开关型浪涌保护器用于信息通信低压配电系统的可行性研究

发布时间:2022-09-23 10:34:04 来源:欧宝平台APP 作者:欧宝app安装

  工学硕士,中国电信股份有限公司研究院,高级工程师,通信电磁安全领域资深专家,中国通信标准化协会(CCSA)TC9-WG1(电磁环境)标准工作组副组长,广东省辐射防护协会电磁环境专委会副主任委员,长期从事通信电磁安全技术和网络运营技术的研究工作。

  分析了开关型和限压型浪涌保护器(SPD)的性能特点与应用要求 , 对开关型浪涌保护器的续流遮断能力这一关键性能指标进行了案例测试验证,研究和探讨了开关型浪涌保护器用于信息通信低压配电交流系统(220/380VAC)的可行性。

  微电子技术的飞速发展推动着信息通信高速换代,近二十年来经历了从数字程控到软交换、IMS 以及全网IP 化的转变,从 2G、3G、4G 发展到现在的 5G。一方面信息通信正逐步实现宽带化、智能化,另一方面高度集成化的信息设备的耐雷电、浪涌等过电压冲击能力严重下降。我国作为一个全年平均雷暴日较高国家,特别华南和西部地区,年均雷暴日超过 80~120 天。雷害调查发现,在信息通信系统的雷害事故中,雷电流通过低压配电线路窜入而导致的通信设备损坏占了很大比例。显然,在通信配电系统中安装浪涌保护器(SPD: Surge Protective Devices),已成为现代信息通信系统雷电防护的重要手段。

  事实上,信息通信电源系统的防雷一直也都是通信系统雷电防护的重中之重,国内通信局站电源系统大多采用二、三级乃至四级的多级保护,分别在(220/380VAC)低压配电屏、市电油机转换屏、交流配电屏等输入端,或开关电源、整流器、UPS、通信用空调电源等输入端,中心机房的交流列(头)柜输入端,室外的 3G/4G/5G 基站的供电系统输入端等位置处,安装冲击通流容量等级不同的浪涌保护器(SPD),提升通信电源系统的抗雷击能力。

  不过,由于历史原因,较长一段时间内,国内信息通信电源系统中广泛使用的主要是防雷与安全性能都得到有效验证的限压型浪涌保护器(SPD),而开关型浪涌保护器(SPD)因存在其续流遮断能力的可靠性和安全性担忧问题,其应用场景则被限制在一定的保护模式(如 N-PE)范围内使用。

  随着这些年来开关型 SPD 技术的不断进步,其安全性能也得到显著提高,同时国内对开关型 SPD 的测试验证条件日趋成熟与完善,开关型 SPD 作为一种高性价比的浪涌保护产品,正逐步在各行各业得到越来越广泛的应用或试用。

  本文阐述了信息通信低压配电系统用浪涌保护器(SPD)技术标准的发展历程,系统分析了开关型 SPD 和限压型 SPD 的技术特点和应用要求 , 同时对开关型 SPD的关键性能指标之一续流遮断能力(Ifi :follow current interrupt rating)进行了测试验证,研究和探讨了开关型SPD 用于信息通信低压配电系统(交流 220/380VAC)的可行性与安全性。

  【备注】续流遮断能力是指 SPD 在脱离器不动作的情况下,SPD 能够分断的预期短路电流值。

  伴随着我国通信技术的快速发展,电源防雷对信息通信系统的安全运行越来越重要,从 2000 年开始大量的浪涌保护器(SPD)广泛使用在我国通信局(站)配电系统中。鉴于国外 / 国内 SPD 产品质量的参差不齐,为了满足我国信息通信系统的防雷安全保护需要,以及规范信息通信低压配电系统(交流 220/380 V 系统)用 SPD 的技术要求与测试方法,为 SPD 的制造、生产、检验、选择、安装和使用等提供相应技术依据,在 2002 年 11 月,我国制定发布了通信行业标准 YD/T1235.1-2002《通信局(站)低压配电系统用电涌保护器技术要求》、YD/T1235.2-2002《通信局(站)低压配电系统用电涌保护器试验方法》(以下简称 YD/T1235)。

  通过近 20 年来的使用,YD/T1235 标准对于提升信息通信低压交流用 SPD 产品质量和保障通信电源系统安全发挥了重要作用,目前 YD/T1235 标准有效并一直沿用至今。

