电力自动化设备浪涌保护的技术分析

浙江浙能镇海发电有限责任公司 吴梦可

0 引言

每到雷雨季节，部分电力企业的电力系统自动化设备很容易受到雷击损害，这不仅给电力企业带来严重的经济损失，也难以维护电力系统调度工作的正常进行，更会影响到人们的日常生活与工农业生产活动。随着电力系统容量的不断增加，电力系统自动化水平在不断发展与提高，电力调度自动化系统需要使用的电子计算机与电子设备也逐渐增多。因此，电力企业的技术人员要做好浪涌保护工作，降低雷电与大功率电器开关形成的浪涌危害，提高电力系统的稳定性。

1 浪涌产生的原因与危害

浪涌产生的原因主要有两个：雷电及大功率电器的断开与闭合。雷电形成的浪涌是雷电浪涌，大功率电器的断开与闭合形成的浪涌是操作浪涌。

雷电形成的浪涌可以分为雷电直击与雷电感应。雷电形成的浪涌尖波幅值较高，时间极短，低频特征明显，主要集中在频率较低的频段。雷电浪涌在浪涌总量中所占的比例不高，但是危害却极大，有时很小的浪涌冲击就能够直接破坏一些敏感电子设备的集成芯片与主板，对设备的控制系统造成严重的损害，影响到整个运行系统，也会减少电力设备的使用寿命。雷电感应则是雷电放电击中设备附近的大地，在电力线路上感应中等程度的电流和电压。

而大部分浪涌的产生却是由大功率感性负荷的使用造成的，也就是操作浪涌，这种浪涌的上升时间与下降时间都比较长，电流与电压幅值较低，也会影响电力设备的安全运行。

2 浪涌保护器件分析

目前，常用的浪涌保护器件主要有压敏电阻、暂态抑制二极管与熔断器等，这些器件由于结构设计合理、性能良好、体积小、易安装等优点被广泛应用。

当压敏电阻遇到瞬时超过它的启动电压时，立即由高阻抗变为低阻抗，让瞬间巨大的浪涌泄放到大地。压敏电阻因其非线性特性良好、通流容量大、常态漏电流小、无续流等优点，成为现在浪涌保护中的主要器件，但其缺点是容易老化；暂态抑制二极管主要包括了二极管与雪崩二级管，这种保护器件与压敏电阻相比非线性特性稍差，通流能力也较差，电流负荷量小。但是具有响应时间较快、寄生电容小等优点。当有瞬态电压发生时，瞬态抑制二极管将快速响应击穿，以耗散大的浪涌电流，使电路得以保护；熔断器的响应时间较长，不适宜应用在高灵敏、高速的过电流浪涌保护上。

3 浪涌保护技术

3.1 对电子线路的多级保护

由于部分电子线路比较脆弱，使用一种浪涌保护器件不能实现良好的保护效果。在实际工作中，可以使用多种浪涌保护器，采取多级保护电路的方式来提高保护效果。

下面介绍一种简单的多级保护电路：就是将通流能力大、残压水平低的压敏电阻作为第一级保护；将反应时间快，通流能力小的暂态抑制二极管作为第二级保护；熔断器虽由于响应时间长，对单个快速浪涌没有明显反应，但对于较多的重复浪涌，就可以利用熔断器作为第三极保护，有效地熔断过大电流，保护电子线路。下图为多级综合保护电路原理图。

多级综合保护电路原理图

3.2 不同电力系统的浪涌保护方案

为了降低浪涌对电子设备的损害程度，在工程施工中应安装浪涌保护器，也可以称之为信号防雷保护器。它能够为各种电力设备、仪器仪表与通讯线路提供安全保护。当电气回路或通信线路受外界干扰时会产生尖端电流或电压，安装浪涌保护器可以在最短的时间中导通分流，避免浪涌对设备造成的损害。

一般在电气设计时将电力系统设计为三级防护：第一级防护是为了泄放直接雷击电流，或者是泄放电源在受到直接雷击时产生的极大能量，通常将第一级防护浪涌保护器设置在大楼总配电柜的位置；第二级防护的目的是将已经通过第一级防护后剩下的残余浪涌电压，利用浪涌保护设备限制到2kV以下，第二级防护浪涌保护器通常被设置在各楼层分配电柜处，也可以安置在重要电子设备的输入电源处；第三级防护作为最后的防护设备，可将残余浪涌电压利用浪涌保护设备降至1kV以内。

