開關(guān)型浪涌保護(hù)器用于信息通信低壓配電系統(tǒng)的可行性研究

［羅森文］

1 引言

微電子技術(shù)的飛速發(fā)展推動(dòng)著信息通信高速換代，近二十年來經(jīng)歷了從數(shù)字程控到軟交換、IMS 以及全網(wǎng)IP 化的轉(zhuǎn)變，從2G、3G、4G 發(fā)展到現(xiàn)在的5G。一方面信息通信正逐步實(shí)現(xiàn)寬帶化、智能化，另一方面高度集成化的信息設(shè)備的耐雷電、浪涌等過電壓沖擊能力嚴(yán)重下降。我國作為一個(gè)全年平均雷暴日較高國家，特別華南和西部地區(qū)，年均雷暴日超過80～120 天。雷害調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在信息通信系統(tǒng)的雷害事故中，雷電流通過低壓配電線路竄入而導(dǎo)致的通信設(shè)備損壞占了很大比例。顯然，在通信配電系統(tǒng)中安裝浪涌保護(hù)器（SPD:Surge Protective Devices），已成為現(xiàn)代信息通信系統(tǒng)雷電防護(hù)的重要手段。

事實(shí)上，信息通信電源系統(tǒng)的防雷一直也都是通信系統(tǒng)雷電防護(hù)的重中之重，國內(nèi)通信局站電源系統(tǒng)大多采用二、三級乃至四級的多級保護(hù)，分別在（220/380VAC）低壓配電屏、市電油機(jī)轉(zhuǎn)換屏、交流配電屏等輸入端，或開關(guān)電源、整流器、UPS、通信用空調(diào)電源等輸入端，中心機(jī)房的交流列（頭）柜輸入端，室外的3G/4G/5G 基站的供電系統(tǒng)輸入端等位置處，安裝沖擊通流容量等級不同的浪涌保護(hù)器（SPD），提升通信電源系統(tǒng)的抗雷擊能力。

不過，由于歷史原因，較長一段時(shí)間內(nèi)，國內(nèi)信息通信電源系統(tǒng)中廣泛使用的主要是防雷與安全性能都得到有效驗(yàn)證的限壓型浪涌保護(hù)器（SPD），而開關(guān)型浪涌保護(hù)器（SPD）因存在其續(xù)流遮斷能力的可靠性和安全性擔(dān)憂問題，其應(yīng)用場景則被限制在一定的保護(hù)模式（如N-PE）范圍內(nèi)使用。

隨著這些年來開關(guān)型SPD 技術(shù)的不斷進(jìn)步，其安全性能也得到顯著提高，同時(shí)國內(nèi)對開關(guān)型SPD 的測試驗(yàn)證條件日趨成熟與完善，開關(guān)型SPD 作為一種高性價(jià)比的浪涌保護(hù)產(chǎn)品，正逐步在各行各業(yè)得到越來越廣泛的應(yīng)用或試用。

本文闡述了信息通信低壓配電系統(tǒng)用浪涌保護(hù)器（SPD）技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展歷程，系統(tǒng)分析了開關(guān)型SPD 和限壓型SPD 的技術(shù)特點(diǎn)和應(yīng)用要求,同時(shí)對開關(guān)型SPD的關(guān)鍵性能指標(biāo)之一續(xù)流遮斷能力（Ifi：follow current interrupt rating）進(jìn)行了測試驗(yàn)證，研究和探討了開關(guān)型SPD 用于信息通信低壓配電系統(tǒng)（交流220/380VAC）的可行性與安全性。

