郭 翔,汪 洲，聶文君，李學(xué)坤，劉崢旭

（國網(wǎng)山東省電力公司濟(jì)南供電公司，山東 濟(jì)南 250012）

0 引言

作為智能電網(wǎng)的重要組成部分，電力用戶用電信息采集系統(tǒng)應(yīng)用計算機(jī)、通信等技術(shù)實現(xiàn)對電力用戶用電信息采集、處理和實時監(jiān)控［1-2］。系統(tǒng)由主站、通信通道和采集設(shè)備3部分組成，其中采集設(shè)備是安裝在現(xiàn)場的計量設(shè)備和終端設(shè)備，負(fù)責(zé)收集和整理電力用戶的用電信息，包括智能電能表、集中抄表終端（包括集中器、采集器）、專變采集終端以及分布式能源監(jiān)控終端等［2-3］。采集設(shè)備中含有數(shù)量眾多的集成電路，內(nèi)部結(jié)構(gòu)高度集成化，其正常運(yùn)行狀態(tài)下的電壓和信號電流都很小，從而使得采集設(shè)備的耐壓、耐過流的水平較低，承受雷擊過電壓的能力較弱［4］。雷擊放電時，附近建筑物內(nèi)部或一定區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)大的瞬變空間電磁場，對于該區(qū)域的電氣環(huán)路產(chǎn)生高達(dá)6 kV的瞬態(tài)尖峰感應(yīng)雷電壓，使得很多電能表和集中器燒壞，影響系統(tǒng)的遠(yuǎn)程采集［5］。因此，防雷擊、防浪涌問題已成為用電信息采集系統(tǒng)可靠運(yùn)行的重要障礙，研制用電信息采集系統(tǒng)雷擊浪涌防護(hù)裝置十分必要。

1 雷擊浪涌防護(hù)裝置原理

由于一般防雷工作原理都需要接地，而采集設(shè)備安裝的地點點多面廣，數(shù)量眾多，安裝工程量巨大［6］，且目前使用的采集系統(tǒng)的避雷器廣泛存在著無法接地或接地不良的問題。因此，雷擊浪涌防護(hù)裝置應(yīng)具有安裝簡便快捷、接線方式靈活等特點，可根據(jù)現(xiàn)場實際情況的需要選擇內(nèi)接式或外接式。

雷擊浪涌防護(hù)裝置采用等電位技術(shù)吸收雷電沖擊電流。當(dāng)雷電沖擊電流進(jìn)入裝置后，通過裝置內(nèi)設(shè)計的浪涌吸收電路使得采集設(shè)備之間的電位差為0，從而達(dá)到電位平衡的目的，保護(hù)采集設(shè)備不受雷擊浪涌的影響，其防護(hù)作用優(yōu)異且穩(wěn)定。同時，采用等電位技術(shù)，使得該裝置不受接地電阻的影響，接地電阻的大小乃至不接地均不會對本裝置的保護(hù)作用造成影響，從而解決了現(xiàn)有避雷器存在的接地問題。

本裝置采用分級保護(hù)的設(shè)計思路，通過多個部分的配合，保護(hù)采集設(shè)備，消除雷擊浪涌的影響，提高采集設(shè)備的穩(wěn)定性和安全性，保障用電信息采集系統(tǒng)得到準(zhǔn)確及時的用電數(shù)據(jù)，為智能電網(wǎng)的建設(shè)提供強(qiáng)有力的保障。

2 雷擊浪涌防護(hù)裝置結(jié)構(gòu)

雷擊浪涌防護(hù)裝置的結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括浪涌吸收電路、信號放大電路和電源電路3個部分。

圖1 雷擊浪涌防護(hù)裝置結(jié)構(gòu)

2.1 浪涌吸收電路

根據(jù)分級保護(hù)設(shè)計理念，浪涌吸收電路選用陶瓷氣體放電管、壓敏電阻和瞬態(tài)抑制二極管等元器件，其與智能電能表和信號放大電路相連，能夠高效吸收雷電及浪涌。

