農村電網智能電表系統(tǒng)雷電災害分析及對策

徐金亮 徐 斌 唐學東

（國網金華供電公司，浙江 金華 321000）

近年來，在國家智能電網的建設中，農村電網電表系統(tǒng)進行了廣泛的智能升級，更新為智能電表。智能電表用來測量、收集、儲存、分析用戶用電信息，通過通信網絡把用戶和電力公司緊密相連,為配電自動化等智能電網功能的實現奠定基礎[1]。但由于相應的防雷技術沒有跟上，農村低壓配電系統(tǒng)出現了智能電表由于雷擊而大量損壞的現象。一次雷暴過程就可能造成幾十只乃至幾百只表損壞，雷電不僅導致儀表設備的直接損失，還造成用電量計費損失。甚至發(fā)生電表箱炸裂導致供電中斷，農村用戶電器財產損失的現象[2-3]。

2012年4月10日與4月28日，浙江金華發(fā)生雷暴過程，僅僅金華市曹宅所范圍內就導致35個臺區(qū)總共270只表計損壞(采集器損壞6只、采集器模塊4只）。此后，6月8號、7月5號又有100多只表損壞。8月18號更有425只表一次性發(fā)生損壞。

變配電線路和電氣儀表設備的防雷技術在國內外廣泛應用，相對成熟[4-7]，IEC和ITU相繼發(fā)布了關于雷電防護的標準和規(guī)范，但由于行業(yè)和地區(qū)差異，針對中國農村農配電網架線方式、電表箱安裝位置及方式、接地裝置有無及形式等特點采取的防雷技術極為有限，研究不夠，相關電涌保護產品也不能適應現場需求。照搬它們在農村進行雷電防護必然有所欠缺。智能電網的實現是大勢所趨，取而代之的是具有雙向通信功能的智能電表，使得用戶和供電公司進行實時信息交互。但這也帶來了更多的雷電損害風險[8-10]。

本文以浙江金華農村配電網智能電表系統(tǒng)雷擊案例為對象，針對區(qū)域雷電環(huán)境、雷電對農村電力線路及設備的危害方式和途徑分析，現場勘查農配網線路及電表箱在農舍安裝情況、現有防雷技術運用包括接地和電涌保護等情況，綜合分析農配網尤其是智能電表的抗過電壓（雷電電涌）能力，提出有針對性防雷技術措施，以期改變農村智能電表受雷電嚴重威脅的局面。

1 農配網及智能電表系統(tǒng)雷電災害風險分析

1.1 雷電危險性分析

氣象資料統(tǒng)計表明：金華市年平均雷暴日 61.9天。簡單計算雷擊大地密度約為6.19次/km2a。屬于雷暴高發(fā)地區(qū)。金華周邊地區(qū)雷擊頻度多于金華市區(qū)[2]。分析金華市曹宅所區(qū)域內智能電表頻遭雷電災害的原因，其損壞形式多半為雷擊后采集器損壞、電源指示燈不亮，通信模塊壞、RS485口損壞，導致所有表計抄不到等現象。通過現場勘查調研，首先分析導致雷電災害災害發(fā)生的風險源。

對農網電力設施和智能電表而言，雷電流是損害源。按雷擊點相對于線路和電表的位置，雷電災害風險源一般應包括以下幾方面。

1）雷擊電力設施或混凝土桿塔

雷擊農配網電力設施的站房或混凝土桿塔可能使金屬導線或電纜屏蔽層熔化；或者由于耦合使線路和相連設備的絕緣擊穿。

2）雷擊入戶線路

雷擊入戶線路可能導致雷電流產生的電動應力或熱效應，使金屬線屏蔽層斷裂、熔化、塑料絕緣穿孔使金屬線受到機械損害、線路絕緣擊穿導致與之相連電表的直接電氣損害。

3）擊農舍或入戶電力設施鄰近大地

雷電擊中低壓配電線路桿塔或附近農舍、大地、樹木等，由于雷電感應導致的線路過電壓形成雷電波入侵。

由于村鎮(zhèn)配電線路除了主干線路外，大部分架空穿行在2、3層的農舍之間，因此，雷電直擊線路的幾率不大。從現代雷電防護的需求考慮，更為嚴重的是雷電感應產生的過電壓波，它的概率遠比直擊雷大得多，線路附近的落雷都足以在這些架空導線上產生感應電壓。例如，距離輸電線500m遠處的閃電，50kA的閃電電流就可以在4m高的架空導線上產生l0kV的感應過電壓。

