電力通信設(shè)施過電壓防護(hù)的探討

胡全斌，吳曉良，徐幸兒，紀(jì)豐

（1.國網(wǎng)浙江省電力公司湖州供電公司，浙江湖州313000；2.杭州意能防雷技術(shù)有限公司，杭州310000）

電力通信設(shè)施過電壓防護(hù)的探討

胡全斌1，吳曉良2，徐幸兒1，紀(jì)豐1

（1.國網(wǎng)浙江省電力公司湖州供電公司，浙江湖州313000；2.杭州意能防雷技術(shù)有限公司，杭州310000）

結(jié)合電力通信設(shè)施運(yùn)維的實踐經(jīng)驗，介紹了電力通信設(shè)施過電壓防護(hù)裝置的檢查要點(diǎn)，分析了電涌保護(hù)器SPD引線長度對過電壓防護(hù)的影響、接地及等電位連接等電力通信設(shè)施過電壓防護(hù)的常見問題，探討了實時監(jiān)控SPD工作狀態(tài)的可能性。

電力通信；設(shè)施；雷擊；過電壓；SPD

電力安全生產(chǎn)離不開通信設(shè)施，近些年電力通信設(shè)施防雷保護(hù)措施不斷完善，幾乎所有的電力通信設(shè)施都安裝了SPD（電涌保護(hù)器）。SPD在線長期運(yùn)行會自然老化，一旦SPD處于劣化階段，使用ZnO壓敏材料的器件可能溫度升高，引起壓敏電阻熱崩潰，從而導(dǎo)致漏電流增大且防護(hù)功能失效，嚴(yán)重時可發(fā)生器件爆炸、起火；當(dāng)雷擊降臨時已失去防御功能，導(dǎo)致通信系統(tǒng)設(shè)備無法正常運(yùn)行。因此，對SPD性能狀態(tài)的周期性檢測并及時進(jìn)行維護(hù)顯得非常重要。

1 過電壓防護(hù)設(shè)施的檢查

電力通信設(shè)施的防雷擊措施涉及面廣，如：機(jī)房均壓帶、環(huán)母、引下線連接，防靜電地板，均壓接地技術(shù)，等電位接地，室內(nèi)SPD的選型、匹配、通流量、安裝位置、連接線、材料、規(guī)格、截面、連接方式、過渡電阻，防腐措施等。

室外的接地網(wǎng)，特別是接地體（扁鋼、角鋼等鋼材）埋設(shè)在地下，如果是偏酸性的土壤、風(fēng)化石土壤和砂質(zhì)土壤，腐蝕性強(qiáng)；如果施工時焊接不牢固、防腐處理未做到位，年久以后，接地裝置容易發(fā)生腐蝕斷開造成地網(wǎng)肢解。

需要對過電壓防護(hù)設(shè)施定期檢查維護(hù)，通常檢查有以下幾個要點(diǎn)：

（1）SPD的接線截面、長度，外觀，標(biāo)識，啟動電壓，漏電流，殘壓值；

（2）室內(nèi)接地與直接等電位連接性能檢查，機(jī)房均壓帶、環(huán)母、引下線連接，均壓接地電阻值與過渡電阻值；

（3）接地網(wǎng)檢查，開挖接地網(wǎng)，檢查材料、規(guī)格、截面腐蝕程度等，以及接地電阻試驗。

2 SPD引線長度的討論

日常運(yùn)維中SPD的常見問題主要有：通信電源屏直流48 V電源SPD漏電流偏大，通信電源屏交流電源SPD某相模塊已遭受過過電流損壞使指示窗口變紅，少數(shù)站點(diǎn)SPD設(shè)置未到位，級間配合欠妥。某些交流電源SPD接線長度過長，也有交流電源SPD殘壓值超標(biāo)等現(xiàn)象。

