電力通信設施過電壓防護的探討

胡全斌，吳曉良，徐幸兒，紀豐

（1.國網浙江省電力公司湖州供電公司，浙江湖州313000；2.杭州意能防雷技術有限公司，杭州310000）

電力通信設施過電壓防護的探討

胡全斌1，吳曉良2，徐幸兒1，紀豐1

（1.國網浙江省電力公司湖州供電公司，浙江湖州313000；2.杭州意能防雷技術有限公司，杭州310000）

結合電力通信設施運維的實踐經驗，介紹了電力通信設施過電壓防護裝置的檢查要點，分析了電涌保護器SPD引線長度對過電壓防護的影響、接地及等電位連接等電力通信設施過電壓防護的常見問題，探討了實時監控SPD工作狀態的可能性。

電力通信；設施；雷擊；過電壓；SPD

電力安全生產離不開通信設施，近些年電力通信設施防雷保護措施不斷完善，幾乎所有的電力通信設施都安裝了SPD（電涌保護器）。SPD在線長期運行會自然老化，一旦SPD處于劣化階段，使用ZnO壓敏材料的器件可能溫度升高，引起壓敏電阻熱崩潰，從而導致漏電流增大且防護功能失效，嚴重時可發生器件爆炸、起火；當雷擊降臨時已失去防御功能，導致通信系統設備無法正常運行。因此，對SPD性能狀態的周期性檢測并及時進行維護顯得非常重要。

1 過電壓防護設施的檢查

電力通信設施的防雷擊措施涉及面廣，如：機房均壓帶、環母、引下線連接，防靜電地板，均壓接地技術，等電位接地，室內SPD的選型、匹配、通流量、安裝位置、連接線、材料、規格、截面、連接方式、過渡電阻，防腐措施等。

室外的接地網，特別是接地體（扁鋼、角鋼等鋼材）埋設在地下，如果是偏酸性的土壤、風化石土壤和砂質土壤，腐蝕性強；如果施工時焊接不牢固、防腐處理未做到位，年久以后，接地裝置容易發生腐蝕斷開造成地網肢解。

需要對過電壓防護設施定期檢查維護，通常檢查有以下幾個要點：

（1）SPD的接線截面、長度，外觀，標識，啟動電壓，漏電流，殘壓值；

（2）室內接地與直接等電位連接性能檢查，機房均壓帶、環母、引下線連接，均壓接地電阻值與過渡電阻值；

（3）接地網檢查，開挖接地網，檢查材料、規格、截面腐蝕程度等，以及接地電阻試驗。

2 SPD引線長度的討論

日常運維中SPD的常見問題主要有：通信電源屏直流48 V電源SPD漏電流偏大，通信電源屏交流電源SPD某相模塊已遭受過過電流損壞使指示窗口變紅，少數站點SPD設置未到位，級間配合欠妥。某些交流電源SPD接線長度過長，也有交流電源SPD殘壓值超標等現象。

SPD在工作時，SPD安裝位置處的線路對地電壓限制在Up（SPD的電壓保護水平）。若SPD和被保護設備間的線路太長，電涌的傳播將會產生振蕩現象，IEC 61643-12標準指出，設備端產生的振蕩電壓值會增至2Up，即使選擇了Up≤Uw（設備耐沖擊電壓額定值），振蕩仍能引起被保護設施損壞。

振蕩保護距離Lpo是SPD和設備間線路的最大長度，在此限度內，SPD有效保護了設備。若線路長度小于10 m或者Up/f（有效保護水平）＜Uw/2時，振蕩保護距離可以不考慮。若線路長度大于10 m且Up/f＞Uw/2時，振蕩保護距離可以由公式估算：

式中：k=25 V/m。

當建筑物或附近建筑物地面遭受雷擊時，會在SPD與被保護設備構成的回路內感應出過電壓，如其過電壓疊加Up超出限制值將降低SPD的保護效果。感應過電壓隨線路長度、保護地PE與相線的距離、電源線與信號線間回路面積的尺寸增加而增大，隨空間屏蔽、線路屏蔽效率的提高而減小。

