徐金亮 徐 斌 唐學(xué)東

（國網(wǎng)金華供電公司，浙江 金華 321000）

近年來，在國家智能電網(wǎng)的建設(shè)中，農(nóng)村電網(wǎng)電表系統(tǒng)進(jìn)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(wǎng)絡(luò)把用戶和電力公司緊密相連,為配電自動化等智能電網(wǎng)功能的實現(xiàn)奠定基礎(chǔ)[1]。但由于相應(yīng)的防雷技術(shù)沒有跟上，農(nóng)村低壓配電系統(tǒng)出現(xiàn)了智能電表由于雷擊而大量損壞的現(xiàn)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(dǎo)致儀表設(shè)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(dǎo)致供電中斷，農(nóng)村用戶電器財產(chǎn)損失的現(xiàn)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(nèi)就導(dǎo)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(shè)備的防雷技術(shù)在國內(nèi)外廣泛應(yīng)用，相對成熟[4-7]，IEC和ITU相繼發(fā)布了關(guān)于雷電防護(hù)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，但由于行業(yè)和地區(qū)差異，針對中國農(nóng)村農(nóng)配電網(wǎng)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(shù)極為有限，研究不夠，相關(guān)電涌保護(hù)產(chǎn)品也不能適應(yīng)現(xiàn)場需求。照搬它們在農(nóng)村進(jìn)行雷電防護(hù)必然有所欠缺。智能電網(wǎng)的實現(xiàn)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(jìn)行實時信息交互。但這也帶來了更多的雷電損害風(fēng)險[8-10]。

本文以浙江金華農(nóng)村配電網(wǎng)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(nóng)村電力線路及設(shè)備的危害方式和途徑分析，現(xiàn)場勘查農(nóng)配網(wǎng)線路及電表箱在農(nóng)舍安裝情況、現(xiàn)有防雷技術(shù)運用包括接地和電涌保護(hù)等情況，綜合分析農(nóng)配網(wǎng)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(shù)措施，以期改變農(nóng)村智能電表受雷電嚴(yán)重威脅的局面。

1 農(nóng)配網(wǎng)及智能電表系統(tǒng)雷電災(zāi)害風(fēng)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(nèi)智能電表頻遭雷電災(zāi)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(dǎo)致所有表計抄不到等現(xiàn)象。通過現(xiàn)場勘查調(diào)研，首先分析導(dǎo)致雷電災(zāi)害災(zāi)害發(fā)生的風(fēng)險源。

對農(nóng)網(wǎng)電力設(shè)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(zāi)害風(fēng)險源一般應(yīng)包括以下幾方面。

1）雷擊電力設(shè)施或混凝土桿塔

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

2）雷擊入戶線路

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

3）擊農(nóng)舍或入戶電力設(shè)施鄰近大地

雷電擊中低壓配電線路桿塔或附近農(nóng)舍、大地、樹木等，由于雷電感應(yīng)導(dǎo)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(nóng)舍之間，因此，雷電直擊線路的幾率不大。從現(xiàn)代雷電防護(hù)的需求考慮，更為嚴(yán)重的是雷電感應(yīng)產(chǎn)生的過電壓波，它的概率遠(yuǎn)比直擊雷大得多，線路附近的落雷都足以在這些架空導(dǎo)線上產(chǎn)生感應(yīng)電壓。例如，距離輸電線500m遠(yuǎn)處的閃電，50kA的閃電電流就可以在4m高的架空導(dǎo)線上產(chǎn)生l0kV的感應(yīng)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(jù)IEC 62305-2，低壓電氣設(shè)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(shè)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(dá)到15kV，但由于智能電表將通信技術(shù)融入在新型的電子式計量設(shè)備中，其通訊模塊耐壓額定值僅約為 1.5kV，屬于弱電設(shè)備。對金華鄉(xiāng)鎮(zhèn)而言，雷電流強(qiáng)度平均約40kA，引起電表開關(guān)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(nóng)網(wǎng)線路附近1000m以內(nèi)的地方就有可能導(dǎo)致電表箱開關(guān)設(shè)備受損?？梢姡绻麤]有有效的屏蔽、接地、等電位、電涌保護(hù)等的防雷技術(shù)的綜合應(yīng)用，農(nóng)配網(wǎng)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(xiàn)狀分析

現(xiàn)場勘測發(fā)現(xiàn)，村鎮(zhèn)智能電表系統(tǒng)防雷措施嚴(yán)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(dāng)然考慮到經(jīng)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(yīng)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(shù)有接地但不符合要求。要么接地電阻達(dá)不到要求，要么單設(shè)的接地裝置在房舍下但未與建筑物基礎(chǔ)鋼筋做總等電位連接，當(dāng)雷電擊中建筑物時，由于地電位反擊造成電表箱開關(guān)、電表損壞，甚至造成家用電器損壞?，F(xiàn)場看一些接地措施不得當(dāng)。比如，利用通信線的屏蔽層當(dāng)做接地線，提供給設(shè)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(shè)置一級電源SPD，大多數(shù)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(yīng)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(jīng)過一段距離才到戶表。故總配設(shè)置的第一級電源SPD對集抄器或進(jìn)戶電表不起任何防雷保護(hù)作用！此外，一些電表只對RS485線端口做了電涌保護(hù)，而相線或中心線未作電涌保護(hù)，這也是無濟(jì)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(yīng)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(yuǎn)大于通信線電位，由于電表中距離非常近而發(fā)生放電現(xiàn)象損壞電表。本來A/D轉(zhuǎn)換器的選取采用RS485標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)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(shè)備等電位連接，而是在電力設(shè)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(yīng)，但對架空線與大地組成的回路面積內(nèi)由于電磁感應(yīng)產(chǎn)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(jìn)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(shù)的實現(xiàn)