【備注】續(xù)流遮斷能力是指SPD 在脫離器不動(dòng)作的情況下，SPD 能夠分?jǐn)嗟念A(yù)期短路電流值。

2 我國信息通信用（交流）SPD 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)情況

2.1 通信電源SPD 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展歷程

伴隨著我國通信技術(shù)的快速發(fā)展，電源防雷對信息通信系統(tǒng)的安全運(yùn)行越來越重要，從2000 年開始大量的浪涌保護(hù)器（SPD）廣泛使用在我國通信局（站）配電系統(tǒng)中。鑒于國外/國內(nèi)SPD 產(chǎn)品質(zhì)量的參差不齊，為了滿足我國信息通信系統(tǒng)的防雷安全保護(hù)需要，以及規(guī)范信息通信低壓配電系統(tǒng)（交流220/380 V 系統(tǒng)）用SPD 的技術(shù)要求與測試方法，為SPD 的制造、生產(chǎn)、檢驗(yàn)、選擇、安裝和使用等提供相應(yīng)技術(shù)依據(jù)，在2002 年11 月，我國制定發(fā)布了通信行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YD/T1235.1-2002《通信局（站）低壓配電系統(tǒng)用電涌保護(hù)器技術(shù)要求》、YD/T1235.2-2002《通信局（站）低壓配電系統(tǒng)用電涌保護(hù)器試驗(yàn)方法》（以下簡稱YD/T1235）。

通過近20 年來的使用，YD/T1235 標(biāo)準(zhǔn)對于提升信息通信低壓交流用SPD 產(chǎn)品質(zhì)量和保障通信電源系統(tǒng)安全發(fā)揮了重要作用，目前YD/T1235 標(biāo)準(zhǔn)有效并一直沿用至今。

2.2 YD/T1235 標(biāo)準(zhǔn)對開關(guān)型SPD 的應(yīng)用規(guī)定

限于當(dāng)時(shí)國際上對開關(guān)型SPD 的續(xù)流遮斷能力（Ifi）這一最重要的電氣安全性能的可靠性和安全性存在較大爭議，以及我國那時(shí)還缺乏對開關(guān)型SPD 產(chǎn)品續(xù)流遮斷能力的必要試驗(yàn)驗(yàn)證條件，加上市場上開關(guān)型SPD 產(chǎn)品質(zhì)量良莠不齊，結(jié)合我國通信電源“防掉電”、通信系統(tǒng)“防中斷”的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營要求與通信機(jī)房防火安全因素，因此，在YD/1235 標(biāo)準(zhǔn)中特別規(guī)定了開關(guān)型SPD 的應(yīng)用指南范圍：“限壓型SPD 和具有限壓特性的組合型SPD 可用于任一保護(hù)模式。電壓開關(guān)型SPD 和具有開關(guān)特性的組合型SPD 在L-N 模式下應(yīng)用時(shí)，其續(xù)流遮斷的安全性問題還正在研究之中，因此本標(biāo)準(zhǔn)暫不涉及此方面的內(nèi)容” 。

也就是說，限壓型SPD 適宜在通信電源系統(tǒng)保護(hù)中廣泛使用，而開關(guān)型SPD 在其續(xù)流遮斷能力的安全可靠性沒有得到試驗(yàn)有效驗(yàn)證之前，開關(guān)型SPD 還不宜應(yīng)用在系統(tǒng)通信低壓配電系統(tǒng)的L-N、L-PE、L-L 保護(hù)模式中（可以用在N-PE），作為雷電浪涌等過電壓保護(hù)裝置。

因?yàn)槿魏我粋€(gè)SPD 都有兩面性：一個(gè)是防雷性能即有效保護(hù)設(shè)備或系統(tǒng)，另一個(gè)是自身電氣安全性能即不能對機(jī)房或設(shè)備造成安全隱患（如起火、掉電、中斷通信）。那時(shí)開關(guān)型SPD 被限制在一定保護(hù)模式范圍的使用，實(shí)際是在開關(guān)型SPD 續(xù)流遮斷能力的可靠性無法被驗(yàn)證之際，更強(qiáng)調(diào)開關(guān)型SPD 的安全性能重于其防雷性能。

