中压故障导致直流暂态过电压的机理和防护_徐加征.pdf

技术专栏552023 年第 1 期 安全与电磁兼容0引言交流输电线路、变电系统和配电系统的各种故障会造成交流系统内部的暂态过电压（TOV），关于交流电源 TOV 的机理和防护已研究的比较深入和全面。但对交流配电系统故障造成直流通信设备损坏原因和机理的研究较少。目前通讯设备直流电源的防护研究主要针对的还是瞬态的雷击浪涌应力，防护设计也是依据行业雷击浪涌防护要求，而对直流电源 TOV 干扰机理的研究和防护较少。根据遇到的多起直流通讯设备损坏的事件来看，其中主要原因之一是直流电源上的工频 TOV，而非雷击浪涌。1直流 TOV 的来源1.1 中低压变压器副边的接地电力系统一般由发电厂、输电线路、变电所、配电线路及用电设备构成。其中中压配电网处于系统电网摘 要：直流电源上的工频暂态过电压（TOV）是造成设备损坏的重要原因之一，但目前对直流电源工频暂态过电压机理和模型的研究较少，且缺失相应的防护方案。该文根据实际站点工况，研究得出中压配电故障和防雷接地系统是直流电源工频暂态过电压的主要源头和转移路径；中压配电故障转移到通讯设备直流电源-48VRTN 与设备 PE 之间的暂态过电压是导致设备损坏的主要原因。根据直流暂态过电压的测试验证结果，从工程配电和接地设计、设备配电设计和设备电源防护设计等方面介绍了直流暂态过电压的防护方案。关键词：暂态过电压；防雷；接地；中压故障；等电位连接引用格式:徐加征,陈泓材.中压故障导致直流暂态过电压的机理和防护 J.安全与电磁兼容,2023(1):55-58.XuJiazheng,ChenHongcai.MechanismandProtectionofTransientOvervoltageofDCPowerCausedbyMediumVoltageFaultsJ.SAFETY&EMC,2023(1):55-58.(inChinese)Abstract：Thepowerfrequencytransientovervoltage（TOV）ontheDCpowersupplyisoneoftheimportantreasonsforequipmentdamage.However,atpresent,thepowerfrequencytransientovervoltagemechanismandmodeloftheDCpowersupplyarerarelyresearched,andthereisnoprotectionsolution.Accordingtotheactualsiteworkingconditions,itisconcludedthatthemediumvoltagepowerdistributionfaultandthelightningprotectiongroundingsystemarethemainsourceandtransitionpathofthetransientovervoltageofDCpowerfrequency.ThetransientovervoltagebetweentheDCpower-48VRTNandthePEsofthecommunicationequipmentcausedbymediumvoltagepowerdistributionfailoveristhemaincauseofequipmentdamage.AccordingtothetestandverificationresultofDCtransientovervoltage,theprotectionschemeofDCtransientovervoltageisintroducedfromtheaspectsofengineeringpowerdistributionandgroundingdesign,equipmentpowerdistributiondesignandequipmentpowersupplyprotectiondesign.Keywords：transientovervoltage(TOV);lightningprotection;grounding;mediumvoltagefault;equipotentialconnection中压故障导致直流暂态过电压的机理和防护MechanismandProtectionofTransientOvervoltageofDCPowerCausedbyMediumVoltageFaults1中兴通讯南京研发中心2东南大学复杂工程系统测量与控制教育部重点实验室徐加征1 陈泓材2下游，是连接终端电力用户和大电网的桥梁，直接关系到用户的电能质量和供电可靠性1。中压变压器副边接地方式有四种，如图 1 所示，分别为直接接地、不接地、消弧线圈接地、小电阻接地。直接接地可视为接地电阻为零，是一种理想的接地情况，在实际电网接地中不采用，因此常用的接地方式主要是后三种。目前中压电网的主流接地方式是小电阻接地 系统。1.2 低压配电系统的接地根据国际电工委员会（IEC）的定义，工程施工用电的基本供电系统有 TT 系统、TN 系统、IT 系统。其中 TN 系统又分为 TN-C、TN-S、TN-C-S 系统。用于通信机房或设备的接地系统一般为 TN 系统、TT 系统。1.3 中压故障转移中低压变压器的接地方式是直接接地，中低压变压器副边（功能接地）与外壳（保护接地）是共地还是基金项目：广东省基础与应用基础研究（2019A1515110008)Technical Column56SAFETY&EMC No.1 2023单独接地对故障过电压的影响很大。如图 3 所示，如果两者共同接地，当变压器中压相导体碰到中压变压器或配电柜的外壳发生故障时，变压器中性点与中压相导体短路。因中压侧每相的对地电压为相电压，低压侧中性点对地电压也上升为中压侧的相电压。过电压幅值较大时会引起人身触电、绝缘击穿、设备损坏、火灾等事故，给配电系统的安全运行带来严重威胁2-4。