前述的雷電災(zāi)害成因非常明確，但限于政策、經(jīng)濟(jì)等原因，有些技術(shù)不易實現(xiàn)。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(shè)施接地系統(tǒng)易于強(qiáng)化設(shè)計施工，從而解決接地問題。但在農(nóng)戶外墻進(jìn)戶電表箱位置，現(xiàn)階段基本都沒有設(shè)計安裝接地裝置，原因是供電部門與農(nóng)戶溝通協(xié)調(diào)有問題，不愿意使用農(nóng)舍建筑基礎(chǔ)內(nèi)的鋼筋作為自然接地體，以防今后出現(xiàn)電器損失等發(fā)生責(zé)任糾紛。

其實，浙江金華村鎮(zhèn)相對富裕，農(nóng)舍普遍都是2、3層樓房，大都采用閉合的環(huán)、網(wǎng)型條形基礎(chǔ)，這相當(dāng)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(chǔ)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(nóng)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(hù)

智能電表的內(nèi)部通信接口在未加裝外置電涌保護(hù)器的情況下，一般都不能達(dá)到ITU組織（國際電信聯(lián)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(wǎng)或智能電表的各進(jìn)出通信傳輸線路商安裝相應(yīng)的電涌保護(hù)器（SPD）或信號隔離器。一旦線路上感應(yīng)產(chǎn)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(shè)備的進(jìn)出線路接口電壓將被限制在耐受沖擊電壓值以下。達(dá)到基本等電位，從而保護(hù)智能電氣系統(tǒng)或設(shè)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(jìn)行防雷保護(hù)，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(nèi)設(shè)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(nóng)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(shù)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(shè)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(shè)計接口電涌保護(hù)電路或加裝線路電涌保護(hù)器，減小雷電感應(yīng)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(shè)備防雷保護(hù)，加強(qiáng)設(shè)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(nóng)配網(wǎng)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(shè)計2級SPD才能達(dá)到泄流和限壓的目的，這里還涉及到級聯(lián)配合問題。

3.1 設(shè)計計算

設(shè)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(nèi)阻，則不使計算機(jī)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(shù) kV以內(nèi)，為完全保護(hù)智能電表等電子通信設(shè)備，應(yīng)該設(shè)計多級保護(hù)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(jìn)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(shè)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(dǎo)通響應(yīng)時間，為了實現(xiàn)二級SPD器件間的能量配合[8]，使GDT在暫態(tài)過電壓波到達(dá)TVS之前導(dǎo)通泄流[9]，以保證 TVS管不被擊穿，應(yīng)該在前后級 SPD之間加裝級聯(lián)配合電阻（又稱退耦電阻）。配合電阻值阻值的選取應(yīng)在保證SPD保護(hù)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?shù)牟焕绊懺酱骩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(hù)電路中加裝硅堆，以減小對信號傳輸?shù)挠绊?。典型的RS485信號類SPD電路設(shè)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(shè)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(shù)據(jù)接口SPD，選用1.2/50μs開路電壓波以及1.2/50μs、8/20μs組合波，進(jìn)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(jié)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(xiàn)能量級聯(lián)配合，導(dǎo)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(hù)之間順利實現(xiàn)能量級聯(lián)配合，前級放電管成功及時導(dǎo)通，后級瞬態(tài)抑制二極管只分得一小部分雷電流，達(dá)到了多級SPD應(yīng)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(jìn)一步增大，SPD殘壓值將越來越高，保護(hù)性能逐漸下降。顯然，取2.2?作為二級線路電涌保護(hù)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(chǎn)品的線-線間及線-地間分布電容值進(jìn)行多組測試，測試結(jié)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(jié)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(jìn)行沖擊測試。實驗結(jié)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(dǎo)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(shù)據(jù)接口的電磁抗擾度遠(yuǎn)大于70V，接口將得到電涌保護(hù)。

4 結(jié)論

對農(nóng)網(wǎng)電力設(shè)施和智能電表而言，雷電擊中低壓配電線路桿塔或附近農(nóng)舍、大地、樹木等，由于靜電感應(yīng)和電磁感應(yīng)導(dǎo)致的線路過電壓形成雷電波入侵是主要損害源。農(nóng)戶電表接地不能滿足要求甚至無接地或者單設(shè)的接地裝置未與農(nóng)舍基礎(chǔ)鋼筋做等電位連接，由于地電位反擊可能造成電表箱開關(guān)、電表損壞；只對電表RS485線端口做電涌保護(hù)，而相線或中心線不作電涌保護(hù)將導(dǎo)致橫向放電損壞電表。必須將屏蔽、接地、等電位、電涌保護(hù)等防雷技術(shù)綜合應(yīng)用才能保證智能電表系統(tǒng)安全。RS485接口SPD結(jié)構(gòu)設(shè)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(qiáng)調(diào)SPD保護(hù)效率的信號類多級SPD保護(hù)器設(shè)計中，阻值為2.2Ω的配合電阻為多級線路電涌保護(hù)器的最佳選擇。

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