當雷電產生的磁場極強時，應減小SPD與設備間的距離。也可采取措施減小磁場強度，如建筑物（LPZ 1）或房間（LPZ 2等后續防護區域）采用空間屏蔽，使用屏蔽電纜或電纜管道對線路進行屏蔽等。當采用了上述屏蔽措施后，可以不考慮感應保護距離Lpi。

當SPD與被保護設備間的線路較長、線路未屏蔽、回路面積大時，應考慮感應保護距離Lpi，用下列公式估算：

Lpi=（Uw-Up/f）/h，（2）

式中：h=30 000×KS1×KS2×KS3（V/m）；KS1為LPZ 0/1交界處的建筑物結構、LPS（雷電防護系統）和其他屏蔽物的屏蔽效能因子，一般取0.12w（w為格柵形空間屏蔽或者網格狀LPS引下線的網格寬度）；KS2為建筑物內部LPZ X/Y（X>0，Y>1）交界處屏蔽物的屏蔽效能因子，一般取0.12w；KS3為建筑物內部布線的特性因子，按GB 50343-2012標準中表B.5.14-2的規定確定。

安裝SPD時要特別注意SPD兩端引線的長度。如有3路電源線進出通信站建筑物，防雷類別以二類考慮，最大雷擊電流為150 kA，閃電電流50%經外部防雷設施泄放，流經室內各類導體SPD的雷電流約為2/3，電源線按3線考慮再除以3，因此，首次雷擊時每個SPD通過的雷電流i1=150/2/3/3=8.33 kA，首次雷擊以后雷擊時每個SPD通過的雷電流i2=37.5/2/3/3=2.08 kA（參閱GB 50057-2010附錄F表F.0.1-3）。首次雷擊時電流平均陡度為i1/T1（波頭）=8.33/10=0.83 kA/μs（線路無屏蔽），首次后雷擊時電流平均陡度為i2/T2（波長）=2.08/0.25=8.32 kA/μs（線路無屏蔽）。當SPD兩端引線長度為1 m時（電感為1 μH/m），引線上的最大壓降達到8.32 kV（線路無屏蔽），這么大的壓降超過了SPD自身的電壓保護水平UP，也超出了被保護設備的耐壓水平UW，顯然雷擊過電壓發生時設備被損壞的風險較大。

如圖1所示，ΔU為電涌保護器兩端引線的感應電壓降，即L×（di/dt），可按1 kV/m計算；ΔU=ΔUL1+ΔUL2。

圖1 L線與等電位排間的電涌電壓

假如流經SPD兩端引線L1與L2的電涌平均陡度為1 kA/μs，引線Ф6 mm2的多股銅線L1與L2單位長度電感為L0=1.16 H/m，SPD的殘壓為1.3 kV，SPD兩端引線長度之和L1+L2=1.5 m，UAB= SPD的殘壓值+引線產生的感應電壓UL。

由于UAB=3.04 kV，大于被保護設備的耐壓（2.5 kV），設備的絕緣有可能被擊穿，導致損壞。按照規范要求SPD兩端引線之和不超過0.5 m，現為1.5 m，應予縮短。

兩端引線縮短量值為LS=（3 kV-2.5 kV）/（1.16 H/m×1 kA/μs）=0.47 m，L1+L2-LS=1.5-0.47=1.03 m，則SPD兩端引線之和必須小于1.03 m，才能滿足要求。

3 接地及等電位連接的檢查

日常運維中接地及等電位連接的常見問題主要有：個別通信電源綜合屏接地螺絲未緊固；通信機房蓄電池未接地；開挖接地極角鋼與扁鋼焊接點有個別腐蝕斷裂等。

電氣接地是保障電力通信設施正常運行、防止人身電擊事故、防止雷擊和靜電的基本措施。通信機房蓄電池未接地時，當供電線路因雷擊電磁脈沖過電壓入侵，雷擊電壓超出蓄電池絕緣耐壓而無法泄放到大地，就可能毀壞蓄電池；通信電源綜合屏接地螺絲未緊固，當供電線路因雷擊電磁脈沖過電壓入侵，將導致電氣火花，嚴重時可能毀壞設備或釀成火災事故。