阻 RT流入大地，因此变压器外壳会出现幅值为 UT的电位抬升，UT=IFRT。由于变压器外壳与低压侧中性线共同接地，高压侧碰壳故障会导致低压侧工作接地（中性点）点电位发生同样大小的偏移，在用户侧产生转移过电压，且转移过电压与配变接地点地电位抬升值 UT直接相关2-3,5-6。对用电设备而言，转移过电压为工频应力电压 Ur和工频故障电压 Uf，前者影响用电设备的安全性，后者直接关系到用户的人身安全7。根据变电所接地配置和用电侧保护接地，以及变电所安全接地 RT，得到的相应Ur和 Uf见表 1。表 1 低压系统内的工频应力电压和工频故障电压低压接地方式UrUfTNU0IFRTTTIFRT+U00 （c）消弧线圈接地 （d）小电阻接地 （a）直接接地 （b）不接地图 1 中低压变压器副边接地方式（b）TN 系统（a）TT 系统图 3 配变高压侧单相碰壳故障示意图 （a）TN-S 系统 （b）TT 系统图 2 通讯设备低压配电系统的接地图 4 直流电源暂态过电压的源头和路径1.4 直流电源 TOV 的来源和路径通过上面的分析可知，中压配变故障电压可转移到低压用户侧。针对通讯局点的直流通讯设备，如果低压配电是 TT 接地方式，且直流通讯设备与 AC/DC 电源没有等电位连接，中压配电故障 TOV 就会转移到 AC/DC 电源，最后通过 AC/DC 电源再转移到 AC/DC 输出的直流电源上，TOV 通过直流电源进入到直流通讯设备，导致通讯设备的损坏故障。具体如图 4 所示，直流电源上的 TOV 主要源头是中低压变压器中压侧的故障，路径是中压故障电压和电流通过接地和防雷系统首先转移到低压侧的 AC/DC 电源，再由 AC/DC 电源转移到输出的 DC 电源上。2直流 TOV 造成设备损伤的机理中压过电压转移到低压系统对 AC/DC 电源和直流通讯设备的损伤过程如图 5 所示，损伤过程分为三阶段：阶段 1：中压故障过电压传递到低压侧的 AC/DC电源，此时 AC/DC 电源 AC 防雷 SPD（电涌保护器）尚未导通，N-PE 和 L-PE 都是断路，AC/DC 电源的 PE端接地极不分流，AC/DC 电源输出的直流-48 V 电源上不会出现 TOV。如图 3 所示，当配变（配电变压器）高压侧发生线路碰壳故障时，故障电流 IF会通过变压器外壳接地电技术专栏572023 年第 1 期 安全与电磁兼容阶段 2：AC/DC 电源 AC 防雷 SPD 导通，N-PE 之间 的 SPD 或 L-PE 之 间 的 SPD 导 通，AC/DC 电 源 的PE 端接地极分流。因 AC/DC 电源有接地阻抗，故接地极分流把 AC/DC 电源的接地点电位抬升，又因 AC/DC 输出的-48VRTN 接到 AC/DC 电源的接地点，所以中压故障又会通过 AC/DC 电源的防雷和接地系统转移到-48VRTN。阶段 3：转移到-48VRTN 上的暂态过电压通过直流电源线进入到直流通讯设备，导致设备内部 48 V 电源上出现 AC 暂态过电压，造成设备不同程度的损伤，具体的故障现象因通讯设备的防护方案和供电方式的不同而有所不同。（b）阶段 2 和阶段 3（a）阶段 1图 5 小电阻接地系统的中压故障传递到低压的损伤机理3直流电源 TOV 的防护根据上面分析的直流电源 TOV 的源头、路径和损伤机理，可以采用消除 TOV 来源、切断 TOV 转移路径和提高设备抵抗 TOV 的能力等方法来防护直流电源上的 TOV。3.1 消除 TOV 来源根据上面分析的直流电源 TOV 的源头，如图 6 所示，如果把中低压变电所变压器的保护接地和低压侧中性线的工作接地分开，中压侧的故障就不会转移到低压侧，也就不会传递到 AC/DC 电源和输出的 DC 电源上。但变压器的保护接地点和工作接地点要分开一定的距离，根据真实配电场地故障模拟测试结果，随着保护接地与工作接地分离距离的增加，中性线电压逐渐降 低7。这样不仅可以消除直流侧的 TOV，也可以有效降低 AC/DC 电源侧的 TOV。实际工程中变压器保护接地和工作接地点分离的距离可根据用户侧所允许的最大电压而定。3.2 切断 TOV 转移路径低压配电系统有 TT 系统、TN 系统、IT 系统。如果 AC/DC 电源系统采用 TN 系统，即 AC/DC 电源接配电的 PE 线，AC/DC 电源输出的-48VRTN 单独接机房的接地排，如图 7 所示。如图 7 所示，如果 AC/DC 电源接电源的 PE 线，那么中压侧故障电压不会影响 AC/DC 电源的正常工作，也不会转移到-48VRTN 上，通讯设备的直流电源上就图 6 中压保护接地和低压工作接地分开图 7 AC/DC 电源采用 TN 接地方式Technical Column58SAFETY&EMC No.1 2023不会出现 TOV。但 AC/DC 电源外壳电位也会抬升到故障电压，可能会造成人身伤害。另外需要注意故障电压不能超过 AC/DC 输出与输出之间的隔离绝缘耐压。3.3 提高 TOV 抵抗能力主动泄放如果无法消除 TOV 的源头，也无法切断 TOV 的转移路径，根据 TOV 造成直流设备损伤的机理，把 TOV阻挡在设备界面之外，不让 TOV 进入到设备内部电路。在设备端把-48VRTN 与设备的 PE 短接，即电源采用DC-C（公共直流回流）方式，如图 8 所示。3.4 提高 TOV 抵抗能力被动防护设备端直流电源上的 TOV 主要是-48VRTN 与 PE之间的 TOV，因此在设备的-48VRTN 与 PE 之间设计TOV的防护电路。如图9所示，设计两级TOV防护电路，第一级采用大通流能力的 SPD，第二级可采用普通的浪涌防护器件（比如压敏电阻 MOV，或瞬态抑制二极管TVS 等）。3.5 等电位连接防护 TOV无论是雷击浪涌的防护，还是 TOV 的防护，最简单有效的方法就是系统的等电位连接8，如图 10 所示，直流通讯设备与供电电源采用等电位连