浪涌吸收電路如圖2所示，由前級保護(hù)電路、退耦保護(hù)電路和后級保護(hù)電路3部分組成。其中，前級保護(hù)電路采用陶瓷氣體放電管FD1，并將其并聯(lián)在輸入端A1和B1之間；退耦保護(hù)電路采用壓敏電阻RX1和RX2，串聯(lián)在輸入端和輸出端之間；后級保護(hù)電路則采用瞬態(tài)抑制二極管TVS1，將其并聯(lián)在輸出端485A和485B之間。

當(dāng)雷擊發(fā)生時，雷電信號依次通過前級、退耦和后級保護(hù)電路。首先，前級保護(hù)電路的陶瓷氣體放電管在正常工作狀態(tài)下具有高阻抗、低電容的特性，對電路工作無影響。但當(dāng)雷擊信號進(jìn)入電路時，其被瞬間擊穿放電，阻抗接近于0，使電路呈短路狀態(tài)，從而將過電流通過回路泄放，并限制了電壓的升高，對雷電信號進(jìn)行了吸收。接著，退耦保護(hù)電路的壓敏電阻利用其非線性的特性對過電壓進(jìn)行箝位，達(dá)到退耦作用。最后，后級保護(hù)電路的瞬態(tài)抑制二極管在兩端受到反向過電壓時，阻抗由高變低，可以吸收高達(dá)數(shù)kW的浪涌功率，從而有效地保護(hù)元器件［7-9］。

圖2 浪涌吸收電路

浪涌吸收電路中各級電路的元器件間相互配合，逐級對雷電進(jìn)行吸收、退耦，通過分級保護(hù)方式，有效保護(hù)線路和元件。

2.2 信號放大電路

傳統(tǒng)的RS-485隔離器電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并且通信波特率不能自動適應(yīng)總線波特率變化。因此，本裝置的信號放大電路需要結(jié)構(gòu)簡單，同時對兩側(cè)數(shù)據(jù)能夠進(jìn)行有效傳輸。

信號放大電路采用自動流向的控制方式，使得控制信號由總線通信數(shù)據(jù)本身自動產(chǎn)生，不需要其他外接控制。通信方式采用波特率自適應(yīng)技術(shù)，自動匹配通信的波特率，從而數(shù)據(jù)傳輸能夠?qū)崿F(xiàn)實時透明，不受總線波特率變化的影響。同時，本裝置采用光電隔離阻斷技術(shù)，可以避免雷電波串入到下級電路，對下級電路進(jìn)行有效的保護(hù)。

信號放大電路如圖3所示，該電路為對稱結(jié)構(gòu)，主要包括通信電路和電氣隔離電路，均為雙路。RS-485收發(fā)器U1和U3構(gòu)成了通信電路，光耦合器U2和U4構(gòu)成了電氣隔離電路。

信號放大電路中RS-485收發(fā)器U1和U3的輸入端分別連接浪涌吸收電路和采集終端，電源端則分別連接電源電路的輸出電壓VC和VD，U1和U3的接收器輸出端分別連接光耦合器U2和U4。同時，光耦合器U2和U4的輸出端分別連接RS-485收發(fā)器U3和U1的驅(qū)動器。

圖3 信號放大電路

圖4 電源電路

當(dāng)雷擊發(fā)生時，雷電信號通過浪涌吸收電路后進(jìn)入信號放大電路。其中，光耦合器以光為媒介進(jìn)行信號傳輸，可將輸入與輸出之間電氣隔離，具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力，從而避免雷電波串入到下級電路造成受保護(hù)元器件的損壞。另外，由于光耦合器的信號傳輸具有單向性的特點，為了實現(xiàn)智能電能表和采集終端之間數(shù)據(jù)的相互傳輸，因此，通信電路設(shè)計為雙路。