  限于当时国际上对开关型 SPD 的续流遮断能力(Ifi)这一最重要的电气安全性能的可靠性和安全性存在较大争议,以及我国那时还缺乏对开关型 SPD 产品续流遮断能力的必要试验验证条件,加上市场上开关型 SPD 产品质量良莠不齐,结合我国通信电源“防掉电”、通信系统“防中断”的网络运营要求与通信机房防火安全因素,因此,在 YD/1235 标准中特别规定了开关型 SPD 的应用指南范围:“限压型 SPD 和具有限压特性的组合型 SPD 可用于任一保护模式。电压开关型 SPD 和具有开关特性的组合型 SPD 在 L-N 模式下应用时,其续流遮断的安全性问题还正在研究之中,因此本标准暂不涉及此方面的内容” 。

  也就是说,限压型 SPD 适宜在通信电源系统保护中广泛使用,而开关型 SPD 在其续流遮断能力的安全可靠性没有得到试验有效验证之前,开关型 SPD 还不宜应用在系统通信低压配电系统的 L-N、L-PE、L-L 保护模式中(可以用在 N-PE),作为雷电浪涌等过电压保护装置。

  因为任何一个 SPD 都有两面性:一个是防雷性能即有效保护设备或系统,另一个是自身电气安全性能即不能对机房或设备造成安全隐患(如起火、掉电、中断通信)。那时开关型 SPD 被限制在一定保护模式范围的使用,实际是在开关型 SPD 续流遮断能力的可靠性无法被验证之际,更强调开关型 SPD 的安全性能重于其防雷性能。

  时至今日,随着开关型 SPD 技术的进步,其续流遮断能力可靠性不断提升,自身热稳定性能和防火安全性能也得到了显著提高。此外,现阶段我国不少检测机构已具备开关型 SPD 续流遮断能力的测试验证条件,同时,目前国际标准 IEC61643 系列和我国国家标准 GB/T18802.11-2020 等都已对开关型 SPD 的技术要求、安全性能与测试方法制定了详尽而严格的规定。因此,对于通过了国家相关技术标的验证与检验的开关型 SPD,在通信配电系统中的应用是否还需再限制其应用范围,或者说是否可以根据实际场景与需要来使用,正是本文要讨论与研究的重点。

  鉴于此,我国的通信行业标准 YD/1235 修订也已提到议事日程并正在重新制订中,修订的重点内容之一是对开关型 SPD 的性能要求与测试方法进行研究与制定,以及应用要求进行重新评估。

  信息通信电源系统用的电涌保护器(SPD)通常有 3 种 类型:限压型 SPD、开关型 SPD、组合型 SPD,实际应用中大多采用并联方式或开尔文连接(Kelvin connections)为主。下面分别进行相关技术特性的介绍。

  限压型 SPD 在无浪涌瞬时过电压时呈高阻态,但随着浪涌电流和电压的增大,其阻抗不断降低的一种 SPD。限压型 SPD 的电流电压特性为强烈非线性,有时被称为“箝压型 SPD”。限压型 SPD 的常用器件有:压敏电阻器(MOV)、瞬态抑制二极管(TV 器件)、稳压二极管等。

  通信交流系统用的限压特性的 SPD 主要由氧化锌压敏电阻器(MOV)制作而成,在对浪涌过电压进行响应时,其阻抗降低但并不会表现为极低阻抗,而是存在一定幅度的“箝位电压”,也就是限制电压,因此限压型 SPD 不存在明显的工频续流问题,合适使用在有源电力线如 L-N、L-PE、L-L 或 N-PE 之间的所有保护模式中。

  【备注】工频续流是指 SPD 被施加冲击放电电流以后,由交流电源系统流入 SPD 的电流峰值。

  不过,通常由于 MOV 器件存在毫安级的漏电流(残流)特性,限压型 SPD 长时间使用后容易造成自身漏电流增大,导致热稳定性变差以及使用寿命显著缩短的问题,因此,限压型 SPD 对热保护脱离装置的要求较高。

  【备注】脱离装置是在 SPD失效时,把 SPD 或 SPD 的一部分从电源系统断开的装置。

  开关型 SPD 在无浪涌冲击时呈高阻态,近似开路,但一旦响应雷电浪涌等瞬时过电压时,其阻抗突变为较低或极低阻抗,近似短路,允许雷电流通过,即具有“Crowbar电路”的开关特性,有时也被称为“短路开关型 SPD”。开关型 SPD 的常用器件有:火花间隙、石墨间隙、气体放电管、固体放电管 / 半导体放电管、晶闸管等。

