备的正常运行构成威胁，若得不到及时有效的维护，很容易引发二次事故，甚至造成通信中断等严重后果，这一问题在采用集中供电方式的通信局（站）和无人值守站中尤为突出。

因此，如何才能做好通信能源系统的过电压保护，一直是广大运营商、设备制造商和电信设计与施工单位颇为关心的问题之一，它也成为近年来国内防护研究的主要内容，这在 2001 年由信息产业部发布的通信行业标准 YD/T 5098-2001 《通信局（站）雷电过电压保护工程设计规范》中也有明显体现。

本文将对通信能源系统中过电压的种类、各种过电压特别是雷电过电压的产生、危害机制和保护原理等系列问题进行介绍，在此基础上将对通信能源系统的过电压保护问题进行具体分析和系统论述。

 

1. 　过电压的种类

依据国际电工委员会标准 IEC 60664-1 《低压系统内设备的绝缘配合　第一部分：原理、要求和试验》的定义，过电压是指峰值大于在正常运行下最大稳态电压的相应峰值的任何电压。过电压包括：

1 ）瞬态过电压（ transient over-voltage ），持续时间为毫秒级或更短。

2 ）暂态过电压或短时过电压（ temporary over-voltage ， TOV ），持续时间相对较长，一般介于 0.1s 和 1s 之间。

3 ）功能过电压（ functional over-voltage ），功能所需，有意识地施加。

相对于瞬态过电压和暂态过电压而言，功能过电压的概念似乎难以理解，基实它是大量存在的，如各种电子点火装置、冲击电流发生器的触发等等。

在工程上，过电压的定义有所不同，它是指一切可能对设备造成损害的危险电压。根据这一定义， IEC 60664-1 中的功能过电压、以及那些虽大于设备正常运行电压峰值但不足以危及设备正常工作的瞬态过电压或暂态电压都将被排除在外。

本文遵循过电压的工程定义，即首先假定它是有害的，并且只讨论那些经常造成通信设备损害的瞬态过电压和暂态过电压。

 

2. 　过电压的产生

瞬态过电压的来源有：雷击、开关操作、静电放电和核爆炸。在通信局（站）现场，瞬态过电压主要是雷电过电压或雷击过电压（ Lightning over-voltage ）。

2.1 　雷电基本知识

雷电是一种自然现象，其产生机理相当复杂，部分观点还处于研究、发展和完善之中。本文无意探讨雷电产生问题，而是面向实际应用，介绍一些有关雷电参数和雷电活动规律等方面的内容。熟知这些内容，对于协助完成雷电过电压事故的预防、分析与鉴定等工作都是很有益的。

用以描述雷电的参数主要有：雷暴日、雷电活动区、地面落雷密度、雷电流波形、雷电流幅值以及雷电流陡度。

1 ）雷暴日：用以表征雷电活动的频率，一天内只要听到雷声，就将其计为一个雷暴日。在我国，年平均雷暴日数 的分布情况大体是：北回归线以南的大部分地区，一般在 80 以上（台湾只有 30 左右）；北回归线到长江一带约为 40 ～ 80 之间；长江以北的大部分地区（包括东北）多在 20 ～ 40 之间；西北地区的大部分地方在 20 以下，西藏沿雅鲁藏布江一带约为 50 ～ 80 。

2 ）雷电活动区：根据年平均雷暴日的多少，按照 YD/T 5098-2001 ，雷电活动区可划分为：少雷区为 25 以下（电力行业规定为 15 以下）；中雷区为 25 ～ 40 ；多雷区为 40 ～ 90 ；强雷区为 90 以上。

