農(nóng)村電網(wǎng)智能電表系統(tǒng)雷電災(zāi)害深入實(shí)踐

蔣 嶸 施 晰 胡 敦

（國(guó)網(wǎng)金華供電公司，浙江 金華 321000）

1 試點(diǎn)情況

2012年，國(guó)網(wǎng)浙江金華市金東區(qū)永紅村智能抄表系統(tǒng)進(jìn)行了防雷浪涌保護(hù)器安裝試點(diǎn)，主要防雷方案在出線柜安裝B級(jí)電源浪涌保護(hù)器，在集抄器箱安裝C級(jí)電源浪涌保護(hù)器，在智能電表終端485端口進(jìn)行安裝信號(hào)浪涌保護(hù)設(shè)備（見(jiàn)圖1）。

圖1 農(nóng)村電網(wǎng)智能電表系統(tǒng)防雷災(zāi)示意圖

安裝情況統(tǒng)計(jì)：200組三相B電源模塊安裝出線柜，500組單相C級(jí)模塊安裝集抄器，7000個(gè)電表箱內(nèi)安裝485信號(hào)端口浪涌保護(hù)器；通過(guò)對(duì)永紅村智能電表系統(tǒng)防雷實(shí)施效果跟蹤分析，2013年整個(gè)雷雨季節(jié)仍有760個(gè)智能電表不同狀況損壞，不能準(zhǔn)確讀出數(shù)據(jù)。經(jīng)過(guò)對(duì)損壞途徑現(xiàn)象分析，由智能電表電源端口入侵過(guò)來(lái)的造成損害電表數(shù)有 515臺(tái)，其鐘，通過(guò)485端口入侵過(guò)來(lái)感應(yīng)雷電流造成損壞電表有245臺(tái)；2014年整個(gè)雷雨季節(jié)有986臺(tái)智能電表具有不同狀況的損壞；經(jīng)過(guò)分拆電表并根據(jù)其損壞路徑分析，通過(guò)智能電表電源端口入侵過(guò)來(lái)的造成損害電表有624臺(tái)，通過(guò)485端口入侵過(guò)來(lái)的感應(yīng)雷電流造成的損壞電表有362臺(tái)。

通過(guò)兩年來(lái)試點(diǎn)情況統(tǒng)計(jì)分析，現(xiàn)有智能電表系統(tǒng)防雷方案實(shí)施效果不能完全滿足要求：現(xiàn)有防雷方案在總配電柜側(cè)安裝一級(jí)電源SPD，大多數(shù)電表集抄器以及終端電表分別安裝少量電源及485信號(hào)端口浪涌保護(hù)器；由于總配和集抄器在戶外，架空后經(jīng)過(guò)一段距離才到戶表?，F(xiàn)有總配設(shè)置B級(jí)，C級(jí)電源SPD對(duì)集抄器或進(jìn)戶電表起不到很好的防雷保護(hù)作用，并且終端智能電表只對(duì)485線端口做了電涌保護(hù)，而相線或中心線未作電涌保護(hù)，這也是無(wú)濟(jì)于事的。因從同一條電纜中架空過(guò)來(lái)的相線、中心線以及通信線在發(fā)生閃電時(shí)都會(huì)感應(yīng)基本相同的過(guò)電壓，必須同時(shí)限壓，否則，信號(hào)SPD將信號(hào)線上的電壓限制了，但會(huì)造成相線和中心線電位遠(yuǎn)大于485通信線電位，由于電表中距離非常近而發(fā)生放電現(xiàn)象損壞電表。由于沒(méi)有考慮綜合采取防雷措施，全面安裝 SPD,電表中的絕緣隔離距離又不夠，很有可能發(fā)生從電源端口竄過(guò)來(lái)的橫向過(guò)電壓（二次放電）損壞485通信接口。針對(duì)此現(xiàn)狀，新開(kāi)發(fā)一款具有電源端口及485信號(hào)端口二合一浪涌過(guò)壓保護(hù)器產(chǎn)品。

2 村鎮(zhèn)智能電表系統(tǒng)防雷新對(duì)策

2.1 電涌保護(hù)器實(shí)現(xiàn)

