電力調(diào)度自動(dòng)化與通信高頻開(kāi)關(guān)電源設(shè)備的防雷措施探討

李 濤

（云南立恒電力設(shè)計(jì)院 云南昆明 650011）

1 引言

隨著國(guó)內(nèi)城市化進(jìn)程的不斷加快，我國(guó)對(duì)于電力資源的需求量越來(lái)越大，隨之而來(lái)的是電力系統(tǒng)容量的急劇增加。目前，電力調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)與傳輸通道中應(yīng)用到大量的計(jì)算機(jī)設(shè)備、電路集成模塊、測(cè)控裝置等相關(guān)微電子設(shè)備，這就對(duì)防雷工作提出了較高的要求。因此，當(dāng)前要做好電源、接地、屏蔽以及通道建設(shè)等方面的防雷措施，進(jìn)一步提高電力調(diào)度自動(dòng)化與通信高頻開(kāi)關(guān)電源設(shè)備的防雷效果。

2 概述

2.1 雷擊形式分析

能夠?qū)﹄娏φ{(diào)度自動(dòng)化與通信設(shè)備產(chǎn)生危害的雷擊形式，主要包含以下三種類型：①直擊雷。直擊雷主要是指雷電直接擊中建筑物構(gòu)架或動(dòng)植物，由此產(chǎn)生的電效應(yīng)、熱效應(yīng)以及機(jī)械效應(yīng)等等，這些雷擊效應(yīng)將對(duì)建筑物與周?chē)娜藛T、電力設(shè)備造成嚴(yán)重的損害。②感應(yīng)雷。雷擊過(guò)程中，雷云將會(huì)對(duì)地進(jìn)行放電，如果附近存在著信號(hào)傳輸線路或電力線路、電力設(shè)備，那么將出現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象，并對(duì)電力設(shè)備等造成一定的危害，最終使得串聯(lián)在線路中間或終端的相關(guān)設(shè)備受到不同程度的損害。③雷電波。雷電流出現(xiàn)時(shí)，將產(chǎn)生數(shù)值極大的峰值與陡度，同時(shí)雷電流周轉(zhuǎn)過(guò)程中也會(huì)出現(xiàn)瞬變電磁場(chǎng)。由此所產(chǎn)生的空間雷電電磁波，會(huì)對(duì)電力設(shè)備造成破壞。④球形雷。所謂的球形雷，主要是指橙色、紅色的發(fā)光球體，其外觀與火焰相類似。球形雷不僅會(huì)順著建筑物上預(yù)留的孔洞、門(mén)窗進(jìn)入到建筑室內(nèi)，同時(shí)也會(huì)對(duì)周?chē)碾娏νㄐ旁O(shè)備造成嚴(yán)重的損害。

2.2 雷電流對(duì)調(diào)度自動(dòng)化與通信設(shè)備的危害

雷擊現(xiàn)象多發(fā)生在雨季，處于電力線路不同位置的輸電線路，遭受雷擊的位置不同，電位差會(huì)隨之增加。同時(shí)，雷擊電流將順著變電站周?chē)慕拥鼐W(wǎng)出現(xiàn)流散現(xiàn)象，一旦電力調(diào)度自動(dòng)化設(shè)備與通信電源設(shè)備中出現(xiàn)等電位不一致的問(wèn)題，將造成設(shè)備承受電位差的能力下降，進(jìn)而造成電力調(diào)度自動(dòng)化和通信設(shè)備出現(xiàn)故障。此外，雷電出現(xiàn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的能量，并通過(guò)電磁感應(yīng)或靜電感應(yīng)向周?chē)鷧^(qū)域進(jìn)行輻射，其所造成的危害較為嚴(yán)重。另外，由雷電現(xiàn)象所產(chǎn)生的雷電波，也將順著線路進(jìn)入到變電站內(nèi)部，如果變電站電氣設(shè)備的絕緣能力達(dá)不到要求，設(shè)備將出現(xiàn)被擊穿等問(wèn)題。目前，電力調(diào)度自動(dòng)化與通信設(shè)備被雷擊的問(wèn)題時(shí)有發(fā)生，由此易引發(fā)變電站站控層電氣設(shè)備誤動(dòng)以及拒動(dòng)故障的出現(xiàn)。