3 ）地面落雷密度 ：每平方公里每年对地落雷次数，其计算公式在 GB 50057-94 中规定为

而在 IEC 61024-1-1 中则为

在 IEEE Std 1410 中为

或

这里， 为年平均雷暴时，其定义同年平均雷暴日类似。

4 ）雷电流波形、雷电流幅值：一个雷电流常被记为 ，这里 为波头时间， 为半峰值时间（即对应下降到 0.5I 的时间）， I 为雷电流峰值。

5 ）雷电流陡度：是指雷电流随时间上升的变化率，其平均值为

不难发现，一个 的雷电流在铜导线上的压降约为 12kV/m 。因此，尽量减少雷电流通道中导线的长度就至关重要。

雷电活动的主要规律为：

1 ）热而潮湿的地区，比冷而干燥的地区雷电多；低纬度地区比高纬度地区的雷电多，我国雷电发生频率的递减顺序为华南、西南、长江流域、华北、东北、西北；南方多于北方，东部多于西部，山区多于平原，平原多于沙漠，内陆多于滨海或江湖地区。

2 ）土壤电阻率的相对值小时，有利于电荷的很快聚集，容易受到雷击，如局部电阻率较小的地方、土壤电阻率突变的地方、地下有导电矿物的地区、以及岩石山或土山的山角及山腰等。

3 ）山的东、南坡雷击机率多于山的西、北坡；山中平地雷击机率多于峡谷；湖边、海边雷击机率较小，但如有山丘，则其靠湖、海一面山坡被雷击的机率较大。

4 ）空旷地中的孤立建筑物、建筑群中的高耸建筑物容易受击；屋旁的大树、接收天线、山区输电线容易受雷击；屋顶为金属结构、地下埋有大量金属管道或内部存放大量金属设备的厂房容易受雷击；排出导电尘埃的厂房及废气管道容易受雷击；建筑群中个别特别潮湿的建筑也容易受雷击。

2.2 　雷电过压的产生

通信能源系统中雷电过电压的来源主要有三种：直击雷、感应雷和线路来波。

1 ）直击雷：一是通信局（站）的建筑物遭到直接雷击，雷电流沿接闪器、引下线和接地体泄放时将导致地电位升高，可能出现反击设备的现象；二是通信系统的外引线在通信局（站）内部或距离很近的地方遭到直接雷击或雷击发生在这些外引线附近时，将发生高电位和大电流引入现象。例如雷电击铁塔时，就将有部分雷电流和高电位沿馈线进入到机房内设备中。

2 ）感应雷：雷电流还可通过电磁感应或静电感应的方式在设备间产生出危险电压或电流。

3 ）雷电过电压侵入或线路来波：即通信系统的外引线在距通信局（站）稍远的地方遭到雷击，这时部分雷电过电压将沿这些外引线进入到机房内设备中。

2.3 　暂态过电压的产生

常见暂态过电压有：转移过电压、断零过电压、断线谐振过电压、以及中性线漂移形成的过电压。此外，空载线路的电容效应、不对称接地故障、以及突然甩负荷，也可能产生出危险的暂态过电压。

 

3. 　过电压的危害机制

来自不同国家、不同单位的统计数据都表明，尽管闪电的发生次数每年都大致相同，但电子设备因雷击而损坏的次数和比重都呈明显上升趋势。设备自身耐受过电压的能力，相当于其免疫力普遍越来越低，是造成这一现象的主要原因。设备的过电压耐受水平的下降，主要缘于其内部半导体元器件的广泛应用、集成度越来越高和电源电压越来越低。随着人们对便利物质生活的不懈追求，这一趋势仍将持续发展下去，给产品防护技术带来更多、更重要的挑战和研究课题。此外，对过电压缺乏有效的内部及系统保护措施，也是发生设备损坏越来越多现象的一个不可忽视的因素。

过电压可经设备的任一、几个或全部端口进行耦合，并造成设备损坏。这些端口包括：外壳端口（ enclosure port ）、交流电源端口（ AC power port ）、直流电源端口（ DC power port ）、控制信号端口（ control/signal port ）和接地端口（ earth port ）。值得指出的是，接地端口在分析和解决问题时往往被有意或无意地忽略。过电压的耦合机制有辐射耦合、感性耦合、容性耦合和阻性耦合等四种，阻性耦合又可分为阻性直接耦合如雷电过电压侵入、公共地阻抗耦合如地电位升、及转移阻抗耦合如电缆屏蔽层对芯线的耦合等。