眾所周知，隨著 21世紀(jì)電子設(shè)備越來(lái)越精密化，所用電子器件越來(lái)越小，對(duì)抗干擾度的能力越來(lái)越弱，一般的電子設(shè)備內(nèi)部通信接口在未加裝外置電涌保護(hù)設(shè)備的情況下，一般都不能達(dá)到ITU組織（國(guó)際電信聯(lián)盟）所規(guī)定的的抗擾度要求，極易遭到損壞。同樣，在我們智能電表的RS485信號(hào)線路接口以及電源 L，N線路端口一旦線路上感應(yīng)產(chǎn)生雷電過(guò)電壓或遭直接雷擊，極容易干擾設(shè)備或損壞設(shè)備。所以需要在智能電表接各進(jìn)出線路接口處須安裝防雷浪涌保護(hù)器，由于SPD的限壓的作用，智能電表系統(tǒng)各設(shè)備的進(jìn)出線路接口電壓將被限制在耐受沖擊電壓值以下，從而保護(hù)智能電氣系統(tǒng)或設(shè)備免遭損壞。

根據(jù)試點(diǎn)情況評(píng)估結(jié)果分析，若需要對(duì)智能電表設(shè)備進(jìn)行綜合保護(hù)，除了該有的接閃，均壓，屏蔽等措施之外，在每根RS485信號(hào)端口及每根相線、中心線和通信線在電表箱內(nèi)設(shè)備前端都要安裝SPD如圖 2所示。為此專門(mén)設(shè)計(jì)了一款針對(duì)入戶表相220V電源加485信號(hào)二合一浪涌保護(hù)器。此款二合一浪涌保護(hù)器安裝智能電表；此外，針對(duì)集抄器端浪涌保護(hù)設(shè)計(jì)了380電源485信號(hào)二合一浪涌保護(hù)器產(chǎn)品，以達(dá)到對(duì)采集器的浪涌保護(hù)。

圖2 農(nóng)村電網(wǎng)智能電表系統(tǒng)防雷災(zāi)示意圖

2.2 電源信號(hào)二合一浪涌保護(hù)器產(chǎn)品設(shè)計(jì)

智能儀表的通信通道大致分為兩條，一條為電源端口傳輸通道，另一條通道為485信號(hào)線路通道。智能電表的電源端口及信號(hào)線路端口的微電子器件耐沖擊電壓水平低，極易受到雷電波入侵。因此，有針對(duì)性的設(shè)計(jì)接口電涌保護(hù)電路或加裝線路電涌保護(hù)器，減小雷電感應(yīng)過(guò)電壓對(duì)智能電表系統(tǒng)的干擾和破壞，已成為智能電表電源接口及RS 485接口防雷保護(hù)，加強(qiáng)設(shè)備可靠性的必要措施。

根據(jù)GB 18802.1等針對(duì)電源浪涌的需進(jìn)行多級(jí)保護(hù)分級(jí)泄放的防護(hù)原則，需要在配電柜集抄器處安裝相對(duì)于采集器端上一級(jí)的380三相電源浪涌保護(hù)器，在入戶端采集器安裝單相的第二級(jí)電源浪涌保護(hù)，達(dá)到電源線路二級(jí)浪涌的泄放，使進(jìn)入到設(shè)備的殘壓達(dá)到設(shè)備允許的范圍之內(nèi)；另外針對(duì) 485信號(hào)通道防雷設(shè)計(jì)，產(chǎn)品線路上設(shè)計(jì)采購(gòu)共模差模二級(jí)設(shè)計(jì)，以滿足泄流和限壓的要求，如圖3所示。

圖3 485控制+單相電源二合一防雷器電氣原理圖

1）產(chǎn)品設(shè)計(jì)原理

產(chǎn)品電氣原理圖如圖4所示。

圖4 485控制+三相電源二合一防雷器電氣原理圖

2）實(shí)驗(yàn)分析（1.2/50μs組合波沖擊測(cè)試分析）

我們選取波形為 1.2/50μs的開(kāi)路電壓波和8/20μs短路沖擊電流波（幅值為 4kA）的組合波對(duì)試品SPD的L-PE及信號(hào)A-B間進(jìn)行沖擊測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果其殘壓波形及電涌電流波形如圖5所示。

