李 濤

（云南立恒電力設計院 云南昆明 650011）

1 引言

隨著國內(nèi)城市化進程的不斷加快，我國對于電力資源的需求量越來越大，隨之而來的是電力系統(tǒng)容量的急劇增加。目前，電力調(diào)度自動化系統(tǒng)與傳輸通道中應用到大量的計算機設備、電路集成模塊、測控裝置等相關微電子設備，這就對防雷工作提出了較高的要求。因此，當前要做好電源、接地、屏蔽以及通道建設等方面的防雷措施，進一步提高電力調(diào)度自動化與通信高頻開關電源設備的防雷效果。

2 概述

2.1 雷擊形式分析

能夠?qū)﹄娏φ{(diào)度自動化與通信設備產(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架或動植物，由此產(chǎn)生的電效應、熱效應以及機械效應等等，這些雷擊效應將對建筑物與周圍的人員、電力設備造成嚴重的損害。②感應雷。雷擊過程中，雷云將會對地進行放電，如果附近存在著信號傳輸線路或電力線路、電力設備，那么將出現(xiàn)電磁感應現(xiàn)象，并對電力設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設備受到不同程度的損害。③雷電波。雷電流出現(xiàn)時，將產(chǎn)生數(shù)值極大的峰值與陡度，同時雷電流周轉過程中也會出現(xiàn)瞬變電磁場。由此所產(chǎn)生的空間雷電電磁波，會對電力設備造成破壞。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。球形雷不僅會順著建筑物上預留的孔洞、門窗進入到建筑室內(nèi)，同時也會對周圍的電力通信設備造成嚴重的損害。

2.2 雷電流對調(diào)度自動化與通信設備的危害

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，電位差會隨之增加。同時，雷擊電流將順著變電站周圍的接地網(wǎng)出現(xiàn)流散現(xiàn)象，一旦電力調(diào)度自動化設備與通信電源設備中出現(xiàn)等電位不一致的問題，將造成設備承受電位差的能力下降，進而造成電力調(diào)度自動化和通信設備出現(xiàn)故障。此外，雷電出現(xiàn)時會產(chǎn)生大量的能量，并通過電磁感應或靜電感應向周圍區(qū)域進行輻射，其所造成的危害較為嚴重。另外，由雷電現(xiàn)象所產(chǎn)生的雷電波，也將順著線路進入到變電站內(nèi)部，如果變電站電氣設備的絕緣能力達不到要求，設備將出現(xiàn)被擊穿等問題。目前，電力調(diào)度自動化與通信設備被雷擊的問題時有發(fā)生，由此易引發(fā)變電站站控層電氣設備誤動以及拒動故障的出現(xiàn)。

3 電力調(diào)度自動化與通信電源設備的防雷措施

3.1 應用二次系統(tǒng)防雷器（SPD）接入到交直流電源回路中

為避免設備遭受閃電雷擊或過電壓帶來的危害，首先應改善進線一次電源設備的防雷措施。電源進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、防雷電子模塊等進行保護，由此可減輕感應雷、雷電侵入波對于電源設備的危害，進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題的破壞，還可以利用TVS管、固態(tài)放電管等元件來提高防雷效果。所謂的TVS管，是TRANSIENTVOLTAGESUPPRESSOR的簡稱，通常被稱為瞬變電壓抑制二極管。它是目前應用較廣的一種新產(chǎn)品，其電路符號和普通穩(wěn)壓二極管相同。當TVS管兩端經(jīng)受瞬間的高能量沖擊時，它能以極高的速度使其阻抗驟然降低，同時吸收一個大電流，將其兩端間的電壓箝位在一個預定的數(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管是當前使用較為普遍的一種新型的高效電路保護元件，其能夠壓縮響應時間，并且具有較強的吸收浪涌能力。當TVS管的兩端受到瞬間高能量的沖擊作用時，TVS管能夠在短時間內(nèi)將兩端間的阻抗值從高阻抗轉化為低阻抗，這一過程中將高達幾千瓦的浪涌功率。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結雪崩器件。一般來說，雷擊電流極容易進入到電源回路中，并且對電力調(diào)度自動化與通信設備的危害較嚴重。因而，為提高電源的防雷效果，需要在變電站內(nèi)部安裝相應的交直流電源SPD，作為保護電源設備的一道防線，為了使電源設備不失效，交直流電源SPD在故障或者失效時，內(nèi)部應有與電源系統(tǒng)永久斷開的分離裝置，外部應配備SPD專用后備保護裝置。SPD為Surge Protection Device的簡稱，也被稱作電涌保護器，主要應用于供電系統(tǒng)（或通信系統(tǒng)）中，對間接雷電和直接雷電影響或其他瞬時過壓的電涌進行保護。目前，此類產(chǎn)品在建筑配電中得到廣泛的應用。SPD產(chǎn)品中脫離器和壓敏電阻（MOV）是最為核心的兩個部件，其運行的可靠性、安全性直接影響到SPD乃至整個雷電防護系統(tǒng)的保護性能和能力。