  由于开关型 SPD 在雷电浪涌冲击时呈现低阻态,如果 SPD 自身没有相应的续流遮断能力(Ifi),将导致较大的工频电流持续流经 SPD,续流大小与现场能提供的预期短路电流有关,可能几十 A 乃至 kA 级别,较长时间的续流将使得在雷电浪涌消失后 SPD 也无法恢复到正常的高阻(开路)状态,持续的续流将造成 SPD 过热甚至炸裂烧毁,引发火灾安全隐患。

  因此,开关型 SPD 通常只用于电源系统 N-PE 之间(或低压低流的信号系统中),如果应用在有源电力线 L-PE、L-N 或 L-L 的保护上,开关型 SPD 必须具备可靠的续流遮断能力。同时,为了防止开关型 SPD 无法遮断续流的意外发生,通常还需配置后备保护装置(如熔丝、断路器、剩余电流装置 RCD 等)。

  由开关型器件和限压型器件组合而成的一种 SPD。依据所加电压的特性,它可呈现出开关的特性或限压的特性或者这两者兼有的特性。

  因此,组合型 SPD 的应用,必须根据其对雷电浪涌响应的特性(即开关特性或限压特性)来使用。

  关于通信配电系统用的限压型和开关型 SPD 的雷电浪涌和电气安全性能的技术特点对比如表 1 所示。

  从上述表 1 可以看出,与限压型 SPD 相比,开关型SPD 在雷电浪涌和电气安全性能方面也有着自身的特点,如:雷电冲击通流容量大、耐多次冲击能力强、使用寿命长、残压低、几乎无漏电流等特性。

  因此,如果开关型 SPD 的续流遮断能力的可靠性和安全性能得到进一步的测试验证的话,与限压型 SPD 一样可以使用在其他保护模式上(如 L-N、L-PE 等),将可以更好发挥开关型 SPD 良好的雷电泄放能量强和使用寿命长的特性,丰富信息通信电源系统保护用 SPD 产品的选择与应用。

  开关型 SPD 能否安全地用于通信交流电源系统的核心关键技术指标是(工频)续流遮断能力(Ifi)是否可靠。为了验证目前市场上开关型 SPD 产品的续流遮断能力,本文选取了其中 A、B、C 三组不同型号的开关型 SPD 样品,依据国家标准 GB/T18802.11-2020《低压电涌保护器(SPD)第 11 部分:低压电源系统的电涌保护器性能要求和试验方法》规定的 8.4.4(动作负载试验)中的试验流 程,通过Ⅰ/Ⅱ类动作负载试验来测试验证续流遮断能力。

  进行动作负载试验的开关型 SPD 样品(A、B、C)基本参数如表 2 所示。

  (1)冲击次数:对 SPD 施加 15 次 8/20 μs 正极性的冲击电流,分成 3 组 , 每组 5 次冲击。每次冲击应与电源频率同步。从 0 角开始,同步角应以 30 ±5 的间隔逐级增加。

  (2)SPD 应施加电压 Uc:在施加每组冲击时,交流电源和预期短路电流应符合 GB/T18802.11 标准的 8.4.4.3 条中规定的要求。

  (3)复燃检查:在施加完每组冲击和遮断最后的续流(如有)之后,应继续加电至少 1 min 来检查 SPD 是否复燃。

  (4)热稳定性:在最后一组冲击和继续加电 1 min 后,SPD 保持加电或在 30 s 内加电到 Uc,并保持 15 min 来检查热稳定性。

  (5)当 SPD 按 I 类试验时,应施加峰值与 Iimp 相当的 8/20 μs 冲击电流。当 SPD 按Ⅱ类试验时,应施加 In 的8/20 μs 冲击电流。两次冲击之间的间隔时间为 50~60 s,两组冲击之间的间隔时间为 30~35 min。

  (6)击穿或闪络的检查:每次冲击记录电流波形时,检查 SPD 是否显示有击穿或闪络的迹象。

  根据上述试验流程要求,进行了 A、B、C 三组样品的动作负载试验,测试验证了开关型 SPD 的续流遮断性能与安全性能情况,试验结果如表 3 所示。

  上述表 3 的开关型 SPD 的动作负载试验结果可以看出,在规定的动作负载测试冲击试验中,这 3 组样品的安全性能都得到了可靠验证,样品没有出现击穿、闪络的迹象和复燃问题,热稳定性能保持良好。

