一、前言
开关电源设备是现代通信系统中的重要组成部分，其目的是为通信设备提供安全、可靠、高效、稳定、不间断的能源。随着科技水平的进步，对于开关电源设备性能的要求也逐步提高，除必须满足基本的功能外，还要求具备交流配电、自动切换、直流配电、远程智能集中监控、电池自动管理等功能，从而满足网络监控管理的需求。
开关电源的发展经历了从线性电源、相控电源到高频相控电源的发展历程，由于开关电源具有功率转换效率高、稳压范围宽、功率密度比大、重量轻等优点，从而成为开关电源的主体，并向着高频小型化、高效率、高可靠性的方向发展。计算机控制、通信和网络技术的快速发展，为开关电源远程监控系统的发展和完善提供了更加便利的条件，使其无人值守成为可能。
通常开关电源系统由交流配电、整流模块、直流配电和监控模块组成，如图1所示。监控系统可将交流配电柜、直流配电和整流模块进行实时监控。直流配电主要完成直流输出路数分配、电池接入和负载边接等功能，一般要求可自由出线，可出面操作维护，可实现柜内并机和柜外并机，具有状态显示和告警功能，能检测每一路熔断器的通断状态；多个并联的整流模块的主要功能是将输入交流220V转换输出为满足通信要求的-48V的直流电。
通信电源系统组成框图
监控模块主要实现交流配电柜、直流配电柜和模块监控，此外还要进行电池自动管理功能。开关电源系统作为通信网络的能源供给者，除了必须具备可靠、稳定等基础特性外，其电磁兼容设计、防护设计、可操作性和可维护性也是非常关键的因素。安全性是电源设备最重要的指标，其不安全隐患不但不能完成正常的供电要求，而且还有可能发生严重的事故，甚至造成机毁人亡的巨大损失。为此，必须加强安全性设计工作。而目前影响电源设备安全性最重要的工作是如何有效提高其防雷电浪涌和操作过电压的能力。
二、开关电源遭雷击的故障点
1、 整流模块被损坏（交流侧、直流侧）
2、监控模块端口被损坏
3、开关电源内C类SPD发生损坏
4、开关电源内主空开频繁跳
5、开关电源雷电过后的“吊死”
三、雷电入侵移动基站开关电源的几种方式
1、 通过220V市电引入传导进入
雷电通过直接或感应的方式通过市电电源线入侵基站，虽然大部分雷电流在进入开关电源前通过B类SPD对地释放，但仍然会有部分雷电流进入开关电源，这部分雷电流的大小取决于B类SPD的性能及是否能与C类SPD进行良好的配合。
2、 通过地网传导进入（地电位反击）
移动基站采用联合接地，雷电流通过铁塔避雷针接闪或雷电流通过防雷器，雷电流通过接地系统和地网对地释放，由于地网存在接地电阻，在雷电流对地释放的过程中将地网的整体电位抬升，连接到地网的设备的电位也随之抬升。这个时间是非常短的，瞬间地与系统设备某个低电位点形成瞬态过电压，雷电电荷通过该点释放导致设备损坏。低电位点通常存在于如直流负荷如BTS电源、基站动力环境监控、开关电源整流模块的N线（远端接地），开关电源的监控模块等。
3、 雷电电磁脉冲感应
感应雷可通过两种不同的感应方式侵入导体，一是静电感应：在雷云中的电荷积聚时，附近的导体也会感应上相反的电荷，当雷击放电时，雷云中的电荷迅速释放，而导体中原来被雷云电场束缚住的静电也会沿导体流动寻找释放通道，就在电路中形成电脉冲。二是电磁感应：在雷云放电时，迅速变化的雷电流在其周围产生强大的瞬变电磁场，在其附近的导体中产生很高的感生电动势。由于开关电源对其它设备进行供电及对一些设备进行监控，存在连接线路过多，这些线路中容易产生感应雷电流。
四、如何做好开关电源雷电防护几个主要问题：
1、 开关电源内交流输入C类SPD几个关键参数的选择
a) 通流能力设计
