計量終端雷擊分析及防護措施研究

龔大江，常 強，吳洪學，王 勇，楊草田

（1.貴州電網有限責任公司遵義供電局 供電服務中心，貴州 遵義 563000；2華立科技股份有限公司，浙江 杭州310000）

0 引 言

亞熱帶濕潤季風氣候地區，雷雨較多，近年來，現場使用的計量終端在雷雨季節遭受雷擊而損壞的現象時常發生[1]。貴州電網統計了過去一段時間現場運行的來自不同廠家、不同類別的計量終端故障，發現由于雷擊損壞引起的故障約占6%，對電網公司造成了嚴重損害。鑒于此，解決計量終端如何防雷的問題迫在眉睫。

本文分析了計量終端的雷擊故障，提出了一系列防護措施和相應的研究方案，研制了一種防雷設備，將其內置或外掛在計量終端，在雷電進入終端前加裝防雷卸放機制，并進行多路徑泄流。當雷雨季節來臨時，將雷擊信號引入大地，盡可能避免計量終端被雷擊損壞。經試點應用驗證有效，對保障電網公司終端設備的可靠運行具有重要意義。

1 計量終端雷擊故障分析

1.1 直接式雷擊

1.1.1 電源部分引入

雷擊事故中，60%～70%是由于雷擊入侵電源線路造成過電壓導的。因為電源線路處于架空狀態，雷電易沿電源線路侵入用電設備[2]。目前，通過分析現場取回的被雷擊損壞的計量終端可知，雷電的引入處都在電源側，雷擊主要破壞了電壓接線端子和位于后方的壓敏電阻。

1.1.2 通信天線部分引入

計量終端通信天線為金屬制造，一般吸附在臺架上，易遭受雷擊，造成過電壓影響，導致計量終端嚴重損壞[3]。

1.2 感應式雷擊

感應式雷擊（間接式雷擊）和內部浪涌發生的概率較高，絕大部分用電設備受雷擊損壞都與其有關。由于雷電流有極大的峰值和陡度，周圍空間會出現瞬變電磁場，處于電磁場中的導體會感應到較大電動勢，在信號線路及回路上產生過電壓，損壞相應的接口電路[4-5]。

2 計量終端防雷設計研究

2.1 直接式雷擊

本文從以下兩個方面研究、設計了計量終端受到直接式雷擊時的防雷方案。

2.1.1 電源部分引入

經分析，雷擊導致計量終端損壞，其中壓敏電阻失效也造成了一定影響。但是，瞬間放大電壓、電流是導致終端損壞的主要原因，且終端零線部分被燒斷，相間放電較多。鑒于此，需要在計量終端電壓前側加裝防雷卸放設備（電源浪涌保護器SPD），并進行多路徑泄流，保證計量終端遭受雷擊時可通過防雷設備進行一次卸放，終端內部進行二次防護，盡可能保證終端在電源側受到雷擊時不會損壞。

2.1.2 通信天線部分引入

經分析，要防止從天線口進入設備的雷電造成過電壓影響，可以在饋線口串接一個與終端設備功率、頻率和接口型號相匹配的天饋浪涌保護器（天饋SPD），并可靠接地。

2.2 感應式雷擊

從以下兩個方面設計了計量終端受到感應式雷擊時的防雷方案。

2.2.1 電源和通信天線引入

防護措施與計量終端受到直接式雷擊的防雷方案相同。感應式雷擊需要利用8/20 μs的雷電流曲線參數，直接式雷擊需要利用10/350 μs的雷電流曲線參數，SPD安裝時盡量采用凱文接線法。

2.2.2 計量終端內部浪涌和耦合

為了有效預防雷電浪涌對計量終端產生影響，終端硬件主要通過過電壓保護電子元器件實現，包括壓敏電阻和TVS管（高能瞬變抑制管）。防雷設備的載波回路采用壓敏電阻→TVS管→高頻變壓器隔離的硬件防護設置，以保護載波模塊。對RS485回路而言，采用TVS管和熱敏電阻共同配合的防護措施，終端通信天線采用TVS管進行防護。另外，由于瞬變雷電電磁脈沖對終端內部電路的沖擊較大，因此設計了信號保護電路，提高線路絕緣水平，減少耦合回路的總面積，并減弱磁場耦合效應。

3 防雷設備功能及應用分析

3.1 防雷設備主要功能

3.1.1 防止直接式雷擊

發生雷擊時，終端最易進雷的通道是電源部分和天線部分。若防止電源部分進雷，可在計量終端電壓前側加裝防雷卸放設備，并進行多路徑泄流。若防止天線部分進雷，可在饋線口串接一個與設備功率、頻率和接口型號相匹配的天饋浪涌保護器，并可靠接地，以保證終端遭受雷擊時，防雷設備可以進行一次卸放，終端內部可以進行二次防護。

3.1.2 防止感應式雷擊

通過計量終端內置或外掛防雷設備，利用防雷卸放設備將雷擊信號引入大地，防止感應式雷擊。

3.2 防雷設備研制

該防雷設備安裝于標準35 mm導軌，具備老化自動分離、損壞指示報警等功能，符合GB18802.1-2011等國家、行業的相關標準要求。組合安裝4塊HL-100/160 A低壓配電電涌保護器，便可對三相電源系統進行雷電電磁脈沖防護。防雷設備的基本參數及使用包括兩方面。

（1）具體技術參數

防雷設備的具體技術參數，如表1所示。

表1 防雷設備具體技術參數

（2）接線圖及安裝說明

接線端子：L1、L2、L3均為火線接口端子孔，N為零線/中線/接口端子孔，PE為地線接口端子孔，如圖1所示。PE地線端子口必須接地線，否則防雷設備作用失效，無法正常工作。

圖1 防雷設備接線圖

老化表示窗口：三個孔顏色無變化時，表示防雷設備處于正常工作狀態；有一個及以上變為紅色，表示防雷設備失效。設備配備空氣開關，提高防雷設備的安全性。

連接方式：電源→空氣開關→防雷設備→低壓防護設備。防雷設備連接為并行連接。

3.3 安全、質量保障措施

安全風險：效果驗證過程中，安裝防雷設備時，電壓二次回路存在短路風險。

控制措施：試驗過程中，取二次電壓時，斷開接線盒連接片。

質量保障措施：使用能夠將雷電引入大地的接地線。

3.4 設備試運行

2018年雷雨季節前，在2017年計量終端遭受雷擊嚴重的區域，安裝防雷設備HL-100/160 A低壓配電電涌終保護器。雷雨季節試運行以來，安裝防雷設備的計量終端沒有發生雷擊損壞現象，電源、天線和RS485電路等均正常，終端安全運行；而沒有安裝防雷設備的部分計量終端，2018年再次遭受雷擊。

4 結 論

本文分析了終端遭受雷擊的幾種故障情況，提出了對應的防護措施方案，研制了防雷設備HL-100/160 A低壓配電電涌保護器。它可以內置或外掛在計量終端，在雷電進入終端前加裝防雷卸放機制，進行多路徑泄流，實現防雷功能。將防雷設備安裝到現場進行試運行，運行結果表明，當雷雨季節來臨時，安裝防雷設備的計量終端能有效將雷擊信號引入大地，盡可能避免終端被雷擊損壞，達到預期效果。該防雷設備的應用對終端防雷的研究與實現具有重要意義。