电力调度自动化与通信高频开关电源设备的防雷措施探讨

李 涛

（云南立恒电力设计院 云南昆明 650011）

1 引言

随着国内城市化进程的不断加快，我国对于电力资源的需求量越来越大，随之而来的是电力系统容量的急剧增加。目前，电力调度自动化系统与传输通道中应用到大量的计算机设备、电路集成模块、测控装置等相关微电子设备，这就对防雷工作提出了较高的要求。因此，当前要做好电源、接地、屏蔽以及通道建设等方面的防雷措施，进一步提高电力调度自动化与通信高频开关电源设备的防雷效果。

2 概述

2.1 雷击形式分析

能够对电力调度自动化与通信设备产生危害的雷击形式，主要包含以下三种类型：①直击雷。直击雷主要是指雷电直接击中建筑物构架或动植物，由此产生的电效应、热效应以及机械效应等等，这些雷击效应将对建筑物与周围的人员、电力设备造成严重的损害。②感应雷。雷击过程中，雷云将会对地进行放电，如果附近存在着信号传输线路或电力线路、电力设备，那么将出现电磁感应现象，并对电力设备等造成一定的危害，最终使得串联在线路中间或终端的相关设备受到不同程度的损害。③雷电波。雷电流出现时，将产生数值极大的峰值与陡度，同时雷电流周转过程中也会出现瞬变电磁场。由此所产生的空间雷电电磁波，会对电力设备造成破坏。④球形雷。所谓的球形雷，主要是指橙色、红色的发光球体，其外观与火焰相类似。球形雷不仅会顺着建筑物上预留的孔洞、门窗进入到建筑室内，同时也会对周围的电力通信设备造成严重的损害。

2.2 雷电流对调度自动化与通信设备的危害

雷击现象多发生在雨季，处于电力线路不同位置的输电线路，遭受雷击的位置不同，电位差会随之增加。同时，雷击电流将顺着变电站周围的接地网出现流散现象，一旦电力调度自动化设备与通信电源设备中出现等电位不一致的问题，将造成设备承受电位差的能力下降，进而造成电力调度自动化和通信设备出现故障。此外，雷电出现时会产生大量的能量，并通过电磁感应或静电感应向周围区域进行辐射，其所造成的危害较为严重。另外，由雷电现象所产生的雷电波，也将顺着线路进入到变电站内部，如果变电站电气设备的绝缘能力达不到要求，设备将出现被击穿等问题。目前，电力调度自动化与通信设备被雷击的问题时有发生，由此易引发变电站站控层电气设备误动以及拒动故障的出现。

3 电力调度自动化与通信电源设备的防雷措施

3.1 应用二次系统防雷器（SPD）接入到交直流电源回路中

为避免设备遭受闪电雷击或过电压带来的危害，首先应改善进线一次电源设备的防雷措施。电源进线线缆可以选用地下穿管直埋电力电缆的方式，并且使用高、低压避雷器或者是压敏电阻、防雷电子模块等进行保护，由此可减轻感应雷、雷电侵入波对于电源设备的危害，进而使雷电流得到有效控制。另一方面，为了确保微电子器件免受雷击问题的破坏，还可以利用TVS管、固态放电管等元件来提高防雷效果。所谓的TVS管，是TRANSIENTVOLTAGESUPPRESSOR的简称，通常被称为瞬变电压抑制二极管。它是目前应用较广的一种新产品，其电路符号和普通稳压二极管相同。当TVS管两端经受瞬间的高能量冲击时，它能以极高的速度使其阻抗骤然降低，同时吸收一个大电流，将其两端间的电压箝位在一个预定的数值上，从而确保后面的电路元件免受瞬态高能量的冲击而损坏。TVS管是当前使用较为普遍的一种新型的高效电路保护元件，其能够压缩响应时间，并且具有较强的吸收浪涌能力。当TVS管的两端受到瞬间高能量的冲击作用时，TVS管能够在短时间内将两端间的阻抗值从高阻抗转化为低阻抗，这一过程中将高达几千瓦的浪涌功率。其中，TVS管的伏安特性如图1所示。

图1 TVS管伏安特性示意图

TVS管的正向特性和普通二极管基本相似，但是在反向特性方面属于典型的PN结雪崩器件。一般来说，雷击电流极容易进入到电源回路中，并且对电力调度自动化与通信设备的危害较严重。因而，为提高电源的防雷效果，需要在变电站内部安装相应的交直流电源SPD，作为保护电源设备的一道防线，为了使电源设备不失效，交直流电源SPD在故障或者失效时，内部应有与电源系统永久断开的分离装置，外部应配备SPD专用后备保护装置。SPD为Surge Protection Device的简称，也被称作电涌保护器，主要应用于供电系统（或通信系统）中，对间接雷电和直接雷电影响或其他瞬时过压的电涌进行保护。目前，此类产品在建筑配电中得到广泛的应用。SPD产品中脱离器和压敏电阻（MOV）是最为核心的两个部件，其运行的可靠性、安全性直接影响到SPD乃至整个雷电防护系统的保护性能和能力。

