通信直流电源暂态过电压试验方法的研究.pdf

技术专栏512023 年第 3 期 安全与电磁兼容0引言随着通信产品应用范围的扩大，在国际上某些电网质量较差的地区，通信站点有时会出现直流（DC）侧设备损坏的严重事故。究其原因，主要是站点交流配电网过电压通过配电网的防雷和接地系统转移到直流电源侧，直流电源上出现了交流暂态过电压（TOV），从而影响到直流侧设备。在工程上进行直流电源 TOV 的防护，一方面需要研究直流电源 TOV 的机理和模型，另外也要研究直流电源 TOV 的试验方法，通过试验再现或模拟真实工程场景，通过试验和理论研究直流电源 TOV 的机理和模型，通过试验支撑直流电源 TOV 的工程防护设计和 验证。摘 要：直流电源上的暂态过电压（TOV）是造成直流通信设备损坏的重要原因之一，但目前对直流电源暂态过电压机理和测试的研究较少。根据实际通信站点的工况，分析研究了真实场地、实验室模拟场地及实验室简易模拟等三种直流电源 TOV 的试验方法。为直流电源 TOV 机理的研究提供了试验手段，为直流电源 TOV 的防护设计提供了数据支撑和验证方法。在国内某真型试验场地进行的通信站点某典型场景的直流电源 TOV 试验复现了现场故障，验证了直流电源 TOV 产生的原理和路径、暂态过电压造成直流通信设备损坏的机理。关键词：暂态过电压；直流电源；真型试验；模拟试验；简易试验引用格式:徐加征，陈泓材.通信直流电源暂态过电压试验方法的研究 J.安全与电磁兼容，2023(3):51-53，58.XuJiazheng,ChenHongcai.ResearchonTransientOvervoltageTestMethodsforCommunicationDCPowerJ.SAFETY&EMC,2023(3):51-53，58.(inChinese)Abstract：Thepowerfrequencytransientovervoltage(TOV)ontheDCpowersupplyisoneoftheimportantcausesforthedamagetotheDCcommunicationequipment.However,themechanismandtestofthepowerfrequencytransientovervoltageontheDCpowersupplyarerarelystudied.Accordingtotheworkingconditionoftheactualcommunicationsite,thetestmethodsofthreekindsofTOVofDCpowersupplyareanalyzedandstudied,suchasrealsite,simulatedrealsiteandsimplesimulatedlab.ItprovidestestmeansfortheresearchofthemechanismoftheDCpowersupplyTOV,andprovidesdatasupportandverificationmethodsfortheprotectionoftheDCpowersupplyTOV.Inaddition,aDCTOVtestinatypicalconditionofacommunicationsitewasperformedinarealtestsiteinChina.Throughthetest,thesamefaultasthatinthefieldwasreproduced,andtheprincipleandpathofDCpowerTOVgenerationandthemechanismofDCcommunicationequipmentdamagecausedbytransientovervoltagewereverified.Keywords：transientovervoltage(TOV);DCpowersupply;realtest;simulatedrealtest;simpletest通信直流电源暂态过电压试验方法的研究ResearchonTransientOvervoltageTestMethodsforCommunicationDCPower1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3移动网络和移动多媒体技术国家重点实验室徐加征1,3 陈泓材21真实场直流电源 TOV 试验方法按照通信站点的典型配电、防雷和接地场景，搭建还原局点的真实工况，人工制造交流单相接地故障，进行直流电源 TOV 机理和模型的测试。在国家电网某供电公司配电网真型试验场进行了直流电源 TOV 测试方法的实施和验证。