2.3 通信電源SPD 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展展望

時(shí)至今日，隨著開關(guān)型SPD 技術(shù)的進(jìn)步，其續(xù)流遮斷能力可靠性不斷提升，自身熱穩(wěn)定性能和防火安全性能也得到了顯著提高。此外，現(xiàn)階段我國不少檢測機(jī)構(gòu)已具備開關(guān)型SPD 續(xù)流遮斷能力的測試驗(yàn)證條件，同時(shí)，目前國際標(biāo)準(zhǔn)IEC61643系列和我國國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T18802.11-2020 等都已對開關(guān)型SPD 的技術(shù)要求、安全性能與測試方法制定了詳盡而嚴(yán)格的規(guī)定。因此，對于通過了國家相關(guān)技術(shù)標(biāo)的驗(yàn)證與檢驗(yàn)的開關(guān)型SPD，在通信配電系統(tǒng)中的應(yīng)用是否還需再限制其應(yīng)用范圍，或者說是否可以根據(jù)實(shí)際場景與需要來使用，正是本文要討論與研究的重點(diǎn)。

鑒于此，我國的通信行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YD/1235 修訂也已提到議事日程并正在重新制訂中，修訂的重點(diǎn)內(nèi)容之一是對開關(guān)型SPD 的性能要求與測試方法進(jìn)行研究與制定，以及應(yīng)用要求進(jìn)行重新評估。

3 浪涌保護(hù)器分類、技術(shù)特點(diǎn)與應(yīng)用要求

3.1 浪涌保護(hù)器的分類

信息通信電源系統(tǒng)用的電涌保護(hù)器（SPD）通常有3 種類型：限壓型SPD、開關(guān)型SPD、組合型SPD，實(shí)際應(yīng)用中大多采用并聯(lián)方式或開爾文連接（Kelvin connections）為主。下面分別進(jìn)行相關(guān)技術(shù)特性的介紹。

3.1.1 限壓型SPD

限壓型SPD 在無浪涌瞬時(shí)過電壓時(shí)呈高阻態(tài)，但隨著浪涌電流和電壓的增大，其阻抗不斷降低的一種SPD。限壓型SPD 的電流電壓特性為強(qiáng)烈非線性，有時(shí)被稱為“箝壓型SPD”。限壓型SPD 的常用器件有：壓敏電阻器（MOV）、瞬態(tài)抑制二極管（TV 器件）、穩(wěn)壓二極管等。

通信交流系統(tǒng)用的限壓特性的SPD 主要由氧化鋅壓敏電阻器（MOV）制作而成，在對浪涌過電壓進(jìn)行響應(yīng)時(shí)，其阻抗降低但并不會表現(xiàn)為極低阻抗，而是存在一定幅度的“箝位電壓”，也就是限制電壓，因此限壓型SPD 不存在明顯的工頻續(xù)流問題，合適使用在有源電力線如L-N、L-PE、L-L 或N-PE 之間的所有保護(hù)模式中。

【備注】工頻續(xù)流是指SPD 被施加沖擊放電電流以后，由交流電源系統(tǒng)流入SPD 的電流峰值。

不過，通常由于MOV 器件存在毫安級的漏電流（殘流）特性，限壓型SPD 長時(shí)間使用后容易造成自身漏電流增大，導(dǎo)致熱穩(wěn)定性變差以及使用壽命顯著縮短的問題，因此，限壓型SPD 對熱保護(hù)脫離裝置的要求較高。

【備注】脫離裝置是在SPD失效時(shí)，把SPD 或SPD 的一部分從電源系統(tǒng)斷開的裝置。

3.1.2 開關(guān)型SPD

開關(guān)型SPD 在無浪涌沖擊時(shí)呈高阻態(tài)，近似開路，但一旦響應(yīng)雷電浪涌等瞬時(shí)過電壓時(shí)，其阻抗突變?yōu)檩^低或極低阻抗，近似短路，允許雷電流通過，即具有“Crowbar電路”的開關(guān)特性，有時(shí)也被稱為“短路開關(guān)型SPD”。開關(guān)型SPD 的常用器件有：火花間隙、石墨間隙、氣體放電管、固體放電管/半導(dǎo)體放電管、晶閘管等。