SPD在工作時，SPD安裝位置處的線路對地電壓限制在Up（SPD的電壓保護(hù)水平）。若SPD和被保護(hù)設(shè)備間的線路太長，電涌的傳播將會產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象，IEC 61643-12標(biāo)準(zhǔn)指出，設(shè)備端產(chǎn)生的振蕩電壓值會增至2Up，即使選擇了Up≤Uw（設(shè)備耐沖擊電壓額定值），振蕩仍能引起被保護(hù)設(shè)施損壞。

振蕩保護(hù)距離Lpo是SPD和設(shè)備間線路的最大長度，在此限度內(nèi)，SPD有效保護(hù)了設(shè)備。若線路長度小于10 m或者Up/f（有效保護(hù)水平）＜Uw/2時，振蕩保護(hù)距離可以不考慮。若線路長度大于10 m且Up/f＞Uw/2時，振蕩保護(hù)距離可以由公式估算：

式中：k=25 V/m。

當(dāng)建筑物或附近建筑物地面遭受雷擊時，會在SPD與被保護(hù)設(shè)備構(gòu)成的回路內(nèi)感應(yīng)出過電壓，如其過電壓疊加Up超出限制值將降低SPD的保護(hù)效果。感應(yīng)過電壓隨線路長度、保護(hù)地PE與相線的距離、電源線與信號線間回路面積的尺寸增加而增大，隨空間屏蔽、線路屏蔽效率的提高而減小。

當(dāng)雷電產(chǎn)生的磁場極強(qiáng)時，應(yīng)減小SPD與設(shè)備間的距離。也可采取措施減小磁場強(qiáng)度，如建筑物（LPZ 1）或房間（LPZ 2等后續(xù)防護(hù)區(qū)域）采用空間屏蔽，使用屏蔽電纜或電纜管道對線路進(jìn)行屏蔽等。當(dāng)采用了上述屏蔽措施后，可以不考慮感應(yīng)保護(hù)距離Lpi。

當(dāng)SPD與被保護(hù)設(shè)備間的線路較長、線路未屏蔽、回路面積大時，應(yīng)考慮感應(yīng)保護(hù)距離Lpi，用下列公式估算：

Lpi=（Uw-Up/f）/h，（2）

式中：h=30 000×KS1×KS2×KS3（V/m）；KS1為LPZ 0/1交界處的建筑物結(jié)構(gòu)、LPS（雷電防護(hù)系統(tǒng)）和其他屏蔽物的屏蔽效能因子，一般取0.12w（w為格柵形空間屏蔽或者網(wǎng)格狀LPS引下線的網(wǎng)格寬度）；KS2為建筑物內(nèi)部LPZ X/Y（X>0，Y>1）交界處屏蔽物的屏蔽效能因子，一般取0.12w；KS3為建筑物內(nèi)部布線的特性因子，按GB 50343-2012標(biāo)準(zhǔn)中表B.5.14-2的規(guī)定確定。

安裝SPD時要特別注意SPD兩端引線的長度。如有3路電源線進(jìn)出通信站建筑物，防雷類別以二類考慮，最大雷擊電流為150 kA，閃電電流50%經(jīng)外部防雷設(shè)施泄放，流經(jīng)室內(nèi)各類導(dǎo)體SPD的雷電流約為2/3，電源線按3線考慮再除以3，因此，首次雷擊時每個SPD通過的雷電流i1=150/2/3/3=8.33 kA，首次雷擊以后雷擊時每個SPD通過的雷電流i2=37.5/2/3/3=2.08 kA（參閱GB 50057-2010附錄F表F.0.1-3）。首次雷擊時電流平均陡度為i1/T1（波頭）=8.33/10=0.83 kA/μs（線路無屏蔽），首次后雷擊時電流平均陡度為i2/T2（波長）=2.08/0.25=8.32 kA/μs（線路無屏蔽）。當(dāng)SPD兩端引線長度為1 m時（電感為1 μH/m），引線上的最大壓降達(dá)到8.32 kV（線路無屏蔽），這么大的壓降超過了SPD自身的電壓保護(hù)水平UP，也超出了被保護(hù)設(shè)備的耐壓水平UW，顯然雷擊過電壓發(fā)生時設(shè)備被損壞的風(fēng)險較大。

