電力自動(dòng)化設備的浪涌電壓保護

一、前言
隨著(zhù)自動(dòng)化水平的不斷提高,這些電子設備以大規模集成電路為主的組成格式，芯片體積越來(lái)越小，功能越來(lái)越強，而耐過(guò)電壓水平卻直線(xiàn)下降。由于各種原因造成的浪涌電壓已成為破壞電力自動(dòng)化設備的最主要因素。電力自動(dòng)化設備過(guò)電壓保護的基本措施包括建筑物一次防雷、設備的良好接地、等電位聯(lián)結、屏蔽以及在電子設備端口安裝浪涌保護器（SPD）等。下面針對浪涌電壓保護作一簡(jiǎn)單介紹。

二、浪涌電壓的分類(lèi)

1、雷電過(guò)電壓與操作過(guò)電壓
（1）雷電是自然界發(fā)生的極為強烈的電磁暫態(tài)過(guò)程。主要通過(guò)兩個(gè)個(gè)渠道對電力自動(dòng)化設備產(chǎn)生影響。一是雷電直接擊中變電站或調度中心的避雷針、避雷線(xiàn)，產(chǎn)生的瞬變電磁場(chǎng)對周?chē)臻g范圍的電子設備的電磁作用，對封閉的金屬回路產(chǎn)生壓電流，對開(kāi)口的金屬回路產(chǎn)生感應電動(dòng)勢。由于雷電電磁脈沖的作用十分強烈，感生的電壓可能很高。經(jīng)地線(xiàn)泄放入地的雷電流引起地網(wǎng)電壓升高，在接地系統中各接地點(diǎn)間產(chǎn)生很大的電壓差，它們都可能對自動(dòng)化設備造成干擾，輕則影響正常運行，嚴重的則會(huì )引起設備損壞。二是雷電在線(xiàn)路上空的雷云之間放電，或對線(xiàn)路附近的大地放電，都會(huì )使線(xiàn)路因電磁感應產(chǎn)生雷電沖擊波或浪涌電壓，這種沖擊波會(huì )沿著(zhù)線(xiàn)路入侵到與之相連拉電力自動(dòng)化設備，造成工作錯誤或設備損壞。若雷電直接擊中線(xiàn)路時(shí)，產(chǎn)生的浪涌電壓更為強烈，危害更大。
（2）電力系統操作過(guò)電壓是指電力系統中的故障和操作導致暫態(tài)振蕩而產(chǎn)生的過(guò)渡過(guò)程過(guò)電壓。操作方式和故障形式的多樣性決定了操作過(guò)電壓的不同類(lèi)別，主要有：中性點(diǎn)不接地系統中的弧光接地過(guò)電壓，空載線(xiàn)路的合閘過(guò)電壓，空載線(xiàn)路、空載母線(xiàn)和電容器分閘時(shí)的開(kāi)斷電容負載過(guò)電壓，空載變壓器、電抗器和電動(dòng)機分閘時(shí)的開(kāi)斷電感負載過(guò)電壓等等。