 

4. 　关于过电压保护

4.1 　基本保护方法

对于过电压的具体保护措施，已有一些较好的归纳和总结，本文不再赘述，仅简单谈一谈处理这类问题的思想方法。

大家都知道，过电压的“源”是在设备外部（内部过电压的问题应由设备厂家自行解决，不在本文讨论范围之内），即过电压只可能从外界威胁到设备的正常运行和安全，因此首先就要想到能减小或切断这种威胁的方法，即可以减少或阻止过电压能量到达设备的方法，这些方法包括：①衰减或转移能量，如采用屏蔽、滤波、加装电涌保护器（ SPD ）等措施。②断开危险线路，如采用熔断器、断路器等。注意，这一方法要在条件允许时才可以实施。③电气隔离，如采用隔离变压器、光耦等。

其次，若采用上述方法能够消除或完全阻止过电压能量到达设备，那无疑是非常理想的，但是出于过电压本身的不确定性、技术实现上的困难、以及技术经济比差等因素的考虑，将过电压能量完全消除或阻止的想法是不现实的，这时就需要想到能够增强设备抵抗剩余能量威胁的方法。这些方法包括：提高设备的工作电压范围、提高设备的绝缘强度、以及设计和实施完善的等电位连接与接地网络等。

4.2 　常用 SPD 元器件

SPD 是电涌保护器（ Surge Protective Device ）的缩写，它用以抑制瞬态过电压以及旁路电涌电流，包含至少一个非线元件。 SPD 常被分为两大类：一类被称作开关型，如火花间隙、雷击电流放电器、气体放电管、晶闸二极管等；另一类被称作限压型，如压敏电阻、瞬变抑制二极管等。

在通信能源系统中，常用的 SPD 是开关型的火花间隙或雷击电流放电器、以及限压型的压敏电阻，二者在应用性能上各有优缺点。

火花间隙或雷击电流放电器主要具有冲击通流容量大如可承受幅值较高的 10/350 μ s 电流波形的冲击、以及导通后两端电压很低（注意：根据　 IEC 61643-1 的有关规定，开关型 SPD 的残压或电压保护水平并不低）的优点，但它同时也存在需要遮断续流、无法遥信、无法劣化指示、以及对半导体元器件影响明显的 di/dt 及 du/dt 值都很大等问题，特别是续流问题限制了它在相线间及相线对中线间的应用，严格来讲，火花间隙或雷击电流放电器只有接在运行质量稳定的 TT 供电系统的中线对地线间才是本质安全的。此外，火花间隙或雷击电流放电器目前还无法实现故障遥信功能，这使得它在无人值守站中难以得到有效应用。

与开关型 SPD 不同的是，压敏电阻的伏安特性是连续和递增的，因此它不存在续流遮断问题、 di/dt 及 du/dt 的值也相对较小，但其泄流本领相对较弱（近年来也出现通过采用并联技术使冲击通流容量达到 以上的产品）。此外，基于压敏电阻的 SPD 一般都可以实现遥信告警和劣化指示功能。

4.3 　相关标准简介

通信防雷与接地标准的来源主要有：国内规范如国家标准 GB 和通信行业规范 YD ，国际电信联盟的 ITU-T K 系列建议，以及 IEC 系列标准。

常用国内规范包括： GB 50057-94 （ 2000 年版）《建筑物防雷设计规范》， GB/T 17949.1-2000 《接地系统的土壤电阻率、接地阻抗和地面电位测量导则　第 1 部分　常规测量》，主要规定 SPD 选用的 YD/T 5098-2001 《通信局（站）雷电过电压保护工程设计规范》，接地设计方面的基础规范 YDJ 26-89 《通信局（站）接地设计暂行技术规定（综合楼部分）》， YD 2011-93 《微波站防雷与接地设计规范》，以及 YD 5068-98 《移动通信基站防雷与接地设计规范》。

