电力调度自动化设备防雷研究
北极星电力网技术频道
作者:电力论文3
2007/12/24 18:43:29
摘要本文介绍微电子器件耐香水平，新型防雷器件TVS管和固态放电管的特性，过电压保护器的四级保护，防雷接地与屏蔽的有关要求，电力调度自动化系统综合防雷措施及其实用效果。
关键词电力系自动化防雷措施
l前育
随着电力系统容量的增加和自动化水平的不断提高，电力调度自动化系统已使用了相当数量的计算机。RTU和其他微电子设备。县级电力调度及其变电站由于所在地土壤电阻率较高或地处山区等，其地网的接地电阻往往很难达到规程的要求，其防雷工作更要加强。由于一些微电子器件工作电压仅几伏，传递信息电流小至微安级，对外界的干扰极其敏感，而雷电流产生的瞬变电磁场对微电子设备的干扰和损害尤为严重。在雷雨季节，有的县电力局调度大楼和电力局所属自动化显示系统、通信联络系统（Modem、载波机、程控交换机等）等常常损坏，造成较大的直接和间接经济损失，影响当地电力系统的正常调度、工农业生产和人民的日常生活。尽管有些电力调度自动化系统采取了一定的防雷措施，但仍带出现雷害事故。本文通过在几个县级电力调度自动化系统防雷的实践，提出县调自动化设备防雷的简单而有效的措施。
2微电子器件耐冲击水平与TVS管和固态放电管特性
微电子器件中TTL数字电路的抗冲击能力最弱，12．SV、30us脉宽的冲击电压可使TTL电路误动甚至损坏；雷电流产生的磁场达0．07GS时可使微电子器件误动［l］，无电磁屏蔽时即使雷电流通道远在Ikm外，也可能使微电子设备误动［2］。
对电子装置防雷，以前的做法是选用压敏电阻（氧化锌迅雷器——MOA）保护，一般选用MOA的直流lmA电压UImA为被保护器件工作电压的2．2倍至2．5倍。通雷击时，MOA的残压达UImA电压的2倍左右，即压效电阻的残压约为被保护器件工作电压的4．4－5倍。对TTL电路其工作电压为SV，用MOA保护，遇雷击时器件上的残压约为44xSV二22V，此已远远大于12．SV、30us的受损水平标准雷电压波头为1．2us）。更何况目前市场上能买到的直流lmA电压最小的压敏电阻UImA＝15V。可见压敏电阻不能使TTL器件免遭雷害！为使微电子器件遇雷击时不损坏，有效的办法是选用新型保护器件——TVS管或固态放电管。
TVS管即瞬态电压抑制器。当其两极受到反向瞬态B高能量冲击时，它能以（l－00）X10－12S量级的速度，将其两极间的高胆抗变为低阻抗，吸收高达数千瓦的浪涌功率，使两极间的电压嵌位于一个预定值（一般小于2·5倍额定工作电压），有效的保护电路中的元器件免受各种浪涌脉冲的破坏。
TVS管的伏安特性如图1所示。其正向特性与普通二极管相同，反向特性为典型的PN结雪崩器件。在瞬态脉冲电流的作用下，流过TVS省的电流，由原来的反向漏电流ID。上升到IR（25℃下，IR二lmA）时，其两极呈现的电压由额定反向关断电压UBR上升到击穿电压UBR，TVS管被击穿。随着峰值脉冲电流的出现，流过TVS管的电流达到峰值脉冲电流IPP，其两极的电压被给位到预定的最大精位电压Ue以下。其后，随着脉冲电流按指数衰减，TVS管两极电压不断下降，最后恢复到起始状态，这就是TVS管抑制出现的浪涌脉冲功率，保护电子元件的过程。
TVS管的显著特点为：响应速度快（ps级）、瞬时吸收功率大（数千瓦）、漏电流小（nA级）、击穿电压偏差小（土5％UBR与土10％UBR两种）、箝位电压较易控制（箝位电压队与击穿电压Uc。之比为l．2一．4）、体积小等。它对被保护装置免遭静电、雷电、操作过电压、开关打火等各种电磁波干扰十分有效，可有效地抑制共模、差模干扰。
固态放电管是基于可控硅（亦称晶闸管）的原理和结构的一种三端负阻器件。用于保护敏感易损的集成电路，使之免遭雷电和操作波的冲击。其所具有的精确导通电压。
上千安的通流容量、快速响应和极小的极间电容，使其成为通信设备防雷保护的重要器件。固态放电管的工作状态如同一个开关，如日2所示。