1.2 雷電易損性分析

1）線路及智能電表耐雷水平分析

根據IEC 62305-2，低壓電氣設備的沖擊耐受電壓UW，傳統(tǒng)電氣計量儀表其耐壓額定值約為6kV，配電線路和分支線路設備如配電盤、斷路器、布線系統(tǒng)其耐壓額定值約為4kV，雖然0.22kV的線路電纜的耐沖擊過電壓值達到15kV，但由于智能電表將通信技術融入在新型的電子式計量設備中，其通訊模塊耐壓額定值僅約為 1.5kV，屬于弱電設備。對金華鄉(xiāng)鎮(zhèn)而言，雷電流強度平均約40kA，引起電表開關受損的雷擊位置距架空線路水平距離約為

也就是說，平均而言，只要雷電擊中農網線路附近1000m以內的地方就有可能導致電表箱開關設備受損。可見，如果沒有有效的屏蔽、接地、等電位、電涌保護等的防雷技術的綜合應用，農配網及智能電表系統(tǒng)顯得非常脆弱。

2）村鎮(zhèn)智能電表防雷現狀分析

現場勘測發(fā)現，村鎮(zhèn)智能電表系統(tǒng)防雷措施嚴重不足。首先，所有架空電源線均非屏蔽電纜，也無穿金屬管屏蔽措施。當然考慮到經費問題，這種情況不易改善，雷電擊中附近房屋、樹木或大地都會在線路上危險的感應過電壓波。

其次，最致命的問題是大部分終端電表箱無接地、少數有接地但不符合要求。要么接地電阻達不到要求，要么單設的接地裝置在房舍下但未與建筑物基礎鋼筋做總等電位連接，當雷電擊中建筑物時，由于地電位反擊造成電表箱開關、電表損壞，甚至造成家用電器損壞。現場看一些接地措施不得當。比如，利用通信線的屏蔽層當做接地線，提供給設備或終端SPD。我們知道，雷電流等值頻率很高，截面積很小，長度很長的通訊線纜屏蔽層感抗會非常大，利用它作為接地線泄放雷電流顯然是無效的。

第三，金華市各村鎮(zhèn)一般只在總配設置一級電源SPD，大多數電表集抄器以及終端電表基本都未安裝電源和信號SPD；即便安裝了少量SPD，也因為無符合要求的接地，線路上感應的雷電過電壓無處泄放而不能發(fā)揮作用。由于總配和集抄器在戶外，架空后經過一段距離才到戶表。故總配設置的第一級電源SPD對集抄器或進戶電表不起任何防雷保護作用！此外，一些電表只對RS485線端口做了電涌保護，而相線或中心線未作電涌保護，這也是無濟于事的。從同一條電纜中架空過來的相線、中心線以及通訊線在發(fā)生閃電時都會感應基本相同的過電壓，必須同時限壓，否則，信號SPD將信號線上的電壓限制了，但會造成相線和中心線電位遠大于通信線電位，由于電表中距離非常近而發(fā)生放電現象損壞電表。本來A/D轉換器的選取采用RS485標準差分傳輸方式，或者稱作平衡傳輸。RS485以一對雙絞線為載體，這種平衡差分電路可以有效的抗雷電感應這樣的共模干擾。由于沒有考慮綜合采取防雷措施，全面安裝SPD,電表中的絕緣隔離距離又不夠，很有可能發(fā)生從電源端口竄過來的橫向過電壓（二次放電）損壞RS485通信接口。

第四，通信電纜雖然用的是屏蔽電纜，但屏蔽層并未在二端接地并和各自所連設備等電位連接，而是在電力設備端接地，在終端表箱端未接地，這種單端接地方式可以防止靜電感應，但對架空線與大地組成的回路面積內由于電磁感應產生的干擾屏蔽效果基本為零。必須對室外架空信號線纜屏蔽層進行二端屏蔽接地處理。

2 村鎮(zhèn)智能電表系統(tǒng)防雷對策

2.1 接地技術的實現

前述的雷電災害成因非常明確，但限于政策、經濟等原因，有些技術不易實現。例如，接地不符合要求是造成村鎮(zhèn)電表系統(tǒng)大量損失的主要原因。在電力部門管轄的區(qū)域如變壓器接地、桿塔接地以及一些公用電力設施接地系統(tǒng)易于強化設計施工，從而解決接地問題。但在農戶外墻進戶電表箱位置，現階段基本都沒有設計安裝接地裝置，原因是供電部門與農戶溝通協調有問題，不愿意使用農舍建筑基礎內的鋼筋作為自然接地體，以防今后出現電器損失等發(fā)生責任糾紛。

其實，浙江金華村鎮(zhèn)相對富裕，農舍普遍都是2、3層樓房，大都采用閉合的環(huán)、網型條形基礎，這相當于IEC所提出的B型接地。它具有天然的均壓、泄流等接地功能。只要電力部門與住戶溝通，充分利用建筑基礎中的鋼筋作為大型接地裝置，電力線路及電表系統(tǒng)包括農戶電器的雷電安全將得到大幅提升。而成本卻非常小，只是利用和連接問題。