开关电源在供电系统中的位置相当于分配电箱，从“防雷分区、分级防护”的理念来讲它至少要处于一级防雷的保护之下，通常它作为整个基站供电系统的第二级防护屏障。在YD/T 5098-2001 标准中3.7.9 要求在分配电屏电缆输入侧电源芯线对地安装标称放电电流为20KA的限压型SPD。
b) 残压特性及最大持续工作电压
残压特性是电源避雷器的最重要特性，残压越低，保护效果就越好。根据IEC60664-1 1992«低压系统内设备的绝缘配合»中对处于不同安装位置的电气设备的过电压类别（IV III II I）划分，从开关电源的位置而言它属于III类，其耐受能力要求为4KV，但开关电源内含有整流模块、直流输出、监控系统等属于II类设备，其耐受能力要求为2.5KV，考虑到雷电流在SPD连接线和接线端子上的压降及要有冗余，故通常要求开关电源内C类SPD的最大残压即SPD的电压保护水平Up要小于 2KV。考虑到我国电网电压普遍不稳定、波动范围大的实际情况，在尽量选择残压较低的电源避雷器的同时，还必须考虑避雷器有足够高的最大连续工作电压。如果最大连续工作电压偏低，则易造成避雷器发热自毁。通常交流输入端使用的C类SPD的最大连续工作电压要求为385V。
c) 安全性能要求
必须具有失效分离装置，当SPD在失效时，能自动与电源系统断开，而不影响通信电源系统的正常供电；电源避雷器必须具有阻燃功能，在失效、或自毁时不能起火；应该要有有失效警告指示、并能提供遥测端口功能的电源避雷器，以方便监控、管理和日后维护。
d) 类型选择
类型选择主要指SPD的保护模式，分共模保护和差模保护。共模保护指所有线路对地进行保护，如相线-地线（L-PE）、零线-地线（N-PE）间的保护；差模保护指相线-零线（L-N）、相线-相线（L-L）间的保护。仅选用L-PE、N-PE的共模保护模式是有缺陷的，会引起很多问题，其原由在于我们国家规定在N线上不能安装空开，当电路出现L-N短路故障或零点产生较大漂移时使N-PE上SPD长时间有大电流通过，加速SPD的老化容易引发 SPD烧毁。故对于低压侧除选择共模的保护方式外，还应选择包括差模在内的保护，3+1类型的保护模式则可以很好的解决这类问题，采用“3+1”电路，即用3个ZnO压敏电阻模块分别接在L1、2、3与N线间，用一个放电间隙模块接在N/PE间如图，其优点在于采用这种电路后，限压型SPD模块皆置于L /N间，一旦出现短路失效，由于回路电阻比原来L-PE的方式小了很多（低压供电系统L/N间短路电流一般为数千安培），SPD前面的过流保护装置将更容易动作，从而避免火灾，而且实现了差模保护。另外这种类型SPD有个关键在于其N-PE间的模块（对N-PE模块的要求下面单独说明），它通常为一个间隙型放电元件，由于加在N/PE间，不存在动作分散性问题、灭弧问题、响应速度问题，当L-N间SPD动作后促使N-PE间SPD动作从而实现雷电流L- PE对地释放的共模保护。3+1结构是一种全模式的保护方式，适用于各种接地方式的供电系统，故在开关电源的C类SPD的使用上应采用“3+1”这种全保护类型模式。
3+1保护模式简图
e) N-PE间模块要求
不论通过哪种方式入侵的雷电流最终是要入地的，通常SPD共模保护方式特点在于处于相线、零线间的SPD直接将雷电流对地释放，而使用3+1模式（如图），雷电流先将L-N间击穿，然后通过N-PE间的SPD模块入地，所以理论上3+1类型保护模式下的N-PE间模块要承受的雷电流至少是L-N上的模块上雷电流的3倍。SPD的使用寿命跟雷电流的大小和冲击的次数密切相关，同等条件下的3+1模式中N-PE模块使用寿命是远低于其它模块，故在N- PE间是不能使用与L-N同样的限压型模块。
