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[摘 要]变电站通信电源系统存在的过电压保护缺陷，会导致设备损坏，影响变电站的正常运行。本文基于雷电过电压和非雷电过电压综合保护的思想，设计了一种采用两级压敏电阻保护的方式，提高了过电压保护的范围，降低了过电压保护的成本，且便于保护动作元件更换。
[关键词]变电站 通信电源 过电压保护
中图分类号：TM121.1.3 文献标识码：B 文章编号：1009-914X（2015）46-0010-02
引言
变电站通信电源系统的过电压表现为雷击放电过程、开关操作过程和静电放电过程产生的过电压。随着电网的发展，郊区变电站的建设也更加普遍，雷击放电过程、开关操作过程等产生的过电压对变电站的影响愈加突出，通信电源过电压损坏的情况不断增加[1]。因此，采取合理的过电压保护措施，减少变电站通信电源系统因过电压造成的损坏，成为了亟待解决的问题。
本文基于雷电过电压和非雷电过电压综合保护的思想，设计了一种采用两级压敏电阻保护的方式，并进行了相关的理论研究。
1.原理
1.1系统原理
变电站的电源进线一般有两路市电输入，两路输入经ATS开关后进交流配电箱。交流配电箱的一路输出进通信电源，经AC/DC整流后，通信电源的直流输出通过直流配电开关给通信设备供电，其原理如图1所示。
1.2雷电过电压保护
文献[2]规定通信设备必须配置防雷装置，并能承受相应的电压和电流冲击；文献[3]规定了通信电源设备应能承受的模拟电压和电流冲击，与户外低压电力线相连接的电源设备入口处应符合3级（冲击电流幅值≥20kA）要求。
因此，变电站电源设备的防雷设计要求为：①冲击电压峰值5kV，通信电源设备应能承受模拟冲击电压波形为10/700us；②冲击电流幅值≥20kA，模拟冲击电流波形为8/20us。
1.3非雷电过电压保护
通信电源系统的非雷电过电压，是指因电气设备的开关操作过程和静电放电过程而产生的过电压。过高的电压可通过直接耦合、电感耦合及电容耦合进入通信电源，这类过电压在常规的通信机房内产生概率较低，而设在偏僻郊区的变电站内发生概率较高[4]。其特点是：①过电压的幅值不高，一般在额定电压的1.3～3倍之间；②过电压持续时间不定，但持续时间较长时，可能使电气设备损坏。
设计通信电源的非雷电过电压保护，基本要求是当电源进线出现以上过电压时，保护装置应可靠动作，使电源设备免遭损坏。
1.4主要问题
变电站通信电源系统的过电压保护设计存在的主要问题是：
（1）防雷保护的各级设计一般由多个厂家完成，各级保护之间的配合较少。如各级保护一般不加解耦电感，使用电缆的长度不满足要求等；
（2）在防雷保护的压敏电阻上没有温度保护，当压敏电阻因老化而绝缘降低时，可能会出现压敏电阻烧损、线路烧损，严重时可能会引起火灾；
（3）在防雷保护压敏电阻的输入端没有设置合适的保护开关，当线路出現持续时间较长，过电压数值较低，压敏电阻泄漏电流无法使保护开关动作时，同样会出现压敏电阻烧损、线路烧损，严重时可能会引起火灾等现象；
（4）对于非雷电过电压保护，许多厂家采用电源模块内部保护的方式，即在PCB板上安装小容量压敏电阻。其危害是在过电压发生时，会使压敏电阻和PCB板一起烧毁，达不到预期的保护效果；
（5）没有交流稳压器，电网电压不稳。因操作过电压严重，烧损保护电路中压敏电阻的现象也时有发生。
2.设计
变电站通信电源系统过电压保护设计的目的，是保证电源系统在发生雷电过电压及非雷电过电压时，保护电源系统免遭损坏。
2.1过电压保护元件
过电压保护经常使用的保护元件有放电间隙、压敏电阻、抑制二极管等，典型的三级过电压保护电路如图2所示。
充气放电器及空气火花间隙放电器是一种放电能力极强的过电压保护器，其缺点是剩余电压较高，一般用于变电站通信电源进线的过压保护。
压敏电阻是一种具有非线性伏安特性的电阻器件，当过电压出现在压敏电阻的两极间，其可以把过电压箝位在一个相对固定的电压值，从而实现对后级电路的保护[5]。压敏电阻可输导40kA、8/20脉冲电流，响应时间在毫微秒级，特别适用于电源系统的输入过电压保护，其缺点是易老化、电容较高。
抑制二极管在电源电压正常时不工作，在有瞬间高压脉冲时，可吸收瞬间大电流而箝位在比工作电源略高的电压上以保护后级电路，响应时间在微微秒级，其缺点是吸收能量小，额定电压较低，一般用于PCB板控制电路的过电压保护。
2.2过电压保护设计