2.2 電涌保護

智能電表的內部通信接口在未加裝外置電涌保護器的情況下，一般都不能達到ITU組織（國際電信聯盟）所規(guī)定的的抗擾度要求，極易遭到損壞。因此，必須在智能電網或智能電表的各進出通信傳輸線路商安裝相應的電涌保護器（SPD）或信號隔離器。一旦線路上感應產生雷電過電壓或遭直接雷擊，由于SPD的限壓作用或由于隔離器的作用，智能電表系統(tǒng)各設備的進出線路接口電壓將被限制在耐受沖擊電壓值以下。達到基本等電位，從而保護智能電氣系統(tǒng)或設備免遭損壞。

由于考慮到一只智能電表的價格并不昂貴，若要全面對電表進行防雷保護，除了需要上述接地措施外，每根相線、中心線和通信線在電表箱內設備前端都要安裝SPD，也許這些SPD比智能電表本身還要花費大，這就是農村電表箱防雷的問題所在。一個單相供電至少需要二個電源SPD模塊，還需要一個RS485接口信號SPD模塊，且二種模塊防雷參數不同。SPD安裝在電表集抄器和電表信號端口以及電源線端口。

3 RS485接口SPD級間配合的設計

智能儀表的通信通道大致分為兩條，由于通信接口的微電子器件耐沖擊電壓水平低，極易受到雷電波入侵[11-12]。因此，有針對性的設計接口電涌保護電路或加裝線路電涌保護器，減小雷電感應過電壓對智能電表系統(tǒng)的干擾和破壞，已成為智能電表RS485接口設備防雷保護，加強設備可靠性的重要工作。此外，還必須重視選擇傳輸特性符合要求的信號SPD，否則會造成信號傳輸速率下降、誤碼率增加、傳輸距離縮短等問題。由于農配網線路大多為架空，所以一級SPD不能同時滿足泄流和限壓的要求，必須至少設計2級SPD才能達到泄流和限壓的目的，這里還涉及到級聯配合問題。

3.1 設計計算

設智能電表RS-485接口線路上最大干擾電平為±Umax，最小干擾電平為±Umin，考慮一定的比特率和內阻，則不使計算機串行異步通信出錯的接收線路上接入的最大電容C一般為nF級。

由于通過信號線路入侵智能電表系統(tǒng)的雷電過電壓波幅值一般在數 kV以內，為完全保護智能電表等電子通信設備，應該設計多級保護電路。即在SPD的第一級利用放電管對暫態(tài)雷電過電壓波進行分流，殘存的較高殘壓利用后級瞬態(tài)抑制二極管將電涌電壓箝位在接口設備耐受沖擊電壓值以下[7]。由于放電管具有較高的放電電壓和較長的導通響應時間，為了實現二級SPD器件間的能量配合[8]，使GDT在暫態(tài)過電壓波到達TVS之前導通泄流[9]，以保證 TVS管不被擊穿，應該在前后級 SPD之間加裝級聯配合電阻（又稱退耦電阻）。配合電阻值阻值的選取應在保證SPD保護效率的前提下，盡量減小因加入配合電阻而對信號線路正常傳輸造成的影響，也就是要考慮SPD的傳輸特性。一般情況下信號線路中分布電容值越大，對信號正常傳輸的不利影響越大[10]，而由于TVS管的分布電容值很大，因此需要在后級電涌保護電路中加裝硅堆，以減小對信號傳輸的影響。典型的RS485信號類SPD電路設計原理圖如圖1所示，其中前級放電管GDT的直流放電電壓約為90V。

圖1 電路設計原理圖

3.2 實驗分析

1）配合電阻選取實驗

選取不同阻值的配合電阻，分別制成RS-485智能電表專用數據接口SPD，選用1.2/50μs開路電壓波以及1.2/50μs、8/20μs組合波，進行L-PE間沖擊測試。記錄其殘壓值、限制電壓和兩級通電涌電流容量。實驗結果如表2及表3所示。