圖5 L-PE間殘壓、電涌電流

圖2中，左邊測(cè)試通道為電壓通道波形，右邊測(cè)試通道為電流通道波形。殘壓波形前端脈沖是放電管放電導(dǎo)通階段，也叫共模對(duì)地放電過(guò)程；之后為瞬態(tài)抑制二極管限制電壓的過(guò)程，也叫差模保護(hù)。圖中可看出實(shí)際沖擊電流幅值為4.89kA，殘壓值約為 28.8V。共模保護(hù)及差模保護(hù)相互配合，依次啟動(dòng)；共模保護(hù)進(jìn)行大電流的泄放，差模保護(hù)進(jìn)行電壓的鉗制，使流過(guò)的過(guò)電壓在智能電表保護(hù)范圍之內(nèi)。電源 L，N在 5.13kA沖擊電流幅值下，L-PE殘壓值約637V，共模保護(hù)（線對(duì)地）殘壓值限制在637V左右，一般L-PE的瞬間脈沖電壓的電磁抗擾度遠(yuǎn)大于637V以上，所以L、N電源線接口將受到電涌雷擊的保護(hù)。

2.3 新方案實(shí)踐結(jié)果分析

在2015年5月期間在國(guó)網(wǎng)浙江金華婺城區(qū)金西供電所所轄一小片區(qū)，在集抄器中安裝有200臺(tái)三相電源信號(hào)二合一浪涌保護(hù)器，在智能電表終端安裝有1400臺(tái)220V電源信號(hào)二合一防雷器；從最近5月，6月，7月的雷雨天氣來(lái)分析，效果非常明顯。

1）安裝前后對(duì)比。安裝前有被雷擊損壞智能電表及集抄器概率有40%左右，安裝后除了有一個(gè)集抄器打壞之外，其它地方無(wú)一損壞，直接降至0.1%左右。并且損壞的集抄器主要原因是在高鐵線路雁沿線下面的空曠地帶，其受雷擊的概率非常大，那一片共四個(gè)集抄器，沒(méi)有安裝浪涌保護(hù)器之前每次雷擊，集抄器100%雷擊損壞；安裝后只有一臺(tái)出現(xiàn)問(wèn)題，直接降到25%。

2）安裝片區(qū)與未安裝片區(qū)對(duì)比。安裝過(guò)片區(qū)跟沒(méi)有安裝片區(qū)相差非常大；安裝片區(qū)終端電表沒(méi)有一臺(tái)受到雷擊損壞，未安裝片區(qū)第一次雷擊打壞400多臺(tái)智能電表，在經(jīng)過(guò)批量換表后，第二次雷擊又損壞800多臺(tái)智能電表；而已安裝片區(qū)二次雷擊未有一臺(tái)智能電表?yè)p壞。

由此可見(jiàn)，新方案中采用的在總配電柜中安裝一級(jí)電源防雷保護(hù)器，集線柜中安裝三相電源信號(hào)二合一浪涌保護(hù)器，智能電表終端安裝 220V電源信號(hào)二合一浪涌保護(hù)器這種三級(jí)保護(hù)，并且電源信號(hào)同時(shí)防護(hù)的方案效果是非常明顯的，值得進(jìn)行推廣實(shí)施。

3 結(jié)論

對(duì)農(nóng)網(wǎng)電力設(shè)施和智能電表防雷災(zāi)害而言，在具有良好的滿足要求的接地進(jìn)行等電位連接的情況下，智能電表以及集抄器的雷擊損壞主要是通過(guò)RS485信號(hào)線路及電源端口的 L、N線路的感應(yīng)雷擊；所以需要通過(guò)對(duì)電表485線端口做電涌保護(hù)，以及相線或中心線也就是電源端口電涌保護(hù)將導(dǎo)致橫向放電進(jìn)行分流及電壓鉗制。本文所述 220V電源信號(hào)二合一保護(hù)器以前 380V電源信號(hào)浪涌保護(hù)器正是可以滿足分級(jí)保護(hù)及電源信號(hào)同時(shí)保護(hù)的要求；總的來(lái)說(shuō)，一個(gè)比較完整的防雷保護(hù)措施需要將接閃、分壓、屏蔽、接地、等電位、電涌保護(hù)等防雷技術(shù)綜合應(yīng)用才能更好衡量防雷效果，確保設(shè)備雷擊系統(tǒng)安全。

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