ITU-T K 系列建议主要是： K.11 《过电压和过电流防护的原则》， K.20 《电信交换设备耐过电压和过电流的能力》， K.27 《电信大楼内的联接结构和接地》， K.36 《保护装置的选择》， K.39 《电信场所的雷击危害性评估》， K.40 《电信中心的雷电电磁脉冲防护》和 K.41 《电信中心的内部接口耐浪涌过电压的能力》。

IEC 系列标准主要是：有关低压系统内设备绝缘配合的 IEC 60664 系列，有关电气安全的 IEC 60364 系列，有关建筑物防雷的 IEC 61024 系列，有关雷电电磁脉冲防护的 IEC 61312 系列，有关雷击危害性评估的 IEC 61662 ，有关 SPD 的 IEC 61643 系列，以及有关 SPD 元件的 IEC 61647 系列。

此外，大家可能还会看到一个常被引用的标准 —— UL 1449 ，它是有关 SPD 安全认证的标准之一，全称是“ UL Standard for Safety for Transient Voltage Surge Suppressors ”， UL 是美国保险商实验室 Underwriters Laboratories Inc. 的缩写。凡是可能危及人身安全的电气电子产品，在北美地区使用前都必须通过 UL 认证。就约束力来说， UL 认证类似于我国的 3C 认证，但不同的是， UL 在世界其它一些国家也有较大影响力。 UL 认证主要关心产品是否存在或能否引发安全问题，而对性能和质量的要求一般较低或不完整。因此，一个通过了 UL 认证的产品并不一定就是好的、能满足使用要求的产品。作为安全认证标准的 UL 1449 ，与规定技术要求和测试方法的其它标准如 IEC 61643-1 等有着质的不同。涉及通信能源系统过电压保护的 UL 标准还有很多，需要另行专门介绍，在此恕不一一枚举。

 

5. 　通信能源系统的过电压保护设计

5.1 　基本保护原则

考虑通信能源系统的过电压保护问题时，需要坚持两条基本原则：一是系统防护原则，二是概率防护原则。

为什么要坚持系统防护原则呢？这是因为：①危险过电压，特别是雷电过电压的耦合机制多种多样，无孔不入；②因供电、数据与信息传输等业务需要，通信设备间存在着广泛的电连接；③国内规范、国际相关标准也有了这方面的要求。

应用系统防护原则，要求在通信能源设备中做到：①既要考虑到瞬态过电压的保护，也要考虑到暂态过电压的耐受与防护；②既要考虑到各种过电压的保护，也要考虑到电磁脉冲的防护；③考虑到每一个端口的保护；④将电涌保护器和被保护电路作为一个整体看待，进行良好的配合与协调，而不要单纯追求局部性能最优；⑤注意建立和完善从研究、设计、测试、生产、安装到维护，再到研究的全流程闭环质量保证体系中的各个环节。

应用系统防护原则，要求在通信能源系统中做到：①过电压保护措施，必须符合相关标准和规范的要求；②过电压保护措施的加入，不能影响其它通信设备间的正常运行和互联互通；③提出合理的机房环境要求，但努力降低依赖性；④提出合理的安装与维护要求；⑤能提供过电压全面解决方案。

另外，还要坚持概率防护原则，这是因为：①雷电的形成和发生，还具有一定的随机性和不确定性，雷电参数的取值也具有一定的统计性质；②雷电是一种自然现象，防雷装置并不能阻止雷闪的形成；③受现有技术手段的限制，防雷装置还不能消除或完全阻止所有过电压，设备的过电压耐受水平也是很有限的；④受到技术经济比因素的约束，因为高水平过电压的出现概率是很小的，但它所对应的防护费用则会急剧上升。