3 電力調(diào)度自動(dòng)化與通信電源設(shè)備的防雷措施

3.1 應(yīng)用二次系統(tǒng)防雷器（SPD）接入到交直流電源回路中

為避免設(shè)備遭受閃電雷擊或過(guò)電壓帶來(lái)的危害，首先應(yīng)改善進(jìn)線一次電源設(shè)備的防雷措施。電源進(jìn)線線纜可以選用地下穿管直埋電力電纜的方式，并且使用高、低壓避雷器或者是壓敏電阻、防雷電子模塊等進(jìn)行保護(hù)，由此可減輕感應(yīng)雷、雷電侵入波對(duì)于電源設(shè)備的危害，進(jìn)而使雷電流得到有效控制。另一方面，為了確保微電子器件免受雷擊問(wèn)題的破壞，還可以利用TVS管、固態(tài)放電管等元件來(lái)提高防雷效果。所謂的TVS管，是TRANSIENTVOLTAGESUPPRESSOR的簡(jiǎn)稱，通常被稱為瞬變電壓抑制二極管。它是目前應(yīng)用較廣的一種新產(chǎn)品，其電路符號(hào)和普通穩(wěn)壓二極管相同。當(dāng)TVS管兩端經(jīng)受瞬間的高能量沖擊時(shí)，它能以極高的速度使其阻抗驟然降低，同時(shí)吸收一個(gè)大電流，將其兩端間的電壓箝位在一個(gè)預(yù)定的數(shù)值上，從而確保后面的電路元件免受瞬態(tài)高能量的沖擊而損壞。TVS管是當(dāng)前使用較為普遍的一種新型的高效電路保護(hù)元件，其能夠壓縮響應(yīng)時(shí)間，并且具有較強(qiáng)的吸收浪涌能力。當(dāng)TVS管的兩端受到瞬間高能量的沖擊作用時(shí)，TVS管能夠在短時(shí)間內(nèi)將兩端間的阻抗值從高阻抗轉(zhuǎn)化為低阻抗，這一過(guò)程中將高達(dá)幾千瓦的浪涌功率。其中，TVS管的伏安特性如圖1所示。

圖1 TVS管伏安特性示意圖

TVS管的正向特性和普通二極管基本相似，但是在反向特性方面屬于典型的PN結(jié)雪崩器件。一般來(lái)說(shuō)，雷擊電流極容易進(jìn)入到電源回路中，并且對(duì)電力調(diào)度自動(dòng)化與通信設(shè)備的危害較嚴(yán)重。因而，為提高電源的防雷效果，需要在變電站內(nèi)部安裝相應(yīng)的交直流電源SPD，作為保護(hù)電源設(shè)備的一道防線，為了使電源設(shè)備不失效，交直流電源SPD在故障或者失效時(shí)，內(nèi)部應(yīng)有與電源系統(tǒng)永久斷開(kāi)的分離裝置，外部應(yīng)配備SPD專用后備保護(hù)裝置。SPD為Surge Protection Device的簡(jiǎn)稱，也被稱作電涌保護(hù)器，主要應(yīng)用于供電系統(tǒng)（或通信系統(tǒng)）中，對(duì)間接雷電和直接雷電影響或其他瞬時(shí)過(guò)壓的電涌進(jìn)行保護(hù)。目前，此類產(chǎn)品在建筑配電中得到廣泛的應(yīng)用。SPD產(chǎn)品中脫離器和壓敏電阻（MOV）是最為核心的兩個(gè)部件，其運(yùn)行的可靠性、安全性直接影響到SPD乃至整個(gè)雷電防護(hù)系統(tǒng)的保護(hù)性能和能力。

同時(shí)SPD應(yīng)具備故障指示窗口，正?；蚬收蠒r(shí)，具備正確表示其狀態(tài)的標(biāo)志或指示燈等報(bào)警功能，同時(shí)具備遠(yuǎn)程集中監(jiān)測(cè)或集中告警的接點(diǎn)。SPD的外殼防護(hù)等級(jí)、保護(hù)接地及電氣間隙和爬電距離等安全性能指標(biāo)須符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

