［羅森文］

1 引言

微電子技術(shù)的飛速發(fā)展推動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重下降。我國作為一個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)中安裝浪涌保護器（SPD:Surge Protective Devices），已成為現(xiàn)代信息通信系統(tǒng)雷電防護的重要手段。

事實上，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，分別在（220/380VAC）低壓配電屏、市電油機轉(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證的限壓型浪涌保護器（SPD），而開關(guān)型浪涌保護器（SPD）因存在其續(xù)流遮斷能力的可靠性和安全性擔憂問題，其應(yīng)用場景則被限制在一定的保護模式（如N-PE）范圍內(nèi)使用。

隨著這些年來開關(guān)型SPD 技術(shù)的不斷進步，其安全性能也得到顯著提高，同時國內(nèi)對開關(guān)型SPD 的測試驗證條件日趨成熟與完善，開關(guān)型SPD 作為一種高性價比的浪涌保護產(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)用浪涌保護器（SPD）技術(shù)標準的發(fā)展歷程，系統(tǒng)分析了開關(guān)型SPD 和限壓型SPD 的技術(shù)特點和應(yīng)用要求,同時對開關(guān)型SPD的關(guān)鍵性能指標之一續(xù)流遮斷能力（Ifi：follow current interrupt rating）進行了測試驗證，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 在脫離器不動作的情況下，SPD 能夠分斷的預期短路電流值。

2 我國信息通信用（交流）SPD 技術(shù)標準情況

2.1 通信電源SPD 技術(shù)標準發(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)的安全運行越來越重要，從2000 年開始大量的浪涌保護器（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、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)標準YD/T1235.1-2002《通信局（站）低壓配電系統(tǒng)用電涌保護器技術(shù)要求》、YD/T1235.2-2002《通信局（站）低壓配電系統(tǒng)用電涌保護器試驗方法》（以下簡稱YD/T1235）。

通過近20 年來的使用，YD/T1235 標準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 標準有效并一直沿用至今。

2.2 YD/T1235 標準對開關(guān)型SPD 的應(yīng)用規(guī)定

限于當時國際上對開關(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，以及我國那時還缺乏對開關(guān)型SPD 產(chǎn)品續(xù)流遮斷能力的必要試驗驗證條件，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)運營要求與通信機房防火安全因素，因此，在YD/1235 標準中特別規(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，其續(xù)流遮斷的安全性問題還正在研究之中，因此本標準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有效驗證之前，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 保護模式中（可以用在N-PE），作為雷電浪涌等過電壓保護裝置。

因為任何一個SPD 都有兩面性：一個是防雷性能即有效保護設(shè)備或系統(tǒng)，另一個是自身電氣安全性能即不能對機房或設(shè)備造成安全隱患（如起火、掉電、中斷通信）。那時開關(guān)型SPD 被限制在一定保護模式范圍的使用，實際是在開關(guān)型SPD 續(xù)流遮斷能力的可靠性無法被驗證之際，更強調(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)標準的發(fā)展展望

時至今日，隨著開關(guān)型SPD 技術(shù)的進步，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構(gòu)已具備開關(guān)型SPD 續(xù)流遮斷能力的測試驗證條件，同時，目前國際標準IEC61643系列和我國國家標準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格的規(guī)定。因此，對于通過了國家相關(guān)技術(shù)標的驗證與檢驗的開關(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)實際場景與需要來使用，正是本文要討論與研究的重點。

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

3 浪涌保護器分類、技術(shù)特點與應(yīng)用要求

3.1 浪涌保護器的分類

信息通信電源系統(tǒng)用的電涌保護器（SPD）通常有3 種類型：限壓型SPD、開關(guān)型SPD、組合型SPD，實際應(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 在無浪涌瞬時過電壓時呈高阻態(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烈非線性，有時被稱為“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，在對浪涌過電壓進行響應(yīng)時，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 長時間使用后容易造成自身漏電流增大，導致熱穩(wěn)定性變差以及使用壽命顯著縮短的問題，因此，限壓型SPD 對熱保護脫離裝置的要求較高。

【備注】脫離裝置是在SPD失效時，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 在無浪涌沖擊時呈高阻態(tài)，近似開路，但一旦響應(yīng)雷電浪涌等瞬時過電壓時，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/半導體放電管、晶閘管等。

