变电站自动化设备通讯接口的防雷保护探讨

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1、变电站自动化设备通讯接口的防雷保护探讨黄溥涛（广东电网有限责任公司惠州供电局广东惠州516001）摘要：雷电对于变电站综合自动化设备的安全与稳定运行危害极大,充分认识雷电损伤效应及其传播途径对变电站综合自动化设备防雷意义重大。文中主要分析了雷电的静电感应和电磁感应造成损伤的原理,给出了相应的防雷器件的选型和防雷模块的设计方案，并依照实际使用经验给出了其它一些防雷措施以供提升变电站自动化设备通讯接口整体的防雷水平。关键词：雷电;通讯接口;电涌保护器0前言目前国内运行中的变电站综合自动化设备的通讯接口主要釆用R

2、S232、RS485/422、CANBUS、LAN等。其中RS232、RS485等串口通讯方式接口以其结构简单、调试方便、通讯可靠等优点而得到广泛应用。然而，几乎所有的RS232、RS485接口对于浪涌、瞬变等的防护仅限于静电放电ESD保护一级,对于雷电损伤则无能为力。木文通过对雷电损伤机理与雷电干扰通路的分析，提出了加装电涌保护器SPD及其它处理措施，以提高变电站综合自动化设备通讯接U的综合防雷水平。1雷击损伤机理的探讨雷电可能产生直接效应和间接效应，其中直接效应含热效应、机械效应、冲击波效应和火化效应。

3、由于变电站自动化设备大多位于主控室或开关室内，有金属机箱和机柜保护,且周围有较好的接地屏蔽网，因此这些效应对变电站自动化设备通讯接U的雷电问题影响不大，而雷电的间接效应分为静电感应、电磁感应等,这是变电站自动化设备通讯接口被雷击破坏的主要原因。1.1静电感应地电流浪涌是伴随雷击的电荷中和过程同时发生的，参与中和的电荷从四面沿着或贴近地表面由感应区向雷击点运动，从而完成冋击过程的电荷输送。雷电阴影区内所有埋藏在地面以下的导体将为中和电荷的运动提供低阻抗路径，同吋在这些导体上会出现与浪涌电荷有关的浪涌电压，浪涌

4、电压的大小同导体与联系点的距离有关。即使是埋地的屏蔽电缆，在电缆内导体上也会由于屏蔽层上流经浪涌电流而产生较大的感应电压。另一种静电感应现象发生在架空输电网和电信电缆等金属长导体上。在雷击发生前，地面上所有架空导线因为处于静电场之中而带有大量的、与电荷阴影区极性相同的被束缚电荷。当下行先导接近地面和物体吋产生冋击放电，主放电通道的电荷迅速中和。这时架空导线上的电荷就可以自由运动，产生的高电压沿导线以近光速的速度向导线两端传播，或沿最低阻抗路径入地。通常称这种高电压为感应过电压，它是一种静电脉冲波。以埋地电缆

5、为例,当外围屏蔽层上的感疲电压与内部芯线之间的电位差超过绝缘介质的击穿阈值时，就会产生局部放电，对设备造成干扰或损坏。在变电站中，静电感应雷击造成的损伤主要体现在由地线向电源线或通讯线的反击上。所以，如何设计设备的接地方案至关重要。1.2电磁感应当云地之间的雷电冋击通道形成以后，整个通道就是一个电阻极低的导电通路。伴随着冋击过程的进行，数量巨大的电荷从云中输送到地面或从地面输送到云中。雷电流从零开始上升，上升速率与冋击通道阻抗、云中电荷分布以及地质条件有关。冋击产生的效果就像一个巨大的行波天线产生强烈的雷电

6、磁脉冲(LEMP)。因此,LEMP可以传播很远的距离，影响很广的区域。从世界各地测量得到的数据来看，雷电流的上升速度显著不同，变化范围可达几个数量级，最高可达510kA/μs,平均上升速率也在100kA/μs左右。对在LEMP环境下运行的电力电子系统，电磁脉冲能量以辐射或传导等方式进入系统。雷电磁脉冲能量通过上述各种耦合途径进入系统后，加至设备的输入、输出端U,在元器件上产生感应电压和感应电流。一旦感应电压和感应电流超过该元器件的损伤阈值，轻则使系统的正常运行受到干扰，重则造成元器件的永久性损伤

7、,使设备停止运行或损坏。通常情况下,LEMP通过架空电线、电缆的耦合途径进入系统的干扰和损伤更为严重。由于LEMP占冇很宽的带宽，而且大部分能量集中在低频段。因此,它对普通的屏蔽材料仍具有很强的穿透力。许多计算和测量结果表明，对暴露的LEMP近场中十几米长的架空电缆尽管采取了通常的屏蔽措施，在电缆内导体终端负载上也可能产生几伏到十几伏的感应电压。按照安培环路定律估算,距离无屏蔽的计算机800m处出现一个100kA的雷击，计算机就会发生误动作;距离无屏蔽计算机83m处落雷，计算机就被永久性损坏。实验结果说明:

8、如果计算机没奋任何屏蔽措施，所冇芯片和电路直接暴露在外界电磁场中，所受影响更加严重。现代计算机虽然具有较好屏蔽效果的机壳，但在瞬态磁场强度达到一定值吋，仍会发生误动作、死机等现象。变电站综合自动化设备高度集成化造成设备的耐过压、耐过流的能力下降。雷电过电压对综合自动化设备的影响可分为以下几类：（1）损坏元器件一一雷电过电压烧坏半导体PN结;一一损坏元件的金属镀层;——烧毁PCB（printedcircuitboa