智能集抄高精度防雷設(shè)備的研發(fā)與應(yīng)用研究

（國(guó)家電網(wǎng)漳州供電公司 福建省 漳州市 363000）

摘 要：本文分析了現(xiàn)階段智能集抄設(shè)備防雷措施及效果，找出智能集抄系統(tǒng)的防雷薄弱點(diǎn)，進(jìn)而提出了針對(duì)集抄系統(tǒng)的防雷思路與方案，將集抄系統(tǒng)防雷工作劃分內(nèi)外區(qū)域防雷，強(qiáng)雷區(qū)和弱雷區(qū)防雷，信號(hào)接口和電源接口防雷等多級(jí)防護(hù)方式，通過集合式防雷設(shè)備的合理配置，實(shí)現(xiàn)智能集抄系統(tǒng)的高精、高效防雷。

關(guān)鍵詞：集抄系統(tǒng)；防雷；多級(jí)防護(hù)；集合式防雷設(shè)備

一、引言

隨著智能集抄設(shè)備的不斷發(fā)展、設(shè)備投資費(fèi)用不斷增加，電網(wǎng)對(duì)智能集抄業(yè)務(wù)的依賴性越來越高，智能集抄的的安全性、可靠性顯得越來越重要，智能集抄設(shè)備屬于微電子的弱電設(shè)備，其耐過電壓沖擊的能力很弱，而由電源線、信號(hào)傳輸線、地線侵入的雷電沖擊波強(qiáng)度卻很大[1]。通過電源線、信號(hào)傳輸線引入的雷電感應(yīng)沖擊大電流，足以使許多微電子設(shè)備遭受不同程度的損壞，并危及人身安全，造成巨額的直接經(jīng)濟(jì)損失，甚至?xí)?dǎo)致局部電網(wǎng)的癱瘓，重要數(shù)據(jù)丟失，間接經(jīng)濟(jì)損失不可估量。

雷電造成的智能集抄設(shè)備損壞、數(shù)據(jù)丟失和工作癱瘓將是災(zāi)難性的。即使雷電流強(qiáng)度不足以打壞設(shè)備，頻繁的雷電沖擊也會(huì)大大的縮短電子設(shè)備的壽命。智能集抄遭受雷擊損壞已成為影響電網(wǎng)業(yè)務(wù)正常開展、安全運(yùn)行的重要因素。

二、智能集抄設(shè)備防雷現(xiàn)狀

2.1雷擊集抄系統(tǒng)危害方式

2.1.1雷擊電力線對(duì)集抄系統(tǒng)的危害

由于集抄設(shè)備與電力線相連，而電力線暴露于戶外，容易遭受雷電直接襲擊，因此雷電由電力線入侵電子設(shè)備是雷擊危害集抄系統(tǒng)的主要方式：

1）雷電遠(yuǎn)點(diǎn)襲擊電力線，從發(fā)電線引入智能集抄系統(tǒng)；

2）雷電近點(diǎn)電力線的侵入，所謂雷電近點(diǎn)襲擊電力線，實(shí)際上是雷電襲擊引起的雷電電磁脈沖的保護(hù)問題；

3）錯(cuò)相位雷害，即一個(gè)高能量雷打在一條電源線上，而另一個(gè)低能量雷打在另一條電源上，線線之間就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電壓差，侵入設(shè)備。

因此，堵死雷電由電力線入侵電子設(shè)備，應(yīng)該從遠(yuǎn)點(diǎn)雷擊、近點(diǎn)雷擊和錯(cuò)相位雷擊三種雷擊現(xiàn)象入手，實(shí)施全方位的保護(hù)，才能在發(fā)生雷擊時(shí)，有效的保護(hù)設(shè)備。

2.1.2雷電侵入集抄設(shè)備的方式

不論是直擊雷還是感應(yīng)雷，到達(dá)智能集抄設(shè)備都可歸納為從以下4個(gè)部位侵入的雷電浪涌：

1）外殼端口。可以把集抄系統(tǒng)系統(tǒng)視為一個(gè)整體的外殼，如傳感器、傳輸線、信號(hào)中繼、現(xiàn)場(chǎng)儀表、DCS系統(tǒng)等，它們都有可能完全暴露在環(huán)境中受到直接雷擊，造成設(shè)備損壞。

2）信號(hào)線端口。為實(shí)現(xiàn)集抄信號(hào)與控制中心的連接，連接部位，如過程控制系統(tǒng)的信號(hào)交接端的總配線架、數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)的終端、微波設(shè)備到天線的饋線口等等，那么這些從外界接收信號(hào)或發(fā)射信號(hào)出去的接口都有可能受到雷電浪涌沖擊。