由于開關(guān)型SPD 在雷電浪涌沖擊時呈現(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)場能提供的預期短路電流有關(guān)，可能幾十A 乃至kA 級別，較長時間的續(xù)流將使得在雷電浪涌消失后SPD 也無法恢復到正常的高阻（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 的保護上，開關(guān)型SPD 必須具備可靠的續(xù)流遮斷能力。同時，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，如：雷電沖擊通流容量大、耐多次沖擊能力強、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一步的測試驗證的話，與限壓型SPD 一樣可以使用在其他保護模式上（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和使用壽命長的特性，豐富信息通信電源系統(tǒng)保護用SPD 產(chǎn)品的選擇與應(yīng)用。

4 開關(guān)型SPD續(xù)流遮斷能力的試驗驗證案例

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)指標是（工頻）續(xù)流遮斷能力（Ifi）是否可靠。為了驗證目前市場上開關(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)國家標準GB/T18802.11-2020《低壓電涌保護器（SPD）第11 部分：低壓電源系統(tǒng)的電涌保護器性能要求和試驗方法》規(guī)定的8.4.4（動作負載試驗）中的試驗流程，通過Ⅰ/Ⅱ類動作負載試驗來測試驗證續(xù)流遮斷能力。

4.1 試驗過程

4.1.1 樣品參數(shù)

進行動作負載試驗的開關(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 試驗樣品基本參數(shù)

4.1.2 動作負載試驗流程

（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，交流電源和預期短路電流應(yīng)符合GB/T18802.11 標準的8.4.4.3條中規(guī)定的要求。

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

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

4.2 試驗結(jié)果

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

表3 開關(guān)型SPD 動作負載與續(xù)流遮斷能力試驗結(jié)果

4.3 試驗小結(jié)

4.3.1 安全性能驗證情況

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

4.3.2 續(xù)流遮斷能力驗證情況

（1）動作負載試驗過程中，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)時間為7.9 ms），SPD動作引起的瞬時續(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常數(shù)，也是熔斷體本身的一個參數(shù)，由熔絲的設(shè)計所決定。

（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，可以認為在本文試驗條件下（預期短路電流3 kA、沖擊電流In為20 kA），依據(jù)GB/T18802.11 標準規(guī)定的動作負載試驗中，這3 組樣品都不存在續(xù)流不能及時遮斷的可靠性問題，也不存在引起供電線路后備保護裝置動作（如熔絲燒毀）的問題，即本次試驗的開關(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證。

4.4 應(yīng)用可行性分析

根據(jù)IEC 國際標準要求，SPD 的續(xù)流遮斷能力應(yīng)與安裝現(xiàn)場的最大預期短路電路相對應(yīng)。本文試驗成功驗證了在預期短路電流3 kA 時開關(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)已有檢測機構(gòu)對較大預期短路電流的續(xù)流遮斷能力進行了試驗驗證，并取得了良好的預期結(jié)果。

此外，隨著開關(guān)型SPD 的設(shè)計水平和生產(chǎn)制造工藝的大幅提升，以及事實上這些年開關(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 而導致的嚴重質(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一步得到了國內(nèi)檢測機構(gòu)的試驗驗證，現(xiàn)場實際使用的反饋結(jié)果也良好，加上有嚴格的國家標準對開關(guān)型SPD 進行測試認證，因此，在實際應(yīng)用中，同時加強與執(zhí)行好安裝規(guī)范要求，合理配置后備保護裝置，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、耐沖擊和使用壽命長的重要浪涌保護器，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裝置，對于降低通信電源系統(tǒng)的雷電防護運營成本以及提升維護效率將發(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,依據(jù)GB/T11802.11國家標準規(guī)定的動作負載試驗要求，對開關(guān)型SPD 續(xù)流遮斷能力的可靠性和安全性進行了測試驗證并取得了良好預期效果。同時，結(jié)合開關(guān)型SPD 的實際使用情況,以及國際標準IEC61643 和國家標準GB/T11802.11 對開關(guān)型SPD 的嚴格測試要求，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)中的科學應(yīng)用與選擇提供有用的參考價值。