從表2以及表3中都可以看出，幾個試驗樣品在組合波沖擊作用下，限制電壓值基本一致，說明配合電阻大小對試品的限制電壓影響不大。而在8/20μs短路電流波的沖擊作用下，配合電阻阻值小于2.2Ω的試驗樣品無法得到殘壓值，配合電阻阻值大于2.2Ω的試驗樣品殘壓逐漸增大。說明配合電阻阻值小于2.2Ω的試驗樣品前后兩級之間未能實現能量級聯配合，導致電涌來襲時，前級放電管并沒有動作，而是所有的電涌電流全部通過了后級TVS管，以致TVS管難以承受而被擊穿損毀。配合電阻阻值大于或等于2.2Ω的試驗樣品兩級保護之間順利實現能量級聯配合，前級放電管成功及時導通，后級瞬態(tài)抑制二極管只分得一小部分雷電流，達到了多級SPD應該具有的分流和限壓的配合效果。但隨著配合電阻阻值的進一步增大，SPD殘壓值將越來越高，保護性能逐漸下降。顯然，取2.2?作為二級線路電涌保護的配合電阻最為理想。

表1 不同沖擊波形下幾種配合電阻殘壓情況

表2 各試品前后級通流量

2）多級信號類SPD分布電容實驗

利用元件分析儀，分別對裝有硅堆和未裝硅堆的信號類SPD產品的線-線間及線-地間分布電容值進行多組測試，測試結果如表4所示。

表3 多級信號類SPD分布電容

裝有硅堆時，線-線間及線-地間的平均分布電容值分別為120pF，16pF；沒有裝硅堆時，線-線間及線-地間的平均分布電容值分別為338pF，43pF。實驗結果表明：加裝硅堆對減小分布電容值作用明顯。

3）組合波沖擊測試

利用雷電沖擊試驗平臺，選取波形為 1.2/50μs的開路電壓波和 8/20μs短路沖擊電流波（幅值為4kA）的組合波對試品SPD的L-PE間進行沖擊測試。實驗結果其殘壓波形及電涌電流波形如圖2所示。

圖2 L-PE間殘壓、電涌電流

圖2中，左邊測試通道為電壓通道波形，右邊測試通道為電流通道波形。圖中可看出出實際沖擊電流幅值為3.76kA，殘壓值約為70V。殘壓波形前端脈沖是放電管導通過程，之后為瞬態(tài)抑制二極管限制電壓的過程，兩者相互配合，將電壓值限制在70V左右。一般RS-485數據接口的電磁抗擾度遠大于70V，接口將得到電涌保護。

4 結論

對農網電力設施和智能電表而言，雷電擊中低壓配電線路桿塔或附近農舍、大地、樹木等，由于靜電感應和電磁感應導致的線路過電壓形成雷電波入侵是主要損害源。農戶電表接地不能滿足要求甚至無接地或者單設的接地裝置未與農舍基礎鋼筋做等電位連接，由于地電位反擊可能造成電表箱開關、電表損壞；只對電表RS485線端口做電涌保護，而相線或中心線不作電涌保護將導致橫向放電損壞電表。必須將屏蔽、接地、等電位、電涌保護等防雷技術綜合應用才能保證智能電表系統(tǒng)安全。RS485接口SPD結構設計中加裝硅堆對減小線路接入元件后的靜態(tài)分布電容值作用明顯。在同時考慮信號線路傳輸特性并強調SPD保護效率的信號類多級SPD保護器設計中，阻值為2.2Ω的配合電阻為多級線路電涌保護器的最佳選擇。

[1]楊士奇.智能電表在配電網中的擴展應用研究[D].北京： 華北電力大學, 2011.

[2]王少華, 葉自強.惡劣氣候對浙江電網輸電線路的影響[J].中國電力, 2011(2)： 19-22.

[3]高晶, 孫繼銀, 趙星陽.電磁脈沖作用下RS232接口受損特性分析[J].微電子學與計算機, 2008(6)： 22-24.

[4]張小青.建筑物內電子設備的防雷保護[M].北京：電子工業(yè)出版社, 2002.

[5]郭詮水.通信設備接口協議手冊[M].北京： 人民郵電出版社, 2005.

[6]柴健.SPD級間能量配合的研究分析[D].南京信息工程大學碩士論文, 2012.

[7]孫禔, 孫鵬.湖北省高壓輸電線路防雷現狀及綜合防雷措施[J].中國電力, 2006, 39(2)： 35-38.

[8]杜志航, 楊仲江, 等.RJ45接口浪涌保護器的設計與測試[J].安全與電磁兼容, 2009(1)： 48-51.

[9]楊仲江, 柴健, 唐宏科.工業(yè)控制系統(tǒng)信號電涌保護器的研究與設計[J].電瓷避雷器, 2011(4)： 52-56.

[10]孟立凡, 鄭賓.傳感器原理及技術[M].北京： 國防工業(yè)出版社, 2005： 42-48.

[11]韓偉, 王建文, 王學輝, 孟梅.電源線路浪涌保護器（SPD）安全性能的分析探究[J].電瓷避雷器,2008(6)： 22-24.

[12]謝社初.信息系統(tǒng)雷電過電壓的 SPD防護[J].電氣應用, 2007(3)： 16-20.