同時SPD應具備故障指示窗口，正?；蚬收蠒r，具備正確表示其狀態(tài)的標志或指示燈等報警功能，同時具備遠程集中監(jiān)測或集中告警的接點。SPD的外殼防護等級、保護接地及電氣間隙和爬電距離等安全性能指標須符合相關標準的規(guī)定。

3.1.1 交流電源SPD防雷器技術上應滿足的幾點要求

（1）交流電源SPD應采用模塊化插拔式結構，便于維護和定期性能檢測。

（2）交流電源SPD應采用相線對地（L-PE）、中性線對地（N-PE）保護模式。

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

（4）交流電源SPD的泄漏電流應小于20kA（75%標稱導通電壓測試情況下）。

（5）標稱放電電流IN和限制電壓Up：

a.交流第一級SPD標稱放電電流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SPD標稱放電電流In不小于20kA（8/20μs），限制電壓Up≤2.0kV。

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

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

3.1.2 直流電源SPD防雷器技術上應滿足的要求

（1）直流電源SPD應采用模塊化插拔式結構，便于維護和定期性能檢測。

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

（3）直流電源SPD要求采用正極對地（V+-PE）、負極對地（V--PE）保護模式。

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

（5）標稱放電電流IN和限制電壓Up：

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

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

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

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

3.1.3 單路信號SPD防雷器技術上應滿足的要求

（1）單路信號SPD應采用適合電力機柜安裝的工業(yè)化導軌式結構。

（2）GPS饋線防雷器應采取直接串接GPS設備饋線接口處連接方式。

（3）單路信號SPD應采用線對線、線對地保護模式。

（4）單路信號SPD應采用粗保護和精細保護二級保護結構，并能實現(xiàn)級間能量配合。

（5）單路信號SPD產(chǎn)品接口形式應與被保護設備原有接口形式一致。

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

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

（8）標稱通流In

a.GPS饋線信號SPD標稱通流不小于10kA（8/20μs）；

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

c.RJ45信號SPD標稱通流不小于1kA（8/20μs）；

d.視頻信號SPD標稱通流不小于5kA（8/20μs）；

e.模擬信號SPD標稱通流不小于3kA（8/20μs）；

f.信號SPD電壓保護等級要求符合相應線路防護等級要求。

3.2 提高自動化和通信機房接地方面的防雷質(zhì)量