3.3 电力设备的终极保护

多级浪涌保护方案能够很好地降低浪涌对设备的损害，但是也不能保证完全消除浪涌残压，因为浪涌耦合渠道一般是立体的多通道的，由各种耦合产生的相线之间的电浪涌占各种浪涌的60%以上，所以还是要实行电力设备的终极保护。

终极保护对设备的要求较高：一.要求要扩大保护器件终极防护电压等级范围；二.由于现在的电子设备设计体积较小，内部结构复杂，就要求保护器件体积要小并具有良好的通流能力；三.在任何一个集成电路组成的电子设备中具有众多的电子器件，一旦一个电子器件出现问题就会影响整个电子设备，因此对其电磁兼容性能有很高的要求；四.在电子设备中，信号传输的速度非常快，要求浪涌保护器件的响应速度也要非常快，这时可以选择压敏电阻与暂态抑制二极管。这些浪涌保护器件都有结构设计合理、性能佳的优势，并且体积非常小，有利于在印刷电路板上安装。

4 浪涌保护技术的具体应用

在实际的电力系统中，影响电力自动化设备的干扰有共模干扰与差模干扰两种，这两种干扰通常是同时产生的，因此在利用浪涌保护器件时要以抑制这两种干扰为目标。

从人身、设备的安全与抗干扰的角度分析，变电站与调度中心的自动化设备应采用共同的接地系统，并在合适的地方预埋等电位联结板。

应用在电力自动化设备中的浪涌保护器有有源保护型与信号保护型两种，通常电源接口的保护器是应用在电子设备的电源进线端口，主要作用是阻止浪涌电压从电源端口侵入设备，利用浪涌保护器件将浪涌能量释放到大地中，控制电源电压；信号接口的浪涌保护器通常是用在调度中心与厂站端的模拟通道中，或者是数字通道中，能有效降低浪涌对电力线路的影响。

浪涌保护器可把窜入电力线、信号传输线的瞬时过电压限制在设备或系统所能承受的电压范围内，或将强大的雷电流泄流入地，保护被保护的设备或系统不受冲击而损坏。目前，在电厂6.3kV系统中广泛应用浪涌保护器，实现对雷击过电压特别是操作过电压的防护作用。一般电厂厂用电电压等级选用6.3kV，该电压等级为不接地系统，由于厂用高压电气辅助设备较多，存在启停操作频繁情况，因此操作过电压对设备危害较大。启动电动机时引起的过电压原因是电动机的大启动电流及电源电缆长度长，分布对地电容容量大，有呈电容性负载的可能性，断路器在合闸过程中，由于突然加压，会出现容升现象，即合闸涌流，从而产生过电压；在分断小容量电机（小电流）时，由于断路器中去游离作用很强，故当电流未到零时，就可能发生强烈熄弧，这样电感中贮藏的磁场能量将全部转化为电场能量，从而产生过电压。三相组合式浪涌保护器安装在断路器出线端，当有过电压或过电流出现时，浪涌保护器将对地导通，实现对地分流,从而达到间接等电位的目的。对于其他电压等级不同的接地系统，浪涌保护器的接线方法也不一样，一般有对地法和N-PE法两种保护。除TT系统浪涌保护器安装在剩余电流保护器的电源侧必须用N-PE法以外，一般均使用对地法。

5 结束语

电力自动化设备的浪涌保护是一项重要且复杂的工作，浪涌保护器是主要针对浪涌危害而研发的保护器，能够有效地泄放因雷电或大功率电器开关操作形成的巨大电流与电压，降低浪涌对电子设备的损害，延长电子设备的使用年限。电力企业要积极安装有自动化设备的变电站与调度中心，提高浪涌保护技术，做好防雷、防过电压工作，保证电力系统的稳定运行。

[1]逯宗胜.电子设备的浪涌保护[J].华章.2010(33):191.

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