假如理想的接地裝置（阻值為零）存在，那么當雷擊發生時，不論雷電流多大，接地裝置上任何一點對大地的電位都為零，則該接地系統避雷泄流百分之百。但實際上理想的接地裝置（阻值為零）是不存在的。通信站設備泄放雷擊電磁脈沖過電流依靠的是良好的接地網，如果地極角鋼或扁鋼腐蝕斷裂造成地網肢解，地網整體面積縮小、接地電阻值增大，勢必引起地電位抬升。當地電位高到反擊設備且可破壞設備絕緣時，將為時晚矣。這就需要定時檢驗、開挖驗證接地裝置是否正常，以確保接地網原設計功能。

4 實時監控的可能性

電力通信設施的SPD分散在電網覆蓋范圍內，有的設在高山峽谷，在雷雨季節被毀壞的可能始終潛在，一旦SPD無法承擔瞬態泄放過電流造成通信中斷時，只能靠人工奔赴現場查驗才能發現與分析，并進行處理。為實時監控SPD狀態，可采用雷擊參數在線監錄與SPD動態預警管理設備，雷擊參數在線監錄與SPD動態預警管理設備設置于線路SPD之間，安裝點如圖2所示，實時監測流過SPD的瞬態電流，判斷SPD失效勢態。配接無線傳輸方式，將監測、記錄到的自然閃電閃擊參數，如：閃電閃擊電流幅值、持續時間、極性（雷擊電流走向）與波形等真值參數以及SPD性能現狀，隨時傳送到數據處理中心，便于值班人員及時分析處理。

接地網靠人工定期開挖驗證，也是費時費力之舉，如果采用接地網腐蝕狀態原位檢測技術，利用接地網腐蝕狀態檢測裝置，采用腐蝕速度測量儀原位測量接地金屬的極化電阻值Rp，無需開挖，只需將傳感器插入土壤中（15 cm左右），測試引線連接在接地引下線上，便可獲得接地網金屬腐蝕速度和腐蝕狀態信息。由此，可以避免盲目的開挖檢查。

5 結語

國網湖州供電公司堅持每年定期對電力通信設施防過電壓裝置進行檢查。通過檢測可以了解防過電壓裝置及其接地網的性能狀態，分析評估存在的問題和不足，提出相應的整改措施，及時消除隱患，使其達到最佳的防雷效果。電力通信過電壓防護設施檢查、維護的自動化是今后發展的方向。

[1]GB 50057-2010建筑物防雷設計規范[S].北京：中國計劃出版社，2010.

[2]GB 50343-2012建筑物電子信息系統防雷技術規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2012.

[3]DL 548-94電力系統通信站防雷運行管理規程[S].北京：中國電力出版社，1994.

[4]DL/T 381-2010電子設備防雷技術導則[S].北京：中國電力出版社，2010.

[5]DL/T 248-2012輸電線路桿塔不銹鋼復合材料耐腐蝕接地裝置[S].北京：中國電力出版社，2012.

[6]Q/GDW 413-2010電力系統二次設備SPD防雷技術規范[S].北京：中國電力出版社，2010.

[7]蘇邦禮，崔秉球.雷電與避雷工程[M].廣州：中山大學出版社，1996.

[8]寄玉玉，王佩，張秀麗，等.接地網腐蝕狀態原位檢測技術研究[J].華北電力技術，2012（8）∶34-37.

[10]包炳生，張建敏，童杭偉，等.雷擊參數在線監錄與SPD動態預警管理——“黑匣子”研究與應用[J].自然災害學報，2011，20（3）∶125-130.

（本文編輯：楊勇）

Discussion on Overvoltage Protection of Electric Power Communication Facilities

HU Quanbin1，WU Xiaoliang2，XU Xinger1，JI Feng1
（1.State Grid Huzhou Power Supply Company，Huzhou 313000，China；2.Hangzhou Yineng Lighting Protection Technology Co.，Ltd.，Hangzhou 310000，China）

In combination with the practical experience in operation and maintenance of electric power communication facilities，this paper introduces key points in inspection of overvoltage protection devices in electric power communication facilities；it analyzes common overvoltage protection problems in electric power communication facilities such as the influence of surge protector lead wire on overvoltage，grounding and equipotential connection in detail and discusses real time monitoring probability of SPD operative mode.

electric power communication；facility；lightning；overvoltage；SPD

TM863

：B

：1007-1881（2014）05-0059-03

2013－09-27

胡全斌（1955－），男，浙江湖州人，技師，主要從事電力通信工作。