根据概率防护原则，需要：①对高电压试验方法进行深入研究，以保证科学性；②对设备进行多种波形、幅值的模拟冲击测试；③虽然雷击是小概率事件，但不能报侥幸心理；④对被保护电路本身提出过电压耐受指标；⑤设备的冲击通流容量的指标应明显高于国内外标准的要求。

5.2 　主要端口的保护要求

1 ）外壳端口的保护

在外壳端口实施的保护措施，主要是屏蔽。考虑到通信能源设备在我国使用前都需通过第三方机构的 EMC 测试，其中已包含对辐射（屏蔽）的要求；以及依据 IEC 61312-1 对防雷区划分的规定，通信能源设备内被保护电路一般属于 LPZ 2 或电磁环境参数更弱的后续防雷区；基本可以认为现有品质优良的通信能源设备在提供外壳端口保护方面已是合理有效的。笔者曾对遭雷击的通信开关电源中被损坏的元器件进行过统计分析，结果表明绝大多数损坏器件都明显同 I/O 部分有电气连接，并从未发现存在 I/O 附近元器件完好而远离 I/O 处元器件却损坏的情况，这与上述分析是相吻合的。

有关磁场强度的衰减的计算方法，需视具体情况而定，详细规定请见国标 GB 50057-94(2000 年版）中第 6.3.2 条。

2 ）交流电源端口的保护

①通流容量（ 波形）：对于通信能源设备而言，应不低于 20kA × 10 次及 40kA × 1 ；对于通信局（站）低压配电系统而言，应依照 YD/T 5098-2001 的有关规定，视通信局（站）的类型、年雷暴日多少和地理环境等具体情况而定。

②最大持续工作电压：应能使通信能源设备的 TOV 耐受特性满足 IEC 61643-1 和 UL 1449 的要求，除在供电质量较好的城市内可以取为 275V 外，在其它地区均应取到 320V 乃至更高。当然，最大持续工作电压的取值增大后， SPD 的电压保护水平也将升高，对这一问题，需依据系统防护原则进行分析解决。

③应具备遥信告警功能，提供遥信告警接口，这一点对于移动基站、接入网点等无人值守站来说尤其重要。

④使用的 SPD 应有安全、有效和可靠的失效保护措施，对熔断器或断路器的额定电流、分断特性和动作特性等要求均应在大量试验基础上加以确定，对熔断器或断路器的来料质量也应有严格要求。

⑤对 SPD 特别是第一级 SPD 的安装方式应引起充分重视。笔者曾到过多个省市的电信、移动和联通机房现场，发现普遍存在 SPD 接地线过长的问题，一般都在 3 米以上，有些甚至超过了 10 米，引发不少 SPD 完好但设备却损坏的“奇怪”现象。接地线越长，其电感量（常用铜导线的电感值约 1 ～ 1.6 μ H/m ）将越大，雷电流因其陡度 di/dt 作用而产生的压降也就越大，一般都在数 kV 以上。施加到设备的残压并不只是 SPD 的残压，还包括在接地线上的压降，因此要努力缩短接地线的年度。使 SPD 紧靠机房接地排安装，是解决这一问题的根本办法。

3 ）直流电源端口的保护

因现行电信设备入网规定对此没有明确要求，直流电源端口的保护问题常被不少设备厂家忽略。但是，直流侧雷击事故时有发生，并且因目前普遍采用集中供电方式，其后果往往是灾难性的，极易造成通信瘫痪。

对直流电源端口的保护要求主要有：

①通流容量（ 波形）：对于通信能源设备而言，应不低于 5kA × 10 次及　　 10kA × 1 次；对于通信局（站）内直流配电系统而言，依照 YD/T 5098-2001 的有关规定，应不低于 15kA × 1 次。

②最大持续工作电压：一般应不低于 75V 。

③应具备遥信告警功能，提供遥信告警接口，这一点对于移动基站、接入网点等无人值守站来说尤其重要。

④使用的 SPD 应有安全、有效和可靠的失效保护措施，对熔断器或断路器的额定电流、分断特性和动作特性等要求均应在大量试验基础上加以确定，对熔断器或断路器的来料质量也应有严格要求。