由于開關(guān)型SPD 在雷電浪涌沖擊時(shí)呈現(xiàn)低阻態(tài)，如果SPD 自身沒有相應(yīng)的續(xù)流遮斷能力（Ifi），將導(dǎo)致較大的工頻電流持續(xù)流經(jīng)SPD，續(xù)流大小與現(xiàn)場能提供的預(yù)期短路電流有關(guān)，可能幾十A 乃至kA 級別，較長時(shí)間的續(xù)流將使得在雷電浪涌消失后SPD 也無法恢復(fù)到正常的高阻（開路）狀態(tài)，持續(xù)的續(xù)流將造成SPD 過熱甚至炸裂燒毀，引發(fā)火災(zāi)安全隱患。

因此，開關(guān)型SPD 通常只用于電源系統(tǒng)N-PE 之間（或低壓低流的信號系統(tǒng)中），如果應(yīng)用在有源電力線L-PE、L-N 或L-L 的保護(hù)上，開關(guān)型SPD 必須具備可靠的續(xù)流遮斷能力。同時(shí)，為了防止開關(guān)型SPD 無法遮斷續(xù)流的意外發(fā)生，通常還需配置后備保護(hù)裝置（如熔絲、斷路器、剩余電流裝置RCD 等）。

3.1.3 組合型SPD

由開關(guān)型器件和限壓型器件組合而成的一種SPD。依據(jù)所加電壓的特性，它可呈現(xiàn)出開關(guān)的特性或限壓的特性或者這兩者兼有的特性。

因此，組合型SPD 的應(yīng)用，必須根據(jù)其對雷電浪涌響應(yīng)的特性（即開關(guān)特性或限壓特性）來使用。

3.2 限壓型與開關(guān)型SPD 技術(shù)性能比較

關(guān)于通信配電系統(tǒng)用的限壓型和開關(guān)型SPD 的雷電浪涌和電氣安全性能的技術(shù)特點(diǎn)對比如表1 所示。

表1 通信交流配電系統(tǒng)用限壓型SPD 和開關(guān)型SPD 的浪涌和電氣性能比較

從上述表1 可以看出，與限壓型SPD 相比，開關(guān)型SPD 在雷電浪涌和電氣安全性能方面也有著自身的特點(diǎn)，如：雷電沖擊通流容量大、耐多次沖擊能力強(qiáng)、使用壽命長、殘壓低、幾乎無漏電流等特性。

因此，如果開關(guān)型SPD 的續(xù)流遮斷能力的可靠性和安全性能得到進(jìn)一步的測試驗(yàn)證的話，與限壓型SPD 一樣可以使用在其他保護(hù)模式上（如L-N、L-PE 等），將可以更好發(fā)揮開關(guān)型SPD 良好的雷電泄放能量強(qiáng)和使用壽命長的特性，豐富信息通信電源系統(tǒng)保護(hù)用SPD 產(chǎn)品的選擇與應(yīng)用。

4 開關(guān)型SPD續(xù)流遮斷能力的試驗(yàn)驗(yàn)證案例

開關(guān)型SPD 能否安全地用于通信交流電源系統(tǒng)的核心關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)是（工頻）續(xù)流遮斷能力（Ifi）是否可靠。為了驗(yàn)證目前市場上開關(guān)型SPD 產(chǎn)品的續(xù)流遮斷能力，本文選取了其中A、B、C 三組不同型號的開關(guān)型SPD 樣品，依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T18802.11-2020《低壓電涌保護(hù)器（SPD）第11 部分：低壓電源系統(tǒng)的電涌保護(hù)器性能要求和試驗(yàn)方法》規(guī)定的8.4.4（動(dòng)作負(fù)載試驗(yàn)）中的試驗(yàn)流程，通過Ⅰ/Ⅱ類動(dòng)作負(fù)載試驗(yàn)來測試驗(yàn)證續(xù)流遮斷能力。

4.1 試驗(yàn)過程

4.1.1 樣品參數(shù)

進(jìn)行動(dòng)作負(fù)載試驗(yàn)的開關(guān)型SPD 樣品（A、B、C）基本參數(shù)如表2 所示。

表2 開關(guān)型SPD 試驗(yàn)樣品基本參數(shù)