如果L-N间选Imax 40KA Uc 385V的限压型模块，那是否可以考虑在N-PE间使用Uc 385V同电压等级的大通流量的限压型SPD，如100KA（8/20），由于当出现电力故障如零点漂移或某一相零故障，由于N线上没有过流保护，所以在出现这类故障时应该是L-N间的模块先动作或L-N间的电流使SPD前级过流保护装置动作，而在N-PE间不能有产生危害的电流，这就要求N-PE间 SPD的动作电压应大于L-N间的动作电压，故如果选用限压型SPD模块它应该与L-N间不属于同一电压等级，而至少应大一个等级。通常在没有雷电入侵的情况下N-PE间最好做到没有任何电流。
另外从前面雷电引入途径分析可知开关电源存在遭受从基站地网中传导过来类似于直击雷反击的风险，故N-PE间模块的通流量要大而且要考虑直接雷击。目前通常用气体放电间隙作为N-PE模块，在市电正常情况下它没有漏电流，而且放电间隙的动作电压是大于压敏电阻的，当供电系统产生零点漂移或电网故障时也不会有电流。对N-PE的通流能力的选择上，鉴于N-PE上可能承受的雷电流是L-N间40KA（8/20）的3倍达120KA（8/20），但实际情况不可能同时出现这么大的雷电流考虑到经济性和可行性N-PE间可按100KA来防护，通常开关型10/350波形与8/20波形间的换算关系为1：4，如果N-PE按100KA（8/20）的通流能力来看N-PE间模块的通流能力应达到25KA（10/350）。
2、 开关电源直流输出侧的雷电防护
从雷电引入途径的分析来看，地电位反击时虽然开关电源内的交流输入有C类SPD对后级设备进行保护，但开关电源的直流-48V输出以+0V接实地为参考，该直流接地点在基站内通常有两种接地方法（下面单独讨论），如果在直流侧不安装SPD将导致整流模块直流侧的一些元器件发生损坏，而且雷电流会通过直流供电以高电位的耦合转移的方式对其它设备进行侵害。因此在YD/T 5098-2001中3.7.15 建在中雷区以上地区的通信局（站）直流电源线的雷电过电压保护设计中规定：通信局（站）电力室为各层提供直流供电的电源线，如电源线进入不同防雷区时，应在进入相应机房直流电源配电柜（列柜）内的电源线进线端（机房如无直流电源配电柜，应在电力室直流配电屏输出端）负极对地加装标称要作电压不小于70V的 SPD。开关电源直流侧SPD的选择应采用限压型，其标称通流量应该达到20KA。如果开关电源的直流地与工作地分开接到室内接地汇流排上则在直流则两接地端应该装SPD，即SPD使用-48-+0 /+0-PE的方式。
3、 开关电源内监控单元的雷电防护问题
开关电源内的监控模块也是容易被雷电损坏的故障点，现在开关电源内集成的监控系统不仅可以监控开关电源内各功能单元，而且可以对蓄电池、空调等基站配套设备进行监控，主要采用RS232/422/485的通信方式，并通过RS232/422/485与基站内的动力环境监控系统进行数据传输，开关电源与其他设备间的通信线路的长度可以达到五六米，容易感应出雷电流，虽然有可能雷电流并不大，但通常RS232/422/485通信的芯片工作电压只有 5V，有几十伏的电压就可能导致损坏，对于这些与外部设备相连的端口应该通过通信线SPD进行等电位连接。在选用这通信线SPD时，由于在通信线路上感应出的雷电流不会很大，因此SPD的通流能力不是最重要的，而应关注SPD的工作电压、工作频率、插入损耗、接口类型等能直接影响设备正常通信的参数。
开关电源内的监控系统
4、 开关电源内SPD的空开选择问题