在進行自動化機房的建設工作時，應嚴格按照要求將機房的接地電阻控制在5Ω以內(nèi)。通過提高機房的接地質(zhì)量，可以顯著改善調(diào)度自動化與通信系統(tǒng)的防雷效果。這一過程中，隨著接地電阻值的降低，過電壓值將會越來越低。因而，應該在合理的經(jīng)濟前提下，最大限度的減少接地電阻。一方面，可以在自動化機房內(nèi)部敷設相應的環(huán)行接地母線，對于接地母線的材質(zhì)要進行嚴格的把控，進而確保接地質(zhì)量達到要求。另一方面，可以進行等電位連接。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備進行電氣連接，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，就可以確保設備的內(nèi)部絕緣或電纜芯線免受雷擊的破壞。此外，進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為某通信設備系統(tǒng)正確接地設計的典型案例。從上述案例可以看出，系統(tǒng)中每一個電氣設備機柜，都引出一根保護接地線并將其與機房的保護接地排進行連接，進而提高了設備的防雷質(zhì)量。另外，在通信設備的機柜頂部位置，利用了-48VRTN以及PGND與機柜頂進行了單點短接；同時，對于同一設備的機殼，在保護地之間進行等電位連接。此外，對于并聯(lián)式電源防雷器，也使用較短的連接線將其接到機柜頂部設置的直流電源接線柱上。這樣一來，可以顯著提高電源的防雷效果。對于信號防雷板而言，主要使用較短的接地線，將其與設備機殼進行連接；對于天饋防雷器來說，先使用接地線與天饋接地排進行連接。之后，再將其與饋窗外的室外接地排進行連接，使得設備防雷質(zhì)量有效提高。最后，對于放置在機房內(nèi)部的所有設備，除了連接相應的保護接地線外，還進行了墻壁、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

為降低電磁干擾對系統(tǒng)設備產(chǎn)生的危害，在進行調(diào)度自動化機房和通信調(diào)度機房的建設工作時，要對建筑項目的鋼筋與環(huán)形接地母線進行加固焊接操作，同時對金屬走線槽進行焊接。在進行建筑機房地板施工時，按要求選用優(yōu)質(zhì)的靜電板，并且在機房內(nèi)部的合理位置放置專用的金屬走線槽。需要注意的是，將強電電纜和弱電電纜進行分離處理，進而可以降低強電電纜對于弱電電纜產(chǎn)生的不良干擾。其次，對于內(nèi)部的金屬走線槽，要與環(huán)形接地母線進行焊接，同時將通信設備機柜和接地母線進行焊接。施工建設環(huán)節(jié)中所選用的通信電纜，均應是屏蔽電纜，并且對屏蔽層兩端進行接地處理。這一過程中，當音頻電纜以及信號線、電話線進入到機房時，應首先與音頻保安器進行連接，進而降低電纜線對于橫向、縱向過電壓產(chǎn)生的影響。此外，對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 提高信號采集回路的隔離效果

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

3.5 做好電力通道建設工作

在電力通道建設工作中，一項重要的任務是開展電力調(diào)度自動化與通信通道的建設，以往所用到的模擬載波機等設備，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備要求的電力通道，對應的通道線路應推廣使用光纖復合架空地線（OPGW）、全介質(zhì)自承式光纜（ADSS）、管道光纜，有條件的地區(qū)應著重推廣使用OPGW光纜，光纜必須具備國家認證或國際權威認證的檢測機構出具的檢測報告，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，同批次、同類型的光纜應使用同一設計、相同材料和相同工藝制造的光纖，應能承受給定的系統(tǒng)最大短時故障電流，在該故障電流的作用下，OPGW的電氣和機械特性不允許有任何改變等通用光纜技術要求。同時，通道應采用核心、匯聚、接入三層結構組網(wǎng)，采用A、B通道互備，滿足現(xiàn)在電力通道建設的基本要求。

4 結束語

隨著我國經(jīng)濟社會的不斷發(fā)展，人們對電力的安全、平穩(wěn)運行有了嚴格的要求，通過做好電力調(diào)度自動化與通信電源設備的防雷工作，可以降低雷電流對弱電設備造成的危害。電力企業(yè)應對電氣設備的防雷工作引起足夠的重視，并采取有針對性的防雷措施，提高電源、接地以及屏蔽方面的防雷措施，降低雷電問題對電氣設備的危害，確保電力調(diào)度自動化與通信電源設備的安全穩(wěn)定可靠的運行。