3.1.1 交流電源SPD防雷器技術(shù)上應(yīng)滿足的幾點(diǎn)要求

（1）交流電源SPD應(yīng)采用模塊化插拔式結(jié)構(gòu)，便于維護(hù)和定期性能檢測(cè)。

（2）交流電源SPD應(yīng)采用相線對(duì)地（L-PE）、中性線對(duì)地（N-PE）保護(hù)模式。

（3）交流電源SPD接線端子應(yīng)能可靠連接標(biāo)稱截面積為10～25mm2范圍的多芯銅導(dǎo)線。

（4）交流電源SPD的泄漏電流應(yīng)小于20kA（75%標(biāo)稱導(dǎo)通電壓測(cè)試情況下）。

（5）標(biāo)稱放電電流IN和限制電壓Up：

a.交流第一級(jí)SPD標(biāo)稱放電電流In不小于40kA（8/20μs），或Iimp不小于 25kA（10/350μs），限制電壓 Up≤2.5kV。

b.交流第二級(jí)SPD標(biāo)稱放電電流In不小于20kA（8/20μs），限制電壓Up≤2.0kV。

c.交流第三級(jí)SPD標(biāo)稱放電電流In不小于10kA（8/20μs），限制電壓Up≤1.4kV。

d.交流電源設(shè)備級(jí)SPD標(biāo)稱放電電流In不小于10kA（8/20μs），限制電壓Up≤1.4kV。

3.1.2 直流電源SPD防雷器技術(shù)上應(yīng)滿足的要求

（1）直流電源SPD應(yīng)采用模塊化插拔式結(jié)構(gòu)，便于維護(hù)和定期性能檢測(cè)。

（2）為防止直流絕緣監(jiān)察系統(tǒng)誤報(bào)警，直流電源SPD應(yīng)采用壓敏電阻串聯(lián)氣體放電管模式。

（3）直流電源SPD要求采用正極對(duì)地（V+-PE）、負(fù)極對(duì)地（V--PE）保護(hù)模式。

（4）直流電源SPD接線端子應(yīng)能可靠連接標(biāo)稱截面積為10～25mm2范圍的多芯銅導(dǎo)線。

（5）標(biāo)稱放電電流IN和限制電壓Up：

a.用于直流110V第一級(jí)電源SPD標(biāo)稱放電電流In不小于20kA（8/20μs），限制電壓 Up≤1.0kV。

b.用于直流220V第一級(jí)電源SPD標(biāo)稱放電電流In不小于20kA（8/20μs），限制電壓 Up≤1.4kV。

c.用于直流110V第二級(jí)電源SPD標(biāo)稱放電電流In不小于10kA（8/20μs），限制電壓 Up≤1.0kV。

d.用于直流220V第二級(jí)電源SPD標(biāo)稱放電電流In不小于10kA（8/20μs），限制電壓 Up≤1.4kV。

3.1.3 單路信號(hào)SPD防雷器技術(shù)上應(yīng)滿足的要求

（1）單路信號(hào)SPD應(yīng)采用適合電力機(jī)柜安裝的工業(yè)化導(dǎo)軌式結(jié)構(gòu)。

（2）GPS饋線防雷器應(yīng)采取直接串接GPS設(shè)備饋線接口處連接方式。

（3）單路信號(hào)SPD應(yīng)采用線對(duì)線、線對(duì)地保護(hù)模式。

（4）單路信號(hào)SPD應(yīng)采用粗保護(hù)和精細(xì)保護(hù)二級(jí)保護(hù)結(jié)構(gòu)，并能實(shí)現(xiàn)級(jí)間能量配合。

（5）單路信號(hào)SPD產(chǎn)品接口形式應(yīng)與被保護(hù)設(shè)備原有接口形式一致。

（6）信號(hào)SPD傳輸速率及插入損耗性能指標(biāo)應(yīng)符合各自相關(guān)要求，并且串聯(lián)接入后不能對(duì)通信和傳輸性能造成影響。

（7）單路信號(hào)SPD接地線端子應(yīng)能可靠連接標(biāo)稱截面積為2.5～6mm2范圍的多芯銅導(dǎo)線，GPS饋線防雷器接地線端子應(yīng)能可靠連接標(biāo)稱截面積為10～16mm2范圍的多芯銅導(dǎo)線。