变电站通信电源综合过电压保护的设计思想，是将变电站通信电源的雷电过电压保护、非雷电过电压保护一体化，保证在出现雷电过电压、非雷电过电压时，通信电源可以得到有效的保护。变电站通信电源系统综合过电压保护的电路原理如图3所示。
当变电站内出现非雷电过电压时，图3中的两极过电压保护可以使过电压得到有效的限制。当过电压持续时间较长时，电路中的两级压敏电阻串联的熔断器可以熔断，避免一般避雷器可能烧毁的危险。
图3综合过电压保护原理电路
在变电站通信电源综合过电压保护器中增加了温度告警接点和保护熔断器熔断指示及告警输出。温度告警接点用以提示压敏电阻已经老化，熔断器熔断接点可以提示压敏电阻动作。
如果二级压敏电阻动作，保护熔断器熔断。这时解耦电感上较高的感应电压会烧毁电源模块内的电子元件，因此将熔断器串于供电回路中，可以起到隔离保护的作用。
3.结论
针对现行变电站的特点，提出了变电站通信电源系统的综合过电压保护思想，并设计了合理的电路拓扑，该设计的目的是解决当前变电站过电压保护存在的诸多问题，如压敏电阻烧毁问题及压敏电阻与保护开关的配合问题，故障隔离问题等。变电站过电压保护一体化，可以提高过电压保护范围、降低过电压保护成本，且便于过电压保护动作元件更换。对于电网电压波动范围较大的情况，可以考虑安装宽输入范围的稳压器，从根本上保护电源设备，减轻变电站通信电源系统过电压保护故障的维护工作量。
参考文献
[1]杜林，李欣，司马文霞，席世友，杨庆，袁涛. 110kV变电站过电压在线监测系统及其波形分析[J]. 高电压技术，2012，03：535-543.
[2]YD/T944-1998《通信电源设备的防雷技术要求和测试方法》，1998年5月.
[3]GB/T 13722-92《移动通信电源技术要求和试验方法》，1993年6月.
[4] Liu Jike Feng Jianmin. Lighting overvoltage protection connected to low-voltage power distribution systems according to EMC[A]. Proceedings of Asia-Pacific Conference on Environmental Electromagnetics CEEM'2000[C].China Institute of Communications（CIC），2000：4.
[5] 李鹏，张俊民，李航. 压敏电阻单级及多级过电压保护水平[J]. 东北电力技术，2007，01：15-18.
[关键词]变电站 通信电源 过电压保护
中图分类号：TM121.1.3 文献标识码：B 文章编号：1009-914X（2015）46-0010-02
引言
变电站通信电源系统的过电压表现为雷击放电过程、开关操作过程和静电放电过程产生的过电压。随着电网的发展，郊区变电站的建设也更加普遍，雷击放电过程、开关操作过程等产生的过电压对变电站的影响愈加突出，通信电源过电压损坏的情况不断增加[1]。因此，采取合理的过电压保护措施，减少变电站通信电源系统因过电压造成的损坏，成为了亟待解决的问题。
本文基于雷电过电压和非雷电过电压综合保护的思想，设计了一种采用两级压敏电阻保护的方式，并进行了相关的理论研究。
1.原理
1.1系统原理
变电站的电源进线一般有两路市电输入，两路输入经ATS开关后进交流配电箱。交流配电箱的一路输出进通信电源，经AC/DC整流后，通信电源的直流输出通过直流配电开关给通信设备供电，其原理如图1所示。
1.2雷电过电压保护
文献[2]规定通信设备必须配置防雷装置，并能承受相应的电压和电流冲击；文献[3]规定了通信电源设备应能承受的模拟电压和电流冲击，与户外低压电力线相连接的电源设备入口处应符合3级（冲击电流幅值≥20kA）要求。
因此，变电站电源设备的防雷设计要求为：①冲击电压峰值5kV，通信电源设备应能承受模拟冲击电压波形为10/700us；②冲击电流幅值≥20kA，模拟冲击电流波形为8/20us。
1.3非雷电过电压保护
通信电源系统的非雷电过电压，是指因电气设备的开关操作过程和静电放电过程而产生的过电压。过高的电压可通过直接耦合、电感耦合及电容耦合进入通信电源，这类过电压在常规的通信机房内产生概率较低，而设在偏僻郊区的变电站内发生概率较高[4]。其特点是：①过电压的幅值不高，一般在额定电压的1.3～3倍之间；②过电压持续时间不定，但持续时间较长时，可能使电气设备损坏。
设计通信电源的非雷电过电压保护，基本要求是当电源进线出现以上过电压时，保护装置应可靠动作，使电源设备免遭损坏。
1.4主要问题