2、差模干擾和共模干擾
根據浪涌電壓對設備干擾的作用方式不同，可分為差模干擾和共模干擾。
（1）差模干擾是出現于回路（如信號線(xiàn)或電源線(xiàn)的兩條線(xiàn)）中與正常信號電壓相串聯(lián)的干擾。差模干擾Edm出現在電路往返引線(xiàn)L1、L2之間，它與有用信號（源電動(dòng)勢）Es相串聯(lián)，在受端設備Z上疊加一干擾分量。在電力自動(dòng)化系統中，這種疊加在有用信號上的干擾分量可引起測量誤差或控制誤動(dòng)等不良好后果。
（2）共模干擾是出現于回路與規定參考點(diǎn)（通常是地或機殼）之間的電磁干擾。Ecm使整個(gè)電路對參考點(diǎn)的電位一起升高，共模干擾Ecm在電路中不直接形成與有用信號Es相串聯(lián)的干擾電壓，但較強的共模干擾有可能使電路對地絕緣承受較高的電壓而導致閃絡(luò )或擊穿，造成“反擊”事故。另外，由于往返引線(xiàn)阻抗不對稱(chēng)，共模干擾可全部或部分轉化為差模干擾，需加以防范。
不管是差模干擾還是共模干擾，只要它們的干擾強度足夠大，不僅會(huì )影響設備的正常運行，嚴重時(shí)更會(huì )直接損壞設備。由于它們對設備的作用方式不同，抗干擾的措施出有所不同。
3、浪涌電壓保護機理
浪涌電壓保護的基本要求是：在電路沒(méi)有干擾時(shí)，不影響設備的正常運行；工作電路中一旦有浪電壓侵入時(shí)，將浪涌電壓抑制在設備可接受的閾值范圍內，保證設備有受到浪涌干擾時(shí)的正常運行，并且防止電路元器件和系統的損壞。從電路聯(lián)接關(guān)系的角度來(lái)看，保護的方式有兩種，一是將設備從受干擾的工作電路中斷開(kāi)，二是給浪涌電壓提供泄放通道，最終使浪涌電壓不作用到被保護的設備上。由于保護器件在系統正常工作和浪涌干擾時(shí)所表現出的電氣性能完全不同，保護器件的伏安特性必須具有強烈的非線(xiàn)性特征。而對于一般的元器件，其電阻基本不隨運行工況的改變而變化，其伏安特性表現出良好的線(xiàn)性特征。
有一類(lèi)元件，當其兩端電壓差在正常范圍內時(shí)，電阻很大，幾乎沒(méi)有電流通過(guò)；一旦元件兩端電壓差增大到一定的門(mén)檻值時(shí)，電阻迅速減少，幾乎為零。利用這類(lèi)元件可以做成并聯(lián)型浪涌保護器，從而保護了設備。實(shí)際上，浪涌侵入時(shí)保護器不可能完全呈短路狀態(tài)，兩端電壓也不可能達到零，只能達到一個(gè)較小的值，稱(chēng)作箝位電壓，只要這個(gè)箝位電壓小于被保護設備的安全電壓，就能有效地保護設備。
另外有一類(lèi)元件則具有相反的非線(xiàn)性特征，在正常工作電壓下，電阻幾乎完全為零，當控制電壓（信號電壓或電源電壓）達到一定的門(mén)檻值時(shí)，元件馬上呈現出很大的電阻值，利用這類(lèi)元件可以做成串聯(lián)型浪涌保護器。由于其呈現出高阻態(tài)，電路相當于斷開(kāi)，使被保護設備免遭浪涌電壓的侵入。

不同干擾模式的保護方案
干擾方式
并聯(lián)型
串聯(lián)型
共模干擾

分別并聯(lián)于設備兩端和地之間
分別串聯(lián)于設備的兩端子入口處

差模干擾
并聯(lián)于設備兩端
分別串聯(lián)于設備的兩端子入口處

目前用于浪涌保護的器件有四種：
（1）二極管瞬變電壓抑制器（TVS），電流調節能力強，工作電壓和箝位電低，響應速度快，用于保護400V以下的低壓電路，能承受50~500A的浪涌電流，有串聯(lián)型和并聯(lián)型兩種，是電路板保護和理想器件。
（2）金屬氧化物變阻器（壓敏電阻）， 響應速度比TVS管慢，但通流量大于TVS管，可保護電壓低于20 kV的設備，常用于電源保護回路。
（3）氣體放電管或放電火花間隙，是一個(gè)充有惰性氣體的密封式火花間隙，當兩端出現超過(guò)其保護電壓的干擾時(shí)，一小段延時(shí)后間隙被擊穿變?yōu)榈妥杩?，通流量大?gt;20Ka），保護電壓可達10kV，適合信號保護回路使用。
（4）固體放電管，是基于晶閘管原理和結構的一種二端負阻器件，響應速度快，無(wú)限重復，功耗小，起動(dòng)電壓為5~500V，瞬間沖擊電流可達50~3000A，適用于保護電子元器件。
這四類(lèi)器件的性能各有優(yōu)缺點(diǎn)，通過(guò)配合使用才能達到最佳效果。