国电电网某公司配电网真型试验场是世界上最大规模 10 kV 真型试验场之一，包括室内约 1 800 m2的10 kV 开关站和低压供电系统，室外约 6 000 m2的架空线路、电缆线路、配电台区和配电自动化设备。可方便开展中压配电网和低压供电网的各种试验，中性点可采用各种接地方式，电容电流可高达 450 A，特别适合接地故障引发的触电和起火处置技术试验。基金项目：广东省基础与应用基础研究（2019A1515110008)Technical Column52SAFETY&EMC No.3 2023试验场电源系统中，2 条来自开发区的 10 kV 馈线作为配电网真型试验平台的进线，均由公网直接接入。中性点配置有小电阻接地柜和消弧线圈，可灵活模拟消弧线圈接地、小电阻接地、不接地等中性点运行方式。图 1 是中压单相故障导致直流电源 TOV 的真实场试验配置图。依据试验目的和相关标准，以及工程站点的实际情况，可灵活配置中性点接地方式、配电故障、直流设备双电源供电、直流设备单电源供电、电源和设备不同的接地方式及接地电阻等，从而真实再现不同工程场景下由交流配电故障引起直流电源上 TOV 的具体模型。以某通信站点典型场景为例说明真实场直流电源TOV 的试验方法，直流通信设备两路电源供电，整流器 1 和直流通信设备等电位连接，整流器 2 距离直流通信设备距离较远，故整流器 2 单独接地，如图 2 所示。试验步骤为：（1）按照图 2 进行现场的配置和连线；（2）设置现场的接地方式及接地电阻。设置中性点接地方式是消弧线圈接地还是小电阻接地，如果小电阻接地，设定 R1的阻值。设置整流器 1 和直流设备连接到一个接地桩，并且设定 R2的阻值。设置整流器 2 连接到另外一个接地桩，并且设定 R3的阻值；（3）在需要检测和监控电压和电流的节点设置相关的仪器仪表；（4）设置中压侧单相接地故障的持续时间、是否需要设置容流及容流大小；（5）进行测试，分析测试记录的数据和现象。可根据实际情况，调整 R1、R2和 R3的阻值及单相接地故障时间等重新进行测试。利用上面的试验配置，真实地再现了某国际站点的环境，复现了现场发生的故障，验证了试验方法的有效性。注意：由于地网会泄放故障电流，操作人员要远离地网，并在地网附近放置护栏，防止跨步电压。2实验室模拟直流电源 TOV 试验真实场直流电源 TOV 试验需要专业的场地和专业的操作人员，为了更加方便进行直流电源 TOV 的研究和测试，在实验室搭建模拟直流电源 TOV 试验装置。首先需要配置交流电源 TOV 的模拟试验设备，再通过搭建分离的地网来实现直流电源 TOV 的模拟试验。2.1 交流电源 TOV 试验装置为了开展 TOV 对通信设备电源系统的损伤测试，实验室需要按照 IEC 61643-11:2011 高（中）压系统的故障引起的暂态过电压试验要求配置一台 TOV 试验设备1-2，如图 3 所示。2.2 模拟试验电气配置通信设备直流电源 TOV 主要是交流侧单相接地故障，故障电流因电源和设备接地不同而分流，交流电源TOV 流经直流通信设备，导致设备损坏。因此在交流电源 TOV 的试验配置基础上，另外设置交流电源接地图 1 真型场直流通信设备过电压试验配置图 2 某典型通信站点直流电源 TOV 真实场试验配置图 3 交流电源 TOV 设备测试电路技术专栏532023 年第 3 期 安全与电磁兼容网和直流设备接地网两个独立的接地网，搭建工程局点典型的直流通信设备 TOV 损伤模拟试验线路，如图 4所示。实验配置由两路配电变压器构成，一路为交流电图 4 实验室直流电源 TOV 模拟试验线路配置源 TOV 设备供电，用于产生故障过电压；另一路为任意公网配电变压器。电源 1 由 TOV 设备供电，是发生故障的电源。电源 2 由公网配电供电，同时配有切换开关用于测试其他配置。为了模拟不同的接地情况，需要对电源 1、设备和电源 2 的接地进行设置，电源 1 的接地电阻通过 TOV设备调节；通信设备配有独立地网和可调电阻箱，便于改变电阻与接地方式；电源 2 配有独立地网和可调电 阻箱。实验室模拟试验除了不能设置故障线路的容流外，其它与真实场试验基本相同。注意：由于地网会泄放故障电流，操作人员要远离地网，并在地网附近放置护栏，防止跨步电压。3直流电源 TOV 简易模拟方法根据对直流电源 TOV 机理和模型的研究，以及中压故障导致直流电源 TOV 的机理和防护设计3-5，直流通信设备上出现交流电源 TOV 的机理是中压单相接地故障造成的过电压通过防雷和接地系统转移到直流侧。如果直流通信设备是单电源供电，转移到 DC 侧的 TOV会导致通信设备DC电源-48VRTN与PE之间的过电压；如果直流通信设备是双电源供电，转移到 DC 侧的 TOV不仅会导致通信设备 DC 电源-48VRTN 与 PE 之间的过电压，还会造成两路 DC 电源-48VRTN 之间的过电压。