在断开状态下，其漏电流IDRM极小，不影响保护电路的工作。当瞬间过电压超过其断态峰值电压UDRM时，产生瞬间雪崩效应，一旦瞬间电流超过开关电流IS，其电压即降为UT（约5V），瞬间涌电流就此旁路而保护了并联的敏感电子器件。浪涌之后，当到电流降到最小维时电流IH以下，固态放电管自然恢复，回到其断开状态。
3电源与UPS的过电压保护
感应雷或沿电源线进入室内的雷电侵入波会使电源电压急聚升高，从而导致UPS及其后接设备损坏。有些UPS中尽管装有压敏电阻，但还是很难保护自己及后接微电子设备。
对电源装五，可靠而有效的防雷方法是采用四级保护。第一级用三极气体放电管，将大的雷电限制到后续保护系统可允许的范围；第二级用限流模块；第三级用压敏电阻；第四级用TVS管．使输出的箱位电压达到规定的要求。采用上述四级保护后，UPS或被保护电源一般不会因雷击而损坏。
4油机过电压保护
载波机遇雷击易损坏的部分通常为电源盘、用户活路盘及高频电路盘。高频电路盘上通常装有压敏电阻，具有一定的耐雷水平；电源部分可采用上述电源过电压保护方式；用户话路盘由于铃流电压与通话电压不一致，来要在保护装置上扭已考虑，使之在两种不同电压下均能有效地保护用户话路部分。最好的办法是将保护器件置于载波机内，考虑到实际情况，外量保护模块应设计考虑得周全一些。
为取得很好的效果，用户话路盘、程控交换机通信线、Modem及信号线的过电压保护应采用四级保护。过电压保护器最好能同时具有保护模块失效自动报警、过电压次数自动记录、停电后记录的过电压次数不丢失等功能。
5接地电阻与屏蔽
5．1接地良好的接地是防雷中至关重要的一环。接地电阻值越小过电压值越低。因此，在经济合理的前提下应尽可能降低接地电阻，其要求如表1所示[3][4]。
A 通信调度综合楼的通信站应与同一楼内的动力装置共同接地网并尽可能与防雷接地网直接相连。通信机房内应敷设均压带并围绕机房敷设环行接地母线。
在电力调度通信综合楼内，需另设接地网的特殊设备，其接地网与大楼主地网之间可通过击穿保险器或放电器连接，以保证正常时隔离，雷击时均衡电位。 接地的其他方面均应严格按有关规程办理。
5．2屏蔽
为减少雷电电磁干扰，通信机房及通信调度综合楼的建筑钢筋、金属地板均应相互焊接，形成等电位法拉第笼。设备对屏蔽有较高要求时，机房大面应敷设金属屏蔽网，将屏蔽网与机房内环行接地母线均匀多点相连。
架空电力线由站内终端引下后应更换为屏蔽电缆；室外通信电缆应采用屏蔽电缆，屏蔽层两端要接地；对于既有销带又有屏蔽层的电缆，在室内应将错带与屏蔽层同时接地，而在另一端只将屏蔽层接地。电缆进入室内前水平埋地10m以上，埋地深度应大于0．6m；非屏蔽电缆应穿镀锌铁管并水平埋地10m以上，铁管两端应接地。若在室外人口端将电力线与铁管间加接压敏电阻，防雷效果会更好。
6综合性防密措施与应用
为避免雷害，对电力调度自动化系统，应采用“整体防御、综合治理、多重保护”的方针。除采用上述保护与接地措施外，配电变压器高低压侧均应装接氧化锌避雷器，并且高低压侧避雷器与变压器二次测中性线三点联合接地。程控交换机室外进出线、Modem等应装过电压保护器；当RTU等装置离显示屏较远时应装信号线过电压保护器。根据上述原理和方法，我们在多雷区——湖北省通山县电力局与安陆市电力局等单位进行了防雷措施实施。除进行适当的地网改造外，在易受雷击的设备前安装了载波机过电压保护器、电源过电压保护器、过电压保护器、信号线过电压保护器。通过两年的实际运行考验，凡按们提出的防雷接地要求进行改造且安装了过电压保护器的被保护装置均安然无恙。整个县级电力调度自动化系统由每年雷击至使调度设备连年受损，变为平安无事。
7结论
严格按防雷接地规程办事，应用新技术新装置，采用综合性的防雷措施是确保电力调度自动化系统极大减少雷害的重要手段。良好的接地与屏蔽并安装过电压保护器后可使被保护装装的耐香水平提高10倍以上。
（本文获优秀论文三等奖）
来源：中国电能质量