  (1)动作负载试验过程中,样品 C 没有出现续流,样品 A 和 B 中出现的一次最大续流为 1.58 kA(持续时间为 7.9 ms),SPD 动作引起的瞬时续流产生的熔断热能值(即熔断器断开所需的能量值),可根据公式 I2t 得出热容值约为 19 722 A2 s(小于 20 000 A2s),其对应所需的后备熔断器(熔丝)额定电流 63 A 则可满足供电线路不动作,即不会造成电源线路的跳闸或熔丝烧毁。

  【备注】熔断热能值对于每一种不同的熔断体或熔丝部件来说是个常数,也是熔断体本身的一个参数,由熔丝的设计所决定。

  (2)考虑到通信局站电源系统各分支线路配置的熔断器额定电流通常大多超过 63 A,如:100 A、160 A、200 A、250 A、400 A、630 A、800 A 等。因此,可以认为在本文试验条件下(预期短路电流 3 kA、冲击电流 In为 20 kA),依据 GB/T18802.11 标准规定的动作负载试验中,这 3 组样品都不存在续流不能及时遮断的可靠性问题,也不存在引起供电线路后备保护装置动作(如熔丝烧毁)的问题,即本次试验的开关型 SPD 续流遮断能力的可靠性和安全性都得到了有效验证。

  根据 IEC 国际标准要求,SPD 的续流遮断能力应与安装现场的最大预期短路电路相对应。本文试验成功验证了在预期短路电流 3 kA 时开关型 SPD 续流遮断能力的可靠性与安全性,尽管本文尚未测试较大预期短路电流(如10~50 kA)条件下的开关型 SPD 的续流遮断能力情况,但目前国内已有检测机构对较大预期短路电流的续流遮断能力进行了试验验证,并取得了良好的预期结果。

  此外,随着开关型 SPD 的设计水平和生产制造工艺的大幅提升,以及事实上这些年开关型 SPD 在不同行业得到了较大范围的使用或试用结果来看,开关型 SPD 的损坏率与限压型的基本处在同一水平,近年来也基本没有出现由于使用了开关型 SPD 而导致的严重质量问题与安全事故。

  鉴于开关型 SPD 产品质量的日趋成熟,其续流遮断能力的可靠性与安全性也进一步得到了国内检测机构的试验验证,现场实际使用的反馈结果也良好,加上有严格的国家标准对开关型 SPD 进行测试认证,因此,在实际应用中,同时加强与执行好安装规范要求,合理配置后备保护装置,对于开关型 SPD 应用在信息通信配电系统的 L-N或 L-PE 等保护模式,建议今后可以逐步在一定范围的信息通信局站系统(如二、三类局站)中试用或使用,并根据使用或试用情况再考虑更进一步的应用,相信未来开关型 SPD 整体上是可行和安全的。

  开关型 SPD 作为一种雷电泄流能力强、耐冲击和使用寿命长的重要浪涌保护器,由于前述综合原因,大多限定在 N-PE 模式上使用,如果产品质量过关并能安全、可靠地应用于信息通信配电系统的其他模式上作为浪涌保护装置,对于降低通信电源系统的雷电防护运营成本以及提升维护效率将发挥较大作用。

  本文对比分析了开关型 SPD 和限压型 SPD 的技术特性与应用特点 , 依据 GB/T11802.11 国家标准规定的动作负载试验要求,对开关型 SPD 续流遮断能力的可靠性和安全性进行了测试验证并取得了良好预期效果。同时,结合开关型 SPD 的实际使用情况 , 以及国际标准 IEC61643 和国家标准 GB/T11802.11 对开关型 SPD 的严格测试要求,研究与探讨了开关型 SPD 用于信息通信低压配电系统的可行性与安全性,希望能为今后开关型 SPD 在通信低压(220/380VAC)配电系统中的科学应用与选择提供有用的参考价值。

  1 GB/T11802.11-2020《低压电涌保护器(SPD)第 11 部分:低压电源系统的电涌保护器 性能要求和试验方法》.

  2 YD/T1235.1-2002《通信局(站)低压配电系统用电涌保护器技术要求》.

  3 YD/T1235.2-2002《通信局(站)低压配电系统用电涌保护器测试方法》.

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