变电站通信电源系统的过电压保护设计存在的主要问题是：
（1）防雷保护的各级设计一般由多个厂家完成，各级保护之间的配合较少。如各级保护一般不加解耦电感，使用电缆的长度不满足要求等；
（2）在防雷保护的压敏电阻上没有温度保护，当压敏电阻因老化而绝缘降低时，可能会出现压敏电阻烧损、线路烧损，严重时可能会引起火灾；
（3）在防雷保护压敏电阻的输入端没有设置合适的保护开关，当线路出現持续时间较长，过电压数值较低，压敏电阻泄漏电流无法使保护开关动作时，同样会出现压敏电阻烧损、线路烧损，严重时可能会引起火灾等现象；
（4）对于非雷电过电压保护，许多厂家采用电源模块内部保护的方式，即在PCB板上安装小容量压敏电阻。其危害是在过电压发生时，会使压敏电阻和PCB板一起烧毁，达不到预期的保护效果；
（5）没有交流稳压器，电网电压不稳。因操作过电压严重，烧损保护电路中压敏电阻的现象也时有发生。
2.设计
变电站通信电源系统过电压保护设计的目的，是保证电源系统在发生雷电过电压及非雷电过电压时，保护电源系统免遭损坏。
2.1过电压保护元件
过电压保护经常使用的保护元件有放电间隙、压敏电阻、抑制二极管等，典型的三级过电压保护电路如图2所示。
充气放电器及空气火花间隙放电器是一种放电能力极强的过电压保护器，其缺点是剩余电压较高，一般用于变电站通信电源进线的过压保护。
压敏电阻是一种具有非线性伏安特性的电阻器件，当过电压出现在压敏电阻的两极间，其可以把过电压箝位在一个相对固定的电压值，从而实现对后级电路的保护[5]。压敏电阻可输导40kA、8/20脉冲电流，响应时间在毫微秒级，特别适用于电源系统的输入过电压保护，其缺点是易老化、电容较高。
抑制二极管在电源电压正常时不工作，在有瞬间高压脉冲时，可吸收瞬间大电流而箝位在比工作电源略高的电压上以保护后级电路，响应时间在微微秒级，其缺点是吸收能量小，额定电压较低，一般用于PCB板控制电路的过电压保护。
2.2过电压保护设计
变电站通信电源综合过电压保护的设计思想，是将变电站通信电源的雷电过电压保护、非雷电过电压保护一体化，保证在出现雷电过电压、非雷电过电压时，通信电源可以得到有效的保护。变电站通信电源系统综合过电压保护的电路原理如图3所示。
当变电站内出现非雷电过电压时，图3中的两极过电压保护可以使过电压得到有效的限制。当过电压持续时间较长时，电路中的两级压敏电阻串联的熔断器可以熔断，避免一般避雷器可能烧毁的危险。
图3综合过电压保护原理电路
在变电站通信电源综合过电压保护器中增加了温度告警接点和保护熔断器熔断指示及告警输出。温度告警接点用以提示压敏电阻已经老化，熔断器熔断接点可以提示压敏电阻动作。
如果二级压敏电阻动作，保护熔断器熔断。这时解耦电感上较高的感应电压会烧毁电源模块内的电子元件，因此将熔断器串于供电回路中，可以起到隔离保护的作用。
3.结论
针对现行变电站的特点，提出了变电站通信电源系统的综合过电压保护思想，并设计了合理的电路拓扑，该设计的目的是解决当前变电站过电压保护存在的诸多问题，如压敏电阻烧毁问题及压敏电阻与保护开关的配合问题，故障隔离问题等。变电站过电压保护一体化，可以提高过电压保护范围、降低过电压保护成本，且便于过电压保护动作元件更换。对于电网电压波动范围较大的情况，可以考虑安装宽输入范围的稳压器，从根本上保护电源设备，减轻变电站通信电源系统过电压保护故障的维护工作量。
参考文献
[1]杜林，李欣，司马文霞，席世友，杨庆，袁涛. 110kV变电站过电压在线监测系统及其波形分析[J]. 高电压技术，2012，03：535-543.
[2]YD/T944-1998《通信电源设备的防雷技术要求和测试方法》，1998年5月.
[3]GB/T 13722-92《移动通信电源技术要求和试验方法》，1993年6月.
[4] Liu Jike Feng Jianmin. Lighting overvoltage protection connected to low-voltage power distribution systems according to EMC[A]. Proceedings of Asia-Pacific Conference on Environmental Electromagnetics CEEM'2000[C].China Institute of Communications（CIC），2000：4.
[5] 李鹏，张俊民，李航. 压敏电阻单级及多级过电压保护水平[J]. 东北电力技术，2007，01：15-18.