4、浪涌保護的實(shí)際應用
所有保護器件都涉及功率問(wèn)題，如果浪涌功率太大，單靠一級保護很難徹底完成保護功能，應采用多級的串級保護方案。高能量的浪涌保護器（避雷器）安裝在建筑物的入口處，以泄放浪涌能量的主要部分；低能量的SPD（抑抑器）安裝在靠近被保護設備處，將浪涌電壓箝位到設備的安全電壓。對于這樣的保護方案，在避雷器和抑制器之間需要有一定的配合，包括各元件的箝位電壓、響應時(shí)間、通流容量和它們之間的波阻抗，這種配合間隙有時(shí)不是很容易解決。對一些安全電壓水平低，又可能受高浪涌電壓干擾的設備，則最好采用內置二級保護的浪涌保護器。
實(shí)際系統中，影響自動(dòng)化設備的干擾既有共模干擾又有差模干擾，并且往往是兩者同時(shí)發(fā)生，因此實(shí)用的浪涌保護器必須能同時(shí)抑制共模干擾和差模干擾。浪涌能量最終通過(guò)保護器泄放入地，因此保護器的可靠接地至關(guān)重要。當前，國內外標準基本上趨于一致，從人身、設備安全和抗干擾的角度考慮，變電站或調度中心內的所有自動(dòng)化設備都應采用共用接地系統，并且一般情況下設備的信號地和保護地在其就聯(lián)在一起，這樣保護器只需要提供一個(gè)地，無(wú)須將信號地和保護地分開(kāi)。
用于電力自動(dòng)化設備的浪涌保護器主要有電源保護型和信號保護型兩大類(lèi)。
（1）電源接口浪涌保護器：廣泛用于設備的電源進(jìn)線(xiàn)端口，分為交流和直流兩種類(lèi)型，工作電壓通常有AC220V，DC220V和DC110V。電源保護的主要作用是防止浪涌電壓從電源供入端侵入設備，將浪涌能量通過(guò)電源保護器轉化為電流的形式通過(guò)地線(xiàn)釋放到大地中，使電源電壓維持在一定的范圍內。
（2）信號接口浪涌保護器：有用于調度中心和廠(chǎng)站端的模擬通道、數字通道接口浪涌保護器，有用于計算機和外圍設備RS-232接口、RS-422/485接口的浪涌保護器，有用于廠(chǎng)站端載波機接口的浪涌保護器，有用于調度中心、微波站天線(xiàn)引下線(xiàn)的浪涌保護器，還有專(zhuān)門(mén)用于計算機網(wǎng)絡(luò )電纜的浪涌保護器。 信號保護器與電源保護器的工作原理基本相同，但是信號線(xiàn)上傳送的信號微弱，工作頻率高。保護器不應造成影響信號正常工作的衰變或畸變，所以信號保護器應選用通流容量大、極間電容小的元器件。
浪涌電壓保護的基本原理是在過(guò)電壓發(fā)生的瞬間，在被保護區域內的所有金屬部件之間實(shí)現等電位。對一個(gè)具體的設備而言，則要求設備的所有外部端口之間實(shí)現等電位，以保證設備內部所有元器件之間沒(méi)有電壓差，免遭浪涌侵害。根據IEC的定義，端口是指設備與外界電磁環(huán)境的和特定界面，包括機箱端口、電源端口、信號端口和接地端口。

5、結論
電力自動(dòng)化設備的防雷工作是一項復雜的系統工程，除了本文介紹的浪涌電壓保護以外，還可以將安裝有自動(dòng)化設備的變電站和調度中心做成“籠”式避雷系統，做好建筑物的一次防雷工作，內部所有導體都做成等電位聯(lián)結，不能直接聯(lián)結時(shí)可以通過(guò)浪涌保護器聯(lián)結，所有設備共用一個(gè)接地系統，并將設備和線(xiàn)路合理布置和屏蔽，盡可能減小輻射干擾對設備造成的影響。