同时SPD应具备故障指示窗口，正常或故障时，具备正确表示其状态的标志或指示灯等报警功能，同时具备远程集中监测或集中告警的接点。SPD的外壳防护等级、保护接地及电气间隙和爬电距离等安全性能指标须符合相关标准的规定。

3.1.1 交流电源SPD防雷器技术上应满足的几点要求

（1）交流电源SPD应采用模块化插拔式结构，便于维护和定期性能检测。

（2）交流电源SPD应采用相线对地（L-PE）、中性线对地（N-PE）保护模式。

（3）交流电源SPD接线端子应能可靠连接标称截面积为10～25mm2范围的多芯铜导线。

（4）交流电源SPD的泄漏电流应小于20kA（75%标称导通电压测试情况下）。

（5）标称放电电流IN和限制电压Up：

a.交流第一级SPD标称放电电流In不小于40kA（8/20μs），或Iimp不小于 25kA（10/350μs），限制电压 Up≤2.5kV。

b.交流第二级SPD标称放电电流In不小于20kA（8/20μs），限制电压Up≤2.0kV。

c.交流第三级SPD标称放电电流In不小于10kA（8/20μs），限制电压Up≤1.4kV。

d.交流电源设备级SPD标称放电电流In不小于10kA（8/20μs），限制电压Up≤1.4kV。

3.1.2 直流电源SPD防雷器技术上应满足的要求

（1）直流电源SPD应采用模块化插拔式结构，便于维护和定期性能检测。

（2）为防止直流绝缘监察系统误报警，直流电源SPD应采用压敏电阻串联气体放电管模式。

（3）直流电源SPD要求采用正极对地（V+-PE）、负极对地（V--PE）保护模式。

（4）直流电源SPD接线端子应能可靠连接标称截面积为10～25mm2范围的多芯铜导线。

（5）标称放电电流IN和限制电压Up：

a.用于直流110V第一级电源SPD标称放电电流In不小于20kA（8/20μs），限制电压 Up≤1.0kV。

b.用于直流220V第一级电源SPD标称放电电流In不小于20kA（8/20μs），限制电压 Up≤1.4kV。

c.用于直流110V第二级电源SPD标称放电电流In不小于10kA（8/20μs），限制电压 Up≤1.0kV。

d.用于直流220V第二级电源SPD标称放电电流In不小于10kA（8/20μs），限制电压 Up≤1.4kV。

3.1.3 单路信号SPD防雷器技术上应满足的要求

（1）单路信号SPD应采用适合电力机柜安装的工业化导轨式结构。

（2）GPS馈线防雷器应采取直接串接GPS设备馈线接口处连接方式。

（3）单路信号SPD应采用线对线、线对地保护模式。

（4）单路信号SPD应采用粗保护和精细保护二级保护结构，并能实现级间能量配合。

（5）单路信号SPD产品接口形式应与被保护设备原有接口形式一致。

（6）信号SPD传输速率及插入损耗性能指标应符合各自相关要求，并且串联接入后不能对通信和传输性能造成影响。

（7）单路信号SPD接地线端子应能可靠连接标称截面积为2.5～6mm2范围的多芯铜导线，GPS馈线防雷器接地线端子应能可靠连接标称截面积为10～16mm2范围的多芯铜导线。

（8）标称通流In

a.GPS馈线信号SPD标称通流不小于10kA（8/20μs）；

b.RS485、RS232接口信号 SPD 标称通流不小于 5kA（8/20μs）；

c.RJ45信号SPD标称通流不小于1kA（8/20μs）；

d.视频信号SPD标称通流不小于5kA（8/20μs）；

e.模拟信号SPD标称通流不小于3kA（8/20μs）；

f.信号SPD电压保护等级要求符合相应线路防护等级要求。

3.2 提高自动化和通信机房接地方面的防雷质量

在进行自动化机房的建设工作时，应严格按照要求将机房的接地电阻控制在5Ω以内。通过提高机房的接地质量，可以显著改善调度自动化与通信系统的防雷效果。这一过程中，随着接地电阻值的降低，过电压值将会越来越低。因而，应该在合理的经济前提下，最大限度的减少接地电阻。一方面，可以在自动化机房内部敷设相应的环行接地母线，对于接地母线的材质要进行严格的把控，进而确保接地质量达到要求。另一方面，可以进行等电位连接。所谓的等电位连接，主要是指把正常不带电或者是不能良好接地的设备进行电气连接，这一环节中既可以将金属外壳和电缆金属外皮与接地系统连接，同时可以将建筑物的金属管线或桥架与接地系统连接。这样一来，就可以确保设备的内部绝缘或电缆芯线免受雷击的破坏。此外，进行等电位连接还能缩小不同种类的金属部件与系统间存在的电位差，进而提高防雷击效果。