通常在开关电源内主要使用限压型防雷器，影响限压型防雷器稳定工作的最大问题在于压敏电阻的绝缘劣化，有可能导致线路短路而引发防雷器燃烧。所以在防雷器前面必须安装空气开关或熔丝，其额定电流应小于防雷器的最大短路允许强度。通常雷电流的脉冲宽度为纳秒级，所以一般防雷器的响应时间均以达到纳秒级为标准，但纳秒级的雷电流在对地释放中产生的地电位反击和雷电流侵入作用时间可能会延长到毫秒级甚至更长。我们在选择防雷器和设备的保护空开时，应根据防雷器的最大允许熔丝电流和线路的进线容许短路电流以及设备的负荷电流来综合考虑，一般可按如下选择标准：根据YD/T 5098-2001 3.7.7 供电线路对地安装限压型SPD回路中应采取过流保护措施（宜串联保险丝），保险丝标称电流的量级不宜大于上一级保险丝的1/1.6倍（不含变压器的次级）。另外，设备的总保护空开额定电流《电路进线的容许短路电流。
五、开关电源内接地问题探讨
在开关电源内有可能几个接地概念：保护地、工作地、直流地、防雷地。保护地即开关电源有220V输入所以要对外壳进行接地，工作地即开关电源内所有系统的标准参考点接地，直流地即开关电源的直流-48V输出的+0V参考点接地，防雷地即防雷设备的接地；由于历史的原因通常在移动基站内有几种接地情况：
1、 联合接地：既在开关电源内设一个接地汇流排，开关电源内的工作地、防雷地、保护地、直流地都接到该汇流排，该接地汇流排再通过接地线接至基站内的接地排，通过室内接地排与地网相连(如下图)，优点在于由于不同接地点可能存在的电位差，在发生雷击时，可以较好地抑制不同接地点之间通过连接设备发生的放电现象，这种接地方式从等电位雷电防护的角度来讲是最好的。
2、 由于开关电源内基本上使用高频开关对直流输出进行整流，对其他系统而言它是一个干扰源，故很多情况下为了规避直流回路干扰，在现场施工时将直流电源地不与开关电源内的接地汇流排相连，而是直接连接到室内接地排。或开关电源内保护地直接接到室内接地排，防雷地接到工作地再与室内接地排相连这种方式，都将导致开关电源的整流模块及直流输出直接面对来自地网的雷电流的冲击，采用这两种接地方式都必须加强在直流侧的防雷，这两种接地方式是比较好的折中的防护接地。
3、 直流接地不是接至室内接地排，而是从基站的地网上单独引出一个接地点作为开关电源直流电源接地，这种接地虽然可以比较好的解决高频干扰问题，但从防雷的角度而言，这将是一个致命的风险。雷电流通过地网对地释放的过程中，地网上各点的电位是不等的，室内接地排也是接在地网上，开关电源直流地与室内接地间必然产生一个很大的电压，这个电压将直接反馈到两者相结合的部位间即在开关电源的整流模块上，形成放电造成整流模块损坏。因此在移动基站中开关电源内的这种接地方式是不可取的，开关电源内任何其他接地都只能有一个最终的接地参考点就是基站内室内接地排。
4、 开关电源内各个接地分别独立接至室内接地排，特别是防雷地与工作地分开接到接地排，很显然这种接地方式大大加长了防雷器的接地线长度，将导致残压过高使设备发生损坏，这种接地方式不可取
上面讨论几种接地方式是在移动通信基站中最容易出现的接地方式，其中1和2是可取的，3和4是不可取的。
六、开关电源内SPD的安装
1、 位置安排：
通常移动基站都有走线架采用上走线的方式，开关电源内SPD的安装位置应靠近交流输入端，通常交流输入端都在机柜的上半部分，故SPD安装位置应在机柜上半部分，且开关电源内的接地汇流排应该设在机柜的上面，可以实现SPD的电源引线和接地线最短。直流侧的SPD应安装在直流输出与+0V间，安装位置越近越好。
2、 开关电源避雷器的连接线：须有足够粗，并尽可能短，以降低线路电感；
1）、引线应采用截面积不小于16mm²的多股铜导线；
2）、如果引线长度超过1.0m时，应加大引线的截面积；
3）、引线应紧凑并排或帮扎布放；
4）、电源避雷器的接地线应为不小于25~35m²多股铜导线，接入接地排。
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