如圖1所示，ΔU為電涌保護(hù)器兩端引線的感應(yīng)電壓降，即L×（di/dt），可按1 kV/m計算；ΔU=ΔUL1+ΔUL2。

圖1 L線與等電位排間的電涌電壓

假如流經(jīng)SPD兩端引線L1與L2的電涌平均陡度為1 kA/μs，引線Ф6 mm2的多股銅線L1與L2單位長度電感為L0=1.16 H/m，SPD的殘壓為1.3 kV，SPD兩端引線長度之和L1+L2=1.5 m，UAB= SPD的殘壓值+引線產(chǎn)生的感應(yīng)電壓UL。

由于UAB=3.04 kV，大于被保護(hù)設(shè)備的耐壓（2.5 kV），設(shè)備的絕緣有可能被擊穿，導(dǎo)致?lián)p壞。按照規(guī)范要求SPD兩端引線之和不超過0.5 m，現(xiàn)為1.5 m，應(yīng)予縮短。

兩端引線縮短量值為LS=（3 kV-2.5 kV）/（1.16 H/m×1 kA/μs）=0.47 m，L1+L2-LS=1.5-0.47=1.03 m，則SPD兩端引線之和必須小于1.03 m，才能滿足要求。

3 接地及等電位連接的檢查

日常運(yùn)維中接地及等電位連接的常見問題主要有：個別通信電源綜合屏接地螺絲未緊固；通信機(jī)房蓄電池未接地；開挖接地極角鋼與扁鋼焊接點(diǎn)有個別腐蝕斷裂等。

電氣接地是保障電力通信設(shè)施正常運(yùn)行、防止人身電擊事故、防止雷擊和靜電的基本措施。通信機(jī)房蓄電池未接地時，當(dāng)供電線路因雷擊電磁脈沖過電壓入侵，雷擊電壓超出蓄電池絕緣耐壓而無法泄放到大地，就可能毀壞蓄電池；通信電源綜合屏接地螺絲未緊固，當(dāng)供電線路因雷擊電磁脈沖過電壓入侵，將導(dǎo)致電氣火花，嚴(yán)重時可能毀壞設(shè)備或釀成火災(zāi)事故。

假如理想的接地裝置（阻值為零）存在，那么當(dāng)雷擊發(fā)生時，不論雷電流多大，接地裝置上任何一點(diǎn)對大地的電位都為零，則該接地系統(tǒng)避雷泄流百分之百。但實際上理想的接地裝置（阻值為零）是不存在的。通信站設(shè)備泄放雷擊電磁脈沖過電流依靠的是良好的接地網(wǎng)，如果地極角鋼或扁鋼腐蝕斷裂造成地網(wǎng)肢解，地網(wǎng)整體面積縮小、接地電阻值增大，勢必引起地電位抬升。當(dāng)?shù)仉娢桓叩椒磽粼O(shè)備且可破壞設(shè)備絕緣時，將為時晚矣。這就需要定時檢驗、開挖驗證接地裝置是否正常，以確保接地網(wǎng)原設(shè)計功能。

4 實時監(jiān)控的可能性

電力通信設(shè)施的SPD分散在電網(wǎng)覆蓋范圍內(nèi)，有的設(shè)在高山峽谷，在雷雨季節(jié)被毀壞的可能始終潛在，一旦SPD無法承擔(dān)瞬態(tài)泄放過電流造成通信中斷時，只能靠人工奔赴現(xiàn)場查驗才能發(fā)現(xiàn)與分析，并進(jìn)行處理。為實時監(jiān)控SPD狀態(tài)，可采用雷擊參數(shù)在線監(jiān)錄與SPD動態(tài)預(yù)警管理設(shè)備，雷擊參數(shù)在線監(jiān)錄與SPD動態(tài)預(yù)警管理設(shè)備設(shè)置于線路SPD之間，安裝點(diǎn)如圖2所示，實時監(jiān)測流過SPD的瞬態(tài)電流，判斷SPD失效勢態(tài)。配接無線傳輸方式，將監(jiān)測、記錄到的自然閃電閃擊參數(shù)，如：閃電閃擊電流幅值、持續(xù)時間、極性（雷擊電流走向）與波形等真值參數(shù)以及SPD性能現(xiàn)狀，隨時傳送到數(shù)據(jù)處理中心，便于值班人員及時分析處理。