3）電源端口。分布最廣泛也最容易感應(yīng)或傳導(dǎo)雷電浪涌的部位，從配電箱到電源插座這些電源端口可以處在任何位置。

4）接地端口。在雷電發(fā)生時(shí)接地端口有可能受到地電位反擊、地電位升高影響，或者由于接地不良、接地不當(dāng)使地阻過大達(dá)不到參考電位要求使設(shè)備損壞。

綜上所述，智能集抄系統(tǒng)的防雷，除做好雷電直擊電力線造成的集抄系統(tǒng)損壞工作外，還要重點(diǎn)考慮四個(gè)關(guān)鍵的端口的防雷措施，如圖1。

2.2集抄系統(tǒng)防雷措施現(xiàn)狀

目前，用于配電線路的集抄電表，因設(shè)備內(nèi)部有大量的微電子元器件，其耐雷水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于配網(wǎng)線路自身的耐雷水平，一旦遭受雷擊，元器件損壞極其嚴(yán)重，并可導(dǎo)致線路系統(tǒng)性跳閘，存在極大的雷擊風(fēng)險(xiǎn)。

一般集抄電表的防雷，是通過在電源、信號(hào)采集端口進(jìn)行SPD過電壓防護(hù)實(shí)現(xiàn)的，對(duì)于較小雷電的感應(yīng)雷，具有良好的防護(hù)效果。但由于沒有良好的較大功率雷電能量處理通道，一但較強(qiáng)的雷電侵入，集抄電表將被雷電擊穿，并導(dǎo)致線路跳閘[2]。

三、智能集抄一體化高精度集合防雷設(shè)備

3.1集合防雷設(shè)備的研究思路

3.1.1集抄系統(tǒng)集合防雷設(shè)備研究思路

針對(duì)上述集抄系統(tǒng)防雷措施現(xiàn)狀，集抄電表防雷措施僅對(duì)電源端口和信號(hào)端口進(jìn)行SPD過電壓防護(hù)，對(duì)于較大功率的雷電侵入，包括SPD及集抄電表都將被擊穿。對(duì)于外部電力線雷擊防護(hù)方案中，通常沒有考慮集抄系統(tǒng)附近電力輸電線路重點(diǎn)防直擊雷措施，而是從輸電線路其他方面進(jìn)行考量，并進(jìn)行針對(duì)性的防護(hù)措施。因此，集抄系統(tǒng)的防雷設(shè)計(jì)一直以來都是外部和內(nèi)部分開進(jìn)行，并未系統(tǒng)地進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)，防雷效果沒有從根本上解決。

集抄系統(tǒng)集合防雷設(shè)備采用“疏”、“堵”相結(jié)合的方式，用多層次的防雷電系統(tǒng)升級(jí)已有防雷系統(tǒng)，通過直擊防護(hù)、系統(tǒng)部署、多層設(shè)防、加強(qiáng)接地的措施，并扎實(shí)做好外殼、信號(hào)、電源、接地四個(gè)重點(diǎn)端口的雷電防護(hù)，進(jìn)行多級(jí)防雷設(shè)計(jì)，將集抄系統(tǒng)雷擊危害概率降到最低。

3.1.2集抄系統(tǒng)集合防雷設(shè)備設(shè)計(jì)方案

設(shè)置一個(gè)專用的防雷組合設(shè)備，用于隔離線路與集抄電表之間的雷電侵入沖擊。集抄電表的采集、控制等信號(hào)及電源端口，全部經(jīng)過防雷組合設(shè)備才能與外界連接，確保雷電侵入沖擊大幅度降低，有效保護(hù)集抄電表。

通過內(nèi)外雙重的防雷方案，解決集抄設(shè)備難以解決不同功率雷電襲擊的防護(hù)問題，不能功率大小的雷電都能防護(hù)，同時(shí)，不會(huì)因集抄設(shè)備的雷擊損壞導(dǎo)致線路跳閘。

通過內(nèi)外分級(jí)的系統(tǒng)雷電防護(hù)措施，解決集抄電表中微電子設(shè)備的過電壓設(shè)備與線路設(shè)備絕緣水平差異大的問題，有效保護(hù)集抄電表中微電子設(shè)備。

3.2集合防雷設(shè)備的研究?jī)?nèi)容

3.2.1系統(tǒng)部署及直擊雷防護(hù)的研究

首先要對(duì)輸電線路進(jìn)行運(yùn)行情況、地理位置、氣候條件、雷電災(zāi)害情況進(jìn)行調(diào)查摸底，查找系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，確定防雷重點(diǎn)位置、區(qū)域及對(duì)既有防雷系統(tǒng)的再防護(hù)重點(diǎn)。