图2 正确接地的案例

其中，图2为某通信设备系统正确接地设计的典型案例。从上述案例可以看出，系统中每一个电气设备机柜，都引出一根保护接地线并将其与机房的保护接地排进行连接，进而提高了设备的防雷质量。另外，在通信设备的机柜顶部位置，利用了-48VRTN以及PGND与机柜顶进行了单点短接；同时，对于同一设备的机壳，在保护地之间进行等电位连接。此外，对于并联式电源防雷器，也使用较短的连接线将其接到机柜顶部设置的直流电源接线柱上。这样一来，可以显著提高电源的防雷效果。对于信号防雷板而言，主要使用较短的接地线，将其与设备机壳进行连接；对于天馈防雷器来说，先使用接地线与天馈接地排进行连接。之后，再将其与馈窗外的室外接地排进行连接，使得设备防雷质量有效提高。最后，对于放置在机房内部的所有设备，除了连接相应的保护接地线外，还进行了墙壁、地板以及走线架等方面的绝缘处理。

3.3 做好屏蔽方面的防雷措施

为降低电磁干扰对系统设备产生的危害，在进行调度自动化机房和通信调度机房的建设工作时，要对建筑项目的钢筋与环形接地母线进行加固焊接操作，同时对金属走线槽进行焊接。在进行建筑机房地板施工时，按要求选用优质的静电板，并且在机房内部的合理位置放置专用的金属走线槽。需要注意的是，将强电电缆和弱电电缆进行分离处理，进而可以降低强电电缆对于弱电电缆产生的不良干扰。其次，对于内部的金属走线槽，要与环形接地母线进行焊接，同时将通信设备机柜和接地母线进行焊接。施工建设环节中所选用的通信电缆，均应是屏蔽电缆，并且对屏蔽层两端进行接地处理。这一过程中，当音频电缆以及信号线、电话线进入到机房时，应首先与音频保安器进行连接，进而降低电缆线对于横向、纵向过电压产生的影响。此外，对于不同的配线架保安单元，其接地端要有良好的接地效果，并且要保证保安器能够正常使用。

3.4 提高信号采集回路的隔离效果

在变电站站控层的自动化设备建设工作中，大多将自动化设备的输入部分安装在变电站的室外环境中，并且将自动化一次辅助触点与断路器、隔离开关操作机构箱或端子箱进行连接。因而，如果设备遭到雷击问题的破坏，将出现电磁涌流干扰等一系列问题。因而，在输入回路前应安装有避雷器，进而有效降低雷电问题对于设备的破坏。同时，这一操作还有助于输入信号的及时处理，降低雷击问题对测控装置造成的不良影响。此外，通过安装光电隔离器也能有效规避感应电压对于调度自动化与通信设备产生的不良影响。在开展防雷工作时，要对通道线路的类型进行分析，并且要进行通信频带、线路电平等要素的分析，合理选用通信避雷器。

3.5 做好电力通道建设工作

在电力通道建设工作中，一项重要的任务是开展电力调度自动化与通信通道的建设，以往所用到的模拟载波机等设备，不仅抗雷击能力不高，并且极容易受到天气、线路等因素的影响。目前电力二次通道基本都改造成满足光设备要求的电力通道，对应的通道线路应推广使用光纤复合架空地线（OPGW）、全介质自承式光缆（ADSS）、管道光缆，有条件的地区应着重推广使用OPGW光缆，光缆必须具备国家认证或国际权威认证的检测机构出具的检测报告，OPGW中的光纤必须满足ITU-TG.652D、G.655B建议要求，光纤芯不允许含有工厂熔接点，同批次、同类型的光缆应使用同一设计、相同材料和相同工艺制造的光纤，应能承受给定的系统最大短时故障电流，在该故障电流的作用下，OPGW的电气和机械特性不允许有任何改变等通用光缆技术要求。同时，通道应采用核心、汇聚、接入三层结构组网，采用A、B通道互备，满足现在电力通道建设的基本要求。

4 结束语

随着我国经济社会的不断发展，人们对电力的安全、平稳运行有了严格的要求，通过做好电力调度自动化与通信电源设备的防雷工作，可以降低雷电流对弱电设备造成的危害。电力企业应对电气设备的防雷工作引起足够的重视，并采取有针对性的防雷措施，提高电源、接地以及屏蔽方面的防雷措施，降低雷电问题对电气设备的危害，确保电力调度自动化与通信电源设备的安全稳定可靠的运行。