4.1.2 動(dòng)作負(fù)載試驗(yàn)流程

（1）沖擊次數(shù)：對SPD 施加15 次8/20 μs 正極性的沖擊電流，分成3 組,每組5 次沖擊。每次沖擊應(yīng)與電源頻率同步。從角開始，同步角應(yīng)以的間隔逐級增加。

（2）SPD 應(yīng)施加電壓Uc：在施加每組沖擊時(shí)，交流電源和預(yù)期短路電流應(yīng)符合GB/T18802.11 標(biāo)準(zhǔn)的8.4.4.3條中規(guī)定的要求。

（3）復(fù)燃檢查：在施加完每組沖擊和遮斷最后的續(xù)流（如有）之后，應(yīng)繼續(xù)加電至少1 min 來檢查SPD 是否復(fù)燃。

（4）熱穩(wěn)定性：在最后一組沖擊和繼續(xù)加電1 min后，SPD 保持加電或在30 s 內(nèi)加電到Uc，并保持15 min 來檢查熱穩(wěn)定性。

（5）當(dāng)SPD 按I 類試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)施加峰值與Iimp相當(dāng)?shù)?/20 μs 沖擊電流。當(dāng)SPD 按Ⅱ類試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)施加In的8/20 μs 沖擊電流。兩次沖擊之間的間隔時(shí)間為50～60 s，兩組沖擊之間的間隔時(shí)間為30～35 min。

（6）擊穿或閃絡(luò)的檢查：每次沖擊記錄電流波形時(shí)，檢查SPD 是否顯示有擊穿或閃絡(luò)的跡象。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)上述試驗(yàn)流程要求，進(jìn)行了A、B、C 三組樣品的動(dòng)作負(fù)載試驗(yàn)，測試驗(yàn)證了開關(guān)型SPD 的續(xù)流遮斷性能與安全性能情況，試驗(yàn)結(jié)果如表3 所示。

表3 開關(guān)型SPD 動(dòng)作負(fù)載與續(xù)流遮斷能力試驗(yàn)結(jié)果

4.3 試驗(yàn)小結(jié)

4.3.1 安全性能驗(yàn)證情況

上述表3 的開關(guān)型SPD 的動(dòng)作負(fù)載試驗(yàn)結(jié)果可以看出，在規(guī)定的動(dòng)作負(fù)載測試沖擊試驗(yàn)中，這3 組樣品的安全性能都得到了可靠驗(yàn)證，樣品沒有出現(xiàn)擊穿、閃絡(luò)的跡象和復(fù)燃問題，熱穩(wěn)定性能保持良好。

4.3.2 續(xù)流遮斷能力驗(yàn)證情況

（1）動(dòng)作負(fù)載試驗(yàn)過程中，樣品C 沒有出現(xiàn)續(xù)流，樣品A 和B 中出現(xiàn)的一次最大續(xù)流為1.58 kA（持續(xù)時(shí)間為7.9 ms），SPD動(dòng)作引起的瞬時(shí)續(xù)流產(chǎn)生的熔斷熱能值（即熔斷器斷開所需的能量值），可根據(jù)公式I2t得出熱容值約為19 722 A2s（小于20 000 A2s），其對應(yīng)所需的后備熔斷器（熔絲）額定電流63 A 則可滿足供電線路不動(dòng)作，即不會造成電源線路的跳閘或熔絲燒毀。

【備注】熔斷熱能值對于每一種不同的熔斷體或熔絲部件來說是個(gè)常數(shù)，也是熔斷體本身的一個(gè)參數(shù)，由熔絲的設(shè)計(jì)所決定。

（2）考慮到通信局站電源系統(tǒng)各分支線路配置的熔斷器額定電流通常大多超過63 A，如：100 A、160 A、200 A、250 A、400 A、630 A、800 A 等。因此，可以認(rèn)為在本文試驗(yàn)條件下（預(yù)期短路電流3 kA、沖擊電流In為20 kA），依據(jù)GB/T18802.11 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的動(dòng)作負(fù)載試驗(yàn)中，這3 組樣品都不存在續(xù)流不能及時(shí)遮斷的可靠性問題，也不存在引起供電線路后備保護(hù)裝置動(dòng)作（如熔絲燒毀）的問題，即本次試驗(yàn)的開關(guān)型SPD 續(xù)流遮斷能力的可靠性和安全性都得到了有效驗(yàn)證。

