具有防雷功能的联动式计量联合接线盒的研究

国网温州供电公司 杨桥桥

国网泰顺县供电公司 田 权

在智能电网不断普及的情况下，电能信息的采集就显得尤为重要，电能计量装置分布在电力系统的各个环节，如电压互感器、电流互感器、智能电表等等，这些计量设备用以计量电网中的各种电能数据，不仅为电网的可靠运行提供了数据支撑，也为电力公司提供了实时的用电数据，还为用电企业了解自身用电情况、保证智能电网运行提供技术支撑。但是随着电网智能化发展的加速，电能计量装置越发小型化、越发精细化，也就越容易受到扰动的影响。本文在研究雷电对于电能计量装置影响的基础上研制出一种具有防雷功能的联动计量措施，保障电力信息采集的安全稳定。

1 雷电影响电能计量装置机理

在电力系统中，以智能电表为例，如不加装保护设备的情况下，无法达到国际电信联盟所达到的要求，一旦出现电力系统内过电压或受到直接的雷击，设备的内部结构将要损坏。在各种过电压的故障中，雷击过电压最为随机而且难以预测。

1.1 雷电影响机理研究

通常将雷击分为直击雷、感应雷和雷电入侵波几种形式：（1）直击雷。直击雷是雷云和大地之间的放电，当雷云和大地接近时，由于静电感应作用使得地面最高的电荷聚集的地方和雷云进行放点，直击雷的危害较大，但较好防御。（2）感应雷。由于雷电的感应而使系统出现过电压，根据感应情况不同又可分为静电感应过电压和电磁感应过电压两类：静电感应过电压为当雷云接近高压线时，形成静止电荷，当雷云对其它目标放电后，导线上原来受到束缚的异性电荷因失去电场束缚而变成自由电子。自由电子沿导线向两侧移动，形成600kV左右的电压。电磁感应过电压是指雷击发生时产生的巨大电流感应出的变化的磁场从而在电力设备上感应出很高的电压。（3）雷电侵入波。雷电入侵指的是雷电在架空线路或金属管道上产生冲击电压，并沿线路或管道向两侧迅速传播，这种雷电将通过管道进入变电站，击穿绝缘设备，危及人身安全。

无论是上面哪种情况，都会产生一个逐渐增大的电压，这种电压有一定的冲击性，冲击频率高、周期短，当上一个脉冲信号还没有消失的时候，下一个脉冲信号就已经到来了，这就会使电路中的结电容在未将电量放完时就开始充电，久而久之电压会越来越高，最终超过电路的电压限值，给电路的正常工作带来损害。

1.2 主要防雷元件介绍

目前主要防雷原件从工作原理上可以分为氧化锌元件、气体放电管、瞬间抑制二极管等元件。

氧化锌电阻元件、气体放电管、TVS管（瞬间抑制二极管）三种器件都限压型的保护器件，普遍用在电路中用作浪涌保护，TVS管基于二极管雪崩效应；压敏电阻器基于氧化锌晶粒间的势垒作用；而气体放电管则是基于气体击穿放电。二极管可以很方便地与其它器件集成在一个芯片上，现阶段有很多把过滤和防护集成到一个器件上，从而降低成本也保证布线时安全，防止发生自感以及短路等情况。

TVS二极管在三者中的反应速度最快，通常用于通信线路的保护；氧化锌电阻的反应速度介于TVS和气体放电管之间，通常用于电路元器件的保护，氧化锌电阻的保护原理如图1所示小电流不动作，大电流反应极快，保护电流范围区间较广。

图1 氧化锌电阻保护电流原理图

2 电力采集系统防雷措施

2.1 装设防雷电能计量装置

目前电能计量方面国内主要计量装置已经有防雷式电子电能表，主要原理是有效防止雷击入侵电子线路内部，通常安装在电表的入口处，该种设计是采用分流的原理防止出现过电压导致内部结构损坏。

2.2 设置有效防雷系统

为了应对直击雷，在电力线路高点应设置相应的直击雷点，减少设备的接地电阻，接地系统保证有足够的安全性，单独的电子接地设备和接地系统间保持足够的安全距离。可以在不同的接地系统之间连接地电位均衡器，这样不仅可以在雷击发生时保证不同接地系统之间的电位差减小，以避免电能计量装置受到损坏，同时还能够确保电能计量装置在正常工作的情况下将电能计量装置干扰降到最小。

2.3 智能采集系统防雷现状

由于雷电活动导致的过电压其中产生的电流频率很高，传统上的电涌保护器(Surge Protection Device，SPD)会因各级屏蔽层感应电阻太大而无效，如加大电涌保护器的信号上线，容易导致电源端口二次电压放电造成的通讯接口损坏。目前很多智能电表在农村地区、接地无法有效覆盖，电表计量装置防雷措施无法做到100%防护，需要包括相间、通信等设备的保护，保护动作策略亟待完善。

3 具有防雷功能的联动式计量联合接线盒研究

电能计量装置大多都放置在室内，对于雷电抵御能力很低，必须对依附建筑物的一些电能计量装置采取特殊的防护措施，如使用电能计量联合接线盒，这对电能计量的防雷研究至关重要。电能计量盒也就是电能计量装置检验规程中所指的试验端子，电能计量联合接线盒可以减少电流互感器和电压互感器的数量，便于带电校验测量仪表，并可在带电情况下调换所接仪表而不影响其他仪表的正常工作。

为了防止接地线上的反击电压对电能计量装置产生危害，联动式计量联合接线盒的电能计量装置接地线必须与建筑物底层的接地总线汇流，将各种安全保护都接入同一个线路中，保证雷电发生时能量可以直接通过大地释放，保障用电安全。如图2所示，保护中包含相间保护、中线保护、通信保护，保证足够接地，保证接地电流的通畅。

图2 综合型防雷计量接线装置示意图

接线盒的设置如图3所示，联动式计量接线盒和用户电表之间设置防雷击的设备，当雷电发生时，处于雷击一定范围内的导体由于电磁场的作用而产生过电压，便可通过联动式计量接线盒导通避雷器，将电荷导入到地面，保证设备的安全。

图3 联动式计量接线盒接入示意图

结束语：雷击对于智能电表的危害较大，本文对于极端天气下的电能表的防雷措施做了全面的分析，提出一种基于联动式计量接地线盒从而提高电能计量装置的安全运行，提高电力的系统安全性。