2.3 電源電路

電源電路用于將220 V的市電經(jīng)過降壓整流濾波后向信號放大電路中的RS-485收發(fā)器和光耦合器提供直流電壓。為保證電源電壓的穩(wěn)定，本裝置的電源電路采用雙電源設(shè)計。電源電路如圖4所示，主要包括變壓器、整流電路和穩(wěn)壓電路3部分。其中，整流電路由整流器組成的整流橋BR1和BR2構(gòu)成，穩(wěn)壓電路由穩(wěn)壓器U5和U6構(gòu)成。

220V的市電經(jīng)變壓器TR1降壓后進(jìn)入整流橋BR1和BR2，經(jīng)過整流橋的整流后進(jìn)入穩(wěn)壓器U5和U6，最后輸出為穩(wěn)定的電源電壓VC和VD。

3 雷擊浪涌防護(hù)裝置的應(yīng)用

3.1 技術(shù)指標(biāo)檢驗

研制的雷擊浪涌防護(hù)裝置通過專業(yè)測試機(jī)構(gòu)進(jìn)行了測試，包括電磁兼容測試，溫升、耐沖擊電壓、殘壓等主要技術(shù)指標(biāo)測試。經(jīng)測試，電磁兼容性相關(guān)指標(biāo)符合GB/T 17626.5—2008 《電磁兼容 試驗和測量技術(shù) 浪涌（沖擊）抗擾度試驗》的要求，溫升值低于60℃，沖擊電壓為30 kV時，裝置元件無擊穿、無損壞，在30 kV/15 kA組合波下的殘壓小于520 V，達(dá)到了設(shè)計要求。

3.2 現(xiàn)場應(yīng)用

以濟(jì)南市槐蔭區(qū)為例，轄區(qū)共有智能電能表和集中器83 188塊，經(jīng)統(tǒng)計每年因為雷擊而損壞的智能電能表和集中器約為6 000塊，占總表計的7.3%。2016年汛期到來前，在所有雷區(qū)范圍內(nèi)的采集設(shè)備中安裝了所研制的雷擊浪涌防護(hù)裝置，安裝過程中，雖然采集設(shè)備安裝的地點復(fù)雜且數(shù)量眾多，但由于本裝置不需要接地，且接線方式靈活，可以根據(jù)現(xiàn)場實際情況的需要選擇內(nèi)接式或外接式，適用于目前主流智能電能表和集中器，安裝簡便快捷，因此工程進(jìn)展迅速。

防汛期間（6—8月），每次雷雨過后，對系統(tǒng)提示有問題的采集設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場巡視，查看智能電能表和集中器，檢查是否黑屏或測量是否短路，累計巡視13次。經(jīng)統(tǒng)計，安裝研制的雷擊浪涌防護(hù)裝置后，智能電能表和集中器因雷擊燒毀率為0.855%，其中黑屏420塊，短路291塊，較安裝前有明顯下降。

因此，通過使用該裝置，可以大幅度提升采集設(shè)備的平均故障間隔時間，減少采集設(shè)備的故障次數(shù)與維修次數(shù)，降低維修費(fèi)用，從而減少采集設(shè)備維護(hù)所需的人力、物力和財力。同時，采集設(shè)備的可靠運(yùn)行保證了用電信息采集系統(tǒng)能夠高效可靠地采集和實時監(jiān)控電力用戶的用電信息，保證了智能電網(wǎng)建設(shè)的順利進(jìn)行。

4 結(jié)語

為提高電力用戶用電信息采集系統(tǒng)的防雷擊、防浪涌能力，采用分級保護(hù)設(shè)計思路和等電位技術(shù)，研制用電信息采集系統(tǒng)雷擊浪涌防護(hù)裝置。該裝置具有安裝簡便快捷、接線方式靈活、防護(hù)作用優(yōu)異且穩(wěn)定、不需要接地等優(yōu)點。該裝置已通過專業(yè)機(jī)構(gòu)的技術(shù)指標(biāo)檢驗，實際應(yīng)用證明該裝置增強(qiáng)了用電信息采集系統(tǒng)對雷擊浪涌的防護(hù)能力，有效避免了采集和電源設(shè)備燒毀、損壞等現(xiàn)象的發(fā)生，保障了用電信息采集系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。