随着电力系统容量的增加和自动化水平的不断提高,农电系统的众多县级电力局已使用了相当数量的计算机、RTU和其他微电子设备。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。尽管有些电力调度自动化系统采取了一定的防雷措施,但仍常出现雷害事故,其原因何在?正确而全面的防雷措施是什么?这些都是本文要探讨的。
2微电子器件耐冲击水平与TVS管特性
  微电子器件中TTL数字电路的抗冲击能力最弱,10V、30ns脉宽的冲击电压可使TTL电路损坏;雷电流产生的磁场达0?07×10-4T时可使微电子器件误动,无电磁异蔽时即使雷电流通道远在1km处,也可能使微电子设备误动。为使微电子器件遇雷击时不致损坏,有效的办法是选用新型保护器件——TVS管。
TVS管即瞬态电压抑制器。当其两极受到反向瞬态高能量冲击时,它能以10-12s量级的速度,将两级间的高阻抗变为低阻抗,吸收高达数千瓦的浪涌功率,使两极间的电压箝位于一个预定值(一般小于2倍额定工作电压),有效的保护电子电路中的精密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级管相同,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管的电流,由原来的反向漏电流ID上升到IR(25℃下,IR=1mA)时,其两极呈现的电压由额定反向关断电压Uoff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,其两极的电压被箝位到预定的最大箝位电压Uc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(10-12s级)、瞬时吸收功率大(数千瓦)、漏电流小(10-9A级)、击穿电压偏差小(±5%UBR与±10%UBR两种)、箝位电压较易控制(箝位电压Uc与击穿电压UBR之比为1.2~1.4)、体积小等。它对保护装置免遭静电、雷电、操作过电压、断路器电弧重燃等各种电磁波干扰十分有效,可有效地抑制共模、差模干扰,是微电子设备过电压保护的首选器件。
3电压与UPS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骤升高,从而导致UPS及后接设备损坏。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,可靠有效的防雷方法是采用四级保护。每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,使输出的箝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载波机过电压保护
  载波机遇雷击易损坏的部分通常为电源盘、用户话路盘及高频电路盘。高频电路盘上通常装有放电管,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需要在保护装置设计上精心考虑,使之在两种不同电压下均能有效的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,外置保护模块应设计考虑得周全一些。
  为取得好的效果,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,其具体要求如表1所示。
通信调度综合楼的通信站应与用一楼内的动力装置共用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,形成等电位法拉第宠。设备对屏蔽有较高要求时,机房六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杆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;对于既有铠带又有屏蔽层的电缆应将铠带及屏蔽层同时接地,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,铁管两端应良好接地。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综合性防雷措施
  为避免雷害,对电力调度自动化系统,应采取“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金属氧化物避雷器,并三点联合接地。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。
7结论
  严格按防雷接地规程办事,应用新技术新装置,采取综合性的防雷措施是确保县级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置的耐雷水平提高10倍以上。