（8）標(biāo)稱通流In

a.GPS饋線信號(hào)SPD標(biāo)稱通流不小于10kA（8/20μs）；

b.RS485、RS232接口信號(hào) SPD 標(biāo)稱通流不小于 5kA（8/20μs）；

c.RJ45信號(hào)SPD標(biāo)稱通流不小于1kA（8/20μs）；

d.視頻信號(hào)SPD標(biāo)稱通流不小于5kA（8/20μs）；

e.模擬信號(hào)SPD標(biāo)稱通流不小于3kA（8/20μs）；

f.信號(hào)SPD電壓保護(hù)等級(jí)要求符合相應(yīng)線路防護(hù)等級(jí)要求。

3.2 提高自動(dòng)化和通信機(jī)房接地方面的防雷質(zhì)量

在進(jìn)行自動(dòng)化機(jī)房的建設(shè)工作時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格按照要求將機(jī)房的接地電阻控制在5Ω以內(nèi)。通過(guò)提高機(jī)房的接地質(zhì)量，可以顯著改善調(diào)度自動(dòng)化與通信系統(tǒng)的防雷效果。這一過(guò)程中，隨著接地電阻值的降低，過(guò)電壓值將會(huì)越來(lái)越低。因而，應(yīng)該在合理的經(jīng)濟(jì)前提下，最大限度的減少接地電阻。一方面，可以在自動(dòng)化機(jī)房?jī)?nèi)部敷設(shè)相應(yīng)的環(huán)行接地母線，對(duì)于接地母線的材質(zhì)要進(jìn)行嚴(yán)格的把控，進(jìn)而確保接地質(zhì)量達(dá)到要求。另一方面，可以進(jìn)行等電位連接。所謂的等電位連接，主要是指把正常不帶電或者是不能良好接地的設(shè)備進(jìn)行電氣連接，這一環(huán)節(jié)中既可以將金屬外殼和電纜金屬外皮與接地系統(tǒng)連接，同時(shí)可以將建筑物的金屬管線或橋架與接地系統(tǒng)連接。這樣一來(lái)，就可以確保設(shè)備的內(nèi)部絕緣或電纜芯線免受雷擊的破壞。此外，進(jìn)行等電位連接還能縮小不同種類的金屬部件與系統(tǒng)間存在的電位差，進(jìn)而提高防雷擊效果。

圖2 正確接地的案例

其中，圖2為某通信設(shè)備系統(tǒng)正確接地設(shè)計(jì)的典型案例。從上述案例可以看出，系統(tǒng)中每一個(gè)電氣設(shè)備機(jī)柜，都引出一根保護(hù)接地線并將其與機(jī)房的保護(hù)接地排進(jìn)行連接，進(jìn)而提高了設(shè)備的防雷質(zhì)量。另外，在通信設(shè)備的機(jī)柜頂部位置，利用了-48VRTN以及PGND與機(jī)柜頂進(jìn)行了單點(diǎn)短接；同時(shí)，對(duì)于同一設(shè)備的機(jī)殼，在保護(hù)地之間進(jìn)行等電位連接。此外，對(duì)于并聯(lián)式電源防雷器，也使用較短的連接線將其接到機(jī)柜頂部設(shè)置的直流電源接線柱上。這樣一來(lái)，可以顯著提高電源的防雷效果。對(duì)于信號(hào)防雷板而言，主要使用較短的接地線，將其與設(shè)備機(jī)殼進(jìn)行連接；對(duì)于天饋防雷器來(lái)說(shuō)，先使用接地線與天饋接地排進(jìn)行連接。之后，再將其與饋窗外的室外接地排進(jìn)行連接，使得設(shè)備防雷質(zhì)量有效提高。最后，對(duì)于放置在機(jī)房?jī)?nèi)部的所有設(shè)備，除了連接相應(yīng)的保護(hù)接地線外，還進(jìn)行了墻壁、地板以及走線架等方面的絕緣處理。

3.3 做好屏蔽方面的防雷措施

為降低電磁干擾對(duì)系統(tǒng)設(shè)備產(chǎn)生的危害，在進(jìn)行調(diào)度自動(dòng)化機(jī)房和通信調(diào)度機(jī)房的建設(shè)工作時(shí)，要對(duì)建筑項(xiàng)目的鋼筋與環(huán)形接地母線進(jìn)行加固焊接操作，同時(shí)對(duì)金屬走線槽進(jìn)行焊接。在進(jìn)行建筑機(jī)房地板施工時(shí)，按要求選用優(yōu)質(zhì)的靜電板，并且在機(jī)房?jī)?nèi)部的合理位置放置專用的金屬走線槽。需要注意的是，將強(qiáng)電電纜和弱電電纜進(jìn)行分離處理，進(jìn)而可以降低強(qiáng)電電纜對(duì)于弱電電纜產(chǎn)生的不良干擾。其次，對(duì)于內(nèi)部的金屬走線槽，要與環(huán)形接地母線進(jìn)行焊接，同時(shí)將通信設(shè)備機(jī)柜和接地母線進(jìn)行焊接。施工建設(shè)環(huán)節(jié)中所選用的通信電纜，均應(yīng)是屏蔽電纜，并且對(duì)屏蔽層兩端進(jìn)行接地處理。這一過(guò)程中，當(dāng)音頻電纜以及信號(hào)線、電話線進(jìn)入到機(jī)房時(shí)，應(yīng)首先與音頻保安器進(jìn)行連接，進(jìn)而降低電纜線對(duì)于橫向、縱向過(guò)電壓產(chǎn)生的影響。此外，對(duì)于不同的配線架保安單元，其接地端要有良好的接地效果，并且要保證保安器能夠正常使用。