接地網(wǎng)靠人工定期開挖驗證，也是費(fèi)時費(fèi)力之舉，如果采用接地網(wǎng)腐蝕狀態(tài)原位檢測技術(shù)，利用接地網(wǎng)腐蝕狀態(tài)檢測裝置，采用腐蝕速度測量儀原位測量接地金屬的極化電阻值Rp，無需開挖，只需將傳感器插入土壤中（15 cm左右），測試引線連接在接地引下線上，便可獲得接地網(wǎng)金屬腐蝕速度和腐蝕狀態(tài)信息。由此，可以避免盲目的開挖檢查。

5 結(jié)語

國網(wǎng)湖州供電公司堅持每年定期對電力通信設(shè)施防過電壓裝置進(jìn)行檢查。通過檢測可以了解防過電壓裝置及其接地網(wǎng)的性能狀態(tài)，分析評估存在的問題和不足，提出相應(yīng)的整改措施，及時消除隱患，使其達(dá)到最佳的防雷效果。電力通信過電壓防護(hù)設(shè)施檢查、維護(hù)的自動化是今后發(fā)展的方向。

[1]GB 50057-2010建筑物防雷設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國計劃出版社，2010.

[2]GB 50343-2012建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012.

[3]DL 548-94電力系統(tǒng)通信站防雷運(yùn)行管理規(guī)程[S].北京：中國電力出版社，1994.

[4]DL/T 381-2010電子設(shè)備防雷技術(shù)導(dǎo)則[S].北京：中國電力出版社，2010.

[5]DL/T 248-2012輸電線路桿塔不銹鋼復(fù)合材料耐腐蝕接地裝置[S].北京：中國電力出版社，2012.

[6]Q/GDW 413-2010電力系統(tǒng)二次設(shè)備SPD防雷技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國電力出版社，2010.

[7]蘇邦禮，崔秉球.雷電與避雷工程[M].廣州：中山大學(xué)出版社，1996.

[8]寄玉玉，王佩，張秀麗，等.接地網(wǎng)腐蝕狀態(tài)原位檢測技術(shù)研究[J].華北電力技術(shù)，2012（8）∶34-37.

[10]包炳生，張建敏，童杭偉，等.雷擊參數(shù)在線監(jiān)錄與SPD動態(tài)預(yù)警管理——“黑匣子”研究與應(yīng)用[J].自然災(zāi)害學(xué)報，2011，20（3）∶125-130.

（本文編輯：楊勇）

Discussion on Overvoltage Protection of Electric Power Communication Facilities

HU Quanbin1，WU Xiaoliang2，XU Xinger1，JI Feng1
（1.State Grid Huzhou Power Supply Company，Huzhou 313000，China；2.Hangzhou Yineng Lighting Protection Technology Co.，Ltd.，Hangzhou 310000，China）

In combination with the practical experience in operation and maintenance of electric power communication facilities，this paper introduces key points in inspection of overvoltage protection devices in electric power communication facilities；it analyzes common overvoltage protection problems in electric power communication facilities such as the influence of surge protector lead wire on overvoltage，grounding and equipotential connection in detail and discusses real time monitoring probability of SPD operative mode.

electric power communication；facility；lightning；overvoltage；SPD

TM863

：B

：1007-1881（2014）05-0059-03

2013－09-27

胡全斌（1955－），男，浙江湖州人，技師，主要從事電力通信工作。