對(duì)于集抄系統(tǒng)外部電力線防雷方案的研究，應(yīng)按照輸電線路防雷方案進(jìn)行研究并規(guī)劃。具體實(shí)施方案如下：

1）對(duì)集抄系統(tǒng)外部電力線附近三基桿塔周圍環(huán)境和雷擊特點(diǎn)進(jìn)行分析，并結(jié)合歷史雷擊數(shù)據(jù)，找出雷擊輸電線路薄弱點(diǎn)，進(jìn)行重點(diǎn)防護(hù)。通過增設(shè)避雷線、網(wǎng)、帶等常規(guī)防雷措施，加強(qiáng)雷擊防護(hù)強(qiáng)度[3]。

2）由于雷電直擊外部電力線對(duì)集抄系統(tǒng)的危害主要是通過雷電沿電力線傳輸進(jìn)入集抄系統(tǒng)并損壞設(shè)備。因此，為防止雷電擊中電力線并傳入集抄系統(tǒng)，采用新型避雷針和避雷器相結(jié)合的方式，利用新型避雷針架設(shè)塔頭，保護(hù)桿塔附近電力線不受雷電直擊，通過新型避雷針引接至桿塔，通過新型避雷針降低雷電沖擊和桿塔接地將雷電流泄放入大地。同時(shí)，避雷器進(jìn)一步防止雷擊桿塔遠(yuǎn)端電力線，在雷電流傳入集抄系統(tǒng)前泄放入大地。

通過集抄系統(tǒng)外部防雷措施，避免了大功率雷電進(jìn)入集抄系統(tǒng)，突破系統(tǒng)內(nèi)部弱電防雷保護(hù)。

3.2.2多級(jí)防雷設(shè)計(jì)的研究

在智能集抄系統(tǒng)、設(shè)備的外殼、信號(hào)、電源、接地四個(gè)防雷薄弱端口，進(jìn)行有效的多級(jí)防雷設(shè)計(jì)。

經(jīng)系統(tǒng)外防強(qiáng)過電流裝置處理后的信號(hào)送入系統(tǒng)內(nèi)防雷裝置，首先經(jīng)電源/信號(hào)變換模塊進(jìn)行電壓/信號(hào)轉(zhuǎn)換，然后通過箱內(nèi)防雷裝置，確保雷擊過電壓在信號(hào)防雷設(shè)備的過電壓承受范圍以內(nèi)，如圖2。

3.2.3防雷接地設(shè)計(jì)

雷電流引入大地，由于大地電阻的存在，雷電電荷不能快速全部的與大地電荷中和，必然引起局部地電位升高，交流配電地和直流邏輯地將這種高電位引入機(jī)房，UPS輸出、輸入端被擊穿，智能集抄設(shè)備斷口被擊穿。這種反擊電壓少則數(shù)千伏，多則數(shù)萬伏，直接燒壞用電器的絕緣部分。

通過良好的，與原有電力主系統(tǒng)接地一體化的接地設(shè)計(jì)，將最大程度提供雷擊后的能量泄放通道。

3.3集合防雷設(shè)備的應(yīng)用特點(diǎn)

通過上文對(duì)集抄系統(tǒng)產(chǎn)生過電壓的不同途徑分析，會(huì)出現(xiàn)多種有害效應(yīng)，需要給予綜合防護(hù)。要在智能集抄系統(tǒng)設(shè)備上統(tǒng)一安裝防雷設(shè)備，以便于提高整體抗雷擊和過電壓的防護(hù)能力。

集合防雷設(shè)備可廣泛地安裝于10kV配電網(wǎng)，是一種專門針對(duì)10kV配網(wǎng)集抄電表的組合式防雷設(shè)備，是防止雷電波侵入集抄電表，防止集抄電表電子元器件損壞甚至造成線路跳閘的新型防雷設(shè)備。通過設(shè)置箱外大功率防護(hù)，首先對(duì)大功率雷電沖擊進(jìn)行處理，然后經(jīng)過箱內(nèi)功能性和電源、防雷模塊的分工雷電防護(hù)，實(shí)現(xiàn)配網(wǎng)集抄設(shè)備全方位、全功率雷電防護(hù)。

四、結(jié)論

本文論述了一種針對(duì)集抄系統(tǒng)的防雷裝置，采用多級(jí)防雷設(shè)計(jì)，從大功率雷電沖擊到感應(yīng)雷電沖擊實(shí)現(xiàn)集抄系統(tǒng)全方位雷電防護(hù)。集抄系統(tǒng)遭受雷擊損壞，大多是通過電力線傳輸進(jìn)入系統(tǒng)，本文采用的組合式防雷設(shè)備，從雷擊電力線開始就進(jìn)行有針對(duì)的雷電防護(hù)，從源頭著手，多級(jí)防護(hù)，實(shí)現(xiàn)將雷電危害阻隔在集抄系統(tǒng)外。

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作者簡(jiǎn)介：林妙玉，國(guó)家電網(wǎng)漳州供電公司，363000，電力工程師，從事電力系統(tǒng)工作。