根据直流电源 TOV 的机理，单电源供电的直流通信设备可直接在设备电源输入端口-48VRTN 与 PE之间施加交流电源 TOV，如图 5（a）所示。双电源供电的直流通信设备可直接在设备电源输入端口的两路-48VRTN 之间施加交流电源 TOV，如图 5（b）所示。实验室直流电源 TOV 简易模拟试验时设备不上电，通过 TOV 设备直接产生过电压，注入到设备相关的输入端口。仅用于快速验证直流侧 TOV 的损伤机理和防护设计。（b）双电源供电直流设备（a）单电源供电直流设备 图 5 直流电源 TOV 简易试验方案（下转第 58 页）Technical Column58SAFETY&EMC No.3 2023验证方案四：将 4.2 mH 电感与 20 F 电容并联后，串联到输入端口，形成陷波电路，实测数据如图 11 所示，550 Hz 处进一步改善，通过测试仅超标 0.31 dBA，其余频点基本也都在限值之下，多个谐波频点均在限值线以下。由此可知，对 CE101 谐波抑制效果最为明显的是陷波电路方案，谐波抑制效果更强，谐波频点抑制更有针对性，若使用常规的 LC 滤波方式，可能需要 2 级甚至 3 级电感方能使超标频点降低至限值内，因此采用陷波电路的方案，不仅效果优于同级 LC 滤波电路，也将所用的器件体积等问题进行了压缩；也验证了仿真计算结果与实际测试结果一致，形成了闭环。6结语在军用产品的电磁兼容测试项目中，CE101 问题尤为突出，在研发过程中若没有进行专项的电磁兼容性设计，后期测试失败率极高，本文通过仿真计算、实测，验证了常用的电感、电容、LC 滤波器、陷波电路等方式的滤波对 CE101 的抑制效果，得出了一个能够在一定频段内有更好谐波抑制效果的方案，并证明了这是一种在同参数的滤波电路中对特定频段插入损耗更高的方案，具备推广价值。参考文献1 陈世钢.CE101 舰船交流电源极限值的设定及其应用 J.安全与电磁兼容,2008(4):13-16.2 中国人民解放军总装备部.军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求与测量:GJB 151BS.北京:总装备部军标出版发行部,2013.3 何瑞花.电力系统谐波的危害与治理 J.科技视界,2015(5):322-323.4 周剑,朱宜生,高刚.控制机柜的 CE101 结果分析与整 改 J.环境技术,2020,38(1):71-75.5 肖振鹏,陈特放,成庶,等.动态陷波滤波器在牵引变流器中的应用研究 J.电气工程学报,2016,11(8):1-8.6 周剑,朱宜生,高刚.控制机柜的 CE101 结果分析与整 改 J.环境技术,2020,38(1):71-75.编辑：田宁 E-mail: 图 11 陷波电路滤波测试数据序号频率/MHz读值/dBA修正因子/dB结果/dBA限值/dBA余量/dB备注10.000 54532.8999.85100.160.310.31峰值（上接第 53 页）4结语在国内某真实场地进行了通信站点某典型场景直流电源 TOV 的试验，通过试验复现了现场的故障，验证了直流电源 TOV 产生的原理和路径以及暂态过电压造成直流通信设备损坏的机理。给出的三种直流电源 TOV 试验方法中，真实场地试验可再现工程通信站点的环境，但现场配置复杂，且需要专业的人员操作；实验室模拟试验可用于因高（中）压系统故障传到低压系统或系统自身产生的暂态过电压特性试验，以及 TOV 故障试验，也可用于其它科研试验；简易模拟方法可用于快速验证 TOV 的防护设计。参考文献1 Low-voltage surge protective devices-Part 11:Surge protective devices connected to low-voltage power systems-Requirements and test methods:IEC 61643-11S.2011.2 任晓明,蔡振新.TOV 暂态过电压测试方法研究 C/第五届中国国际防雷论坛.成都:中国气象学会,2006:477-480.3 赵桂娟,耿东勇.暂态过电压在线检测技术研究及实测数据分析 J.电气自动化,2015(3):115-117.4 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):55-58.5 李玉敦,李晨昊,王安宁,等.10 kV 配电变压器碰壳故障转移过电压分析及试验研究 J.供用电,2021,38(11):27-32.编辑：刘新霞