4 ）控制信号端口的保护

①通流容量（ 波形）：需结合现场情况，根据通信局（站）的类型、年雷暴日多少与地理环境，以及控制信号线的长度、布线方式与保护级别等因素，依照 YD/T 5098-2001 的有关规定加以确定，其中标称放电电流一般应不低于 3kA 。

②最大持续工作电压：一般应不低于控制信号电平峰值的 1.2 倍。

③应不影响到控制信号的传输质量，传输速率和带宽满足设备接口要求，插入损耗一般应低于 0.2dB 。

④控制信号用 SPD 的失效指示和遥信告警功能，有待进一步研究解决。

5.3 　接地问题

出于对现行规范的理解、认识和执行的不统一，或受到通信局（站）环境条件的限制，或屈从于通信局（站）内一些通信设备厂家的不合理要求，或按过去建立在模拟通信基础上的观点来处理当今数字通信系统的接地问题等原因，目前在通信局（站）的工程设计或施工中仍存在一些接地不当问题，需要及时加以解决。

首先是通信设备的接地问题，需要厂家将诸多接地，如保护接地、 SPD 的接地、直流电源的接地和低压配电系统的接地等等，进行综合考虑，并保证接入的等电位连接网络无论是网状 IBN 系统还是网状 BN 系统，都不会发生设备及系统工作异常变化的情况，系统 EMC 性能的改变也应在允许范围之内。

其次是关于接地基准点的选择问题。接地基准点是指信息设备或系统的等电位连接网络与共用接地系统之间唯一的一点连接点。实际上，接地基准点并不是一个点，而必然有足够的大小，以适应等电位连接导体的连接。选择接地基准点的目的是保障设备及系统的正常运行，这也是判断接地基准点选择恰当与否的标志。从防雷保护角度看，接地基准点越靠近设备越好，因为在这种情况下用于连接设备和接地基准点的等电位连接导体的长度可以做到最短，从而能保证在雷电流通过时等电位连接导体两端的电压降最低。

另外，接地电阻问题也是大家比较关心的。根据 YD5068-98 《移动通信基站防雷与接地设计规范》的要求，基站的接地电阻值应小于 5 ? 。但是，许多建在山上的基站因所处地理环境特殊，多为岩石或多石土壤，土质很差、大地电阻率极高，实际上很难做到规范所要求的这一接地电阻值。那么，接地电阻值的大小究竟会有什么影响呢？大量实践表明，移动通信基站的接地电阻值是从几欧姆到几十欧姆不等。对于正在运行的基站设备，接地电阻值的大小对其技术参数以及信号传输质量没有任何影响。即接地电阻值是大还是小，都不会影响到基站设备的正常工作。从防雷保护角度上讲，接地电阻值是越小越好。这主要是因为接地系统流过雷电流时会使地电位升高，从而产生危险的接触电压和跨步电压。但是，同低的接地电阻值相比，正确的等电位连接措施显得更为重要。通过采用均衡大地电位、实施共用接地以及改进接地线敷设方式等方法，可以保证在雷击时基站内各处电位基本同样上升，这样基站设备内部或基站设备间就没有危险的电位差出现，从而可以确保基站设备的安全。因此，对基站的接地电阻值的要求不必过于严格，应在力所能及、经济合理的前提下尽可能地做小。虽然对接地电阻值的大小要求可以降低，但是测量和定期复测接地电阻值仍是必要的，以确定接地系统是否真空完整及其变化情况。

6. 　结束语

通信能源系统中过电压本身的多样性、随机性和不确定性，决定了在处理这类过电压保护问题时需依照系统防护和概率防护的观点，对保护对象、周边环境、保护方法和保护手段进行全面细致的考虑，实现很好的技术经济指标。