3.4 提高信號(hào)采集回路的隔離效果

在變電站站控層的自動(dòng)化設(shè)備建設(shè)工作中，大多將自動(dòng)化設(shè)備的輸入部分安裝在變電站的室外環(huán)境中，并且將自動(dòng)化一次輔助觸點(diǎn)與斷路器、隔離開(kāi)關(guān)操作機(jī)構(gòu)箱或端子箱進(jìn)行連接。因而，如果設(shè)備遭到雷擊問(wèn)題的破壞，將出現(xiàn)電磁涌流干擾等一系列問(wèn)題。因而，在輸入回路前應(yīng)安裝有避雷器，進(jìn)而有效降低雷電問(wèn)題對(duì)于設(shè)備的破壞。同時(shí)，這一操作還有助于輸入信號(hào)的及時(shí)處理，降低雷擊問(wèn)題對(duì)測(cè)控裝置造成的不良影響。此外，通過(guò)安裝光電隔離器也能有效規(guī)避感應(yīng)電壓對(duì)于調(diào)度自動(dòng)化與通信設(shè)備產(chǎn)生的不良影響。在開(kāi)展防雷工作時(shí)，要對(duì)通道線路的類型進(jìn)行分析，并且要進(jìn)行通信頻帶、線路電平等要素的分析，合理選用通信避雷器。

3.5 做好電力通道建設(shè)工作

在電力通道建設(shè)工作中，一項(xiàng)重要的任務(wù)是開(kāi)展電力調(diào)度自動(dòng)化與通信通道的建設(shè)，以往所用到的模擬載波機(jī)等設(shè)備，不僅抗雷擊能力不高，并且極容易受到天氣、線路等因素的影響。目前電力二次通道基本都改造成滿足光設(shè)備要求的電力通道，對(duì)應(yīng)的通道線路應(yīng)推廣使用光纖復(fù)合架空地線（OPGW）、全介質(zhì)自承式光纜（ADSS）、管道光纜，有條件的地區(qū)應(yīng)著重推廣使用OPGW光纜，光纜必須具備國(guó)家認(rèn)證或國(guó)際權(quán)威認(rèn)證的檢測(cè)機(jī)構(gòu)出具的檢測(cè)報(bào)告，OPGW中的光纖必須滿足ITU-TG.652D、G.655B建議要求，光纖芯不允許含有工廠熔接點(diǎn)，同批次、同類型的光纜應(yīng)使用同一設(shè)計(jì)、相同材料和相同工藝制造的光纖，應(yīng)能承受給定的系統(tǒng)最大短時(shí)故障電流，在該故障電流的作用下，OPGW的電氣和機(jī)械特性不允許有任何改變等通用光纜技術(shù)要求。同時(shí)，通道應(yīng)采用核心、匯聚、接入三層結(jié)構(gòu)組網(wǎng)，采用A、B通道互備，滿足現(xiàn)在電力通道建設(shè)的基本要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷發(fā)展，人們對(duì)電力的安全、平穩(wěn)運(yùn)行有了嚴(yán)格的要求，通過(guò)做好電力調(diào)度自動(dòng)化與通信電源設(shè)備的防雷工作，可以降低雷電流對(duì)弱電設(shè)備造成的危害。電力企業(yè)應(yīng)對(duì)電氣設(shè)備的防雷工作引起足夠的重視，并采取有針對(duì)性的防雷措施，提高電源、接地以及屏蔽方面的防雷措施，降低雷電問(wèn)題對(duì)電氣設(shè)備的危害，確保電力調(diào)度自動(dòng)化與通信電源設(shè)備的安全穩(wěn)定可靠的運(yùn)行。