4.4 應(yīng)用可行性分析

根據(jù)IEC 國際標(biāo)準(zhǔn)要求，SPD 的續(xù)流遮斷能力應(yīng)與安裝現(xiàn)場的最大預(yù)期短路電路相對應(yīng)。本文試驗(yàn)成功驗(yàn)證了在預(yù)期短路電流3 kA 時(shí)開關(guān)型SPD 續(xù)流遮斷能力的可靠性與安全性，盡管本文尚未測試較大預(yù)期短路電流（如10～50 kA）條件下的開關(guān)型SPD 的續(xù)流遮斷能力情況，但目前國內(nèi)已有檢測機(jī)構(gòu)對較大預(yù)期短路電流的續(xù)流遮斷能力進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，并取得了良好的預(yù)期結(jié)果。

此外，隨著開關(guān)型SPD 的設(shè)計(jì)水平和生產(chǎn)制造工藝的大幅提升，以及事實(shí)上這些年開關(guān)型SPD 在不同行業(yè)得到了較大范圍的使用或試用結(jié)果來看，開關(guān)型SPD 的損壞率與限壓型的基本處在同一水平，近年來也基本沒有出現(xiàn)由于使用了開關(guān)型SPD 而導(dǎo)致的嚴(yán)重質(zhì)量問題與安全事故。

鑒于開關(guān)型SPD 產(chǎn)品質(zhì)量的日趨成熟，其續(xù)流遮斷能力的可靠性與安全性也進(jìn)一步得到了國內(nèi)檢測機(jī)構(gòu)的試驗(yàn)驗(yàn)證，現(xiàn)場實(shí)際使用的反饋結(jié)果也良好，加上有嚴(yán)格的國家標(biāo)準(zhǔn)對開關(guān)型SPD 進(jìn)行測試認(rèn)證，因此，在實(shí)際應(yīng)用中，同時(shí)加強(qiáng)與執(zhí)行好安裝規(guī)范要求，合理配置后備保護(hù)裝置，對于開關(guān)型SPD 應(yīng)用在信息通信配電系統(tǒng)的L-N或L-PE 等保護(hù)模式，建議今后可以逐步在一定范圍的信息通信局站系統(tǒng)（如二、三類局站）中試用或使用，并根據(jù)使用或試用情況再考慮更進(jìn)一步的應(yīng)用，相信未來開關(guān)型SPD 整體上是可行和安全的。

5 結(jié)束語

開關(guān)型SPD 作為一種雷電泄流能力強(qiáng)、耐沖擊和使用壽命長的重要浪涌保護(hù)器，由于前述綜合原因，大多限定在N-PE 模式上使用，如果產(chǎn)品質(zhì)量過關(guān)并能安全、可靠地應(yīng)用于信息通信配電系統(tǒng)的其他模式上作為浪涌保護(hù)裝置，對于降低通信電源系統(tǒng)的雷電防護(hù)運(yùn)營成本以及提升維護(hù)效率將發(fā)揮較大作用。

本文對比分析了開關(guān)型SPD 和限壓型SPD 的技術(shù)特性與應(yīng)用特點(diǎn),依據(jù)GB/T11802.11國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的動(dòng)作負(fù)載試驗(yàn)要求，對開關(guān)型SPD 續(xù)流遮斷能力的可靠性和安全性進(jìn)行了測試驗(yàn)證并取得了良好預(yù)期效果。同時(shí)，結(jié)合開關(guān)型SPD 的實(shí)際使用情況,以及國際標(biāo)準(zhǔn)IEC61643 和國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T11802.11 對開關(guān)型SPD 的嚴(yán)格測試要求，研究與探討了開關(guān)型SPD 用于信息通信低壓配電系統(tǒng)的可行性與安全性，希望能為今后開關(guān)型SPD 在通信低壓（220/380VAC）配電系統(tǒng)中的科學(xué)應(yīng)用與選擇提供有用的參考價(jià)值。