電力自動化設備的浪涌電壓保護

一、前言
隨著自動化水平的不斷提高,這些電子設備以大規模集成電路為主的組成格式，芯片體積越來越小，功能越來越強，而耐過電壓水平卻直線下降。由于各種原因造成的浪涌電壓已成為破壞電力自動化設備的最主要因素。電力自動化設備過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單介紹。

二、浪涌電壓的分類

1、雷電過電壓與操作過電壓
（1）雷電是自然界發生的極為強烈的電磁暫態過程。主要通過兩個個渠道對電力自動化設備產生影響。一是雷電直接擊中變電站或調度中心的避雷針、避雷線，產生的瞬變電磁場對周圍空間范圍的電子設備的電磁作用，對封閉的金屬回路產生壓電流，對開口的金屬回路產生感應電動勢。由于雷電電磁脈沖的作用十分強烈，感生的電壓可能很高。經地線泄放入地的雷電流引起地網電壓升高，在接地系統中各接地點間產生很大的電壓差，它們都可能對自動化設備造成干擾，輕則影響正常運行，嚴重的則會引起設備損壞。二是雷電在線路上空的雷云之間放電，或對線路附近的大地放電，都會使線路因電磁感應產生雷電沖擊波或浪涌電壓，這種沖擊波會沿著線路入侵到與之相連拉電力自動化設備，造成工作錯誤或設備損壞。若雷電直接擊中線路時，產生的浪涌電壓更為強烈，危害更大。
（2）電力系統操作過電壓是指電力系統中的故障和操作導致暫態振蕩而產生的過渡過程過電壓。操作方式和故障形式的多樣性決定了操作過電壓的不同類別，主要有：中性點不接地系統中的弧光接地過電壓，空載線路的合閘過電壓，空載線路、空載母線和電容器分閘時的開斷電容負載過電壓，空載變壓器、電抗器和電動機分閘時的開斷電感負載過電壓等等。

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（如信號線或電源線的兩條線）中與正常信號電壓相串聯的干擾。差模干擾Edm出現在電路往返引線L1、L2之間，它與有用信號（源電動勢）Es相串聯，在受端設備Z上疊加一干擾分量。在電力自動化系統中，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等不良好后果。
（2）共模干擾是出現于回路與規定參考點（通常是地或機殼）之間的電磁干擾。Ecm使整個電路對參考點的電位一起升高，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或擊穿，造成“反擊”事故。另外，由于往返引線阻抗不對稱，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，不僅會影響設備的正常運行，嚴重時更會直接損壞設備。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：在電路沒有干擾時，不影響設備的正常運行；工作電路中一旦有浪電壓侵入時，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的正常運行，并且防止電路元器件和系統的損壞。從電路聯接關系的角度來看，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，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性特征。
有一類元件，當其兩端電壓差在正常范圍內時，電阻很大，幾乎沒有電流通過；一旦元件兩端電壓差增大到一定的門檻值時，電阻迅速減少，幾乎為零。利用這類元件可以做成并聯型浪涌保護器，從而保護了設備。實際上，浪涌侵入時保護器不可能完全呈短路狀態，兩端電壓也不可能達到零，只能達到一個較小的值，稱作箝位電壓，只要這個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。
另外有一類元件則具有相反的非線性特征，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）達到一定的門檻值時，元件馬上呈現出很大的電阻值，利用這類元件可以做成串聯型浪涌保護器。由于其呈現出高阻態，電路相當于斷開，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
并聯型
串聯型
共模干擾

分別并聯于設備兩端和地之間
分別串聯于設備的兩端子入口處

差模干擾
并聯于設備兩端
分別串聯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，有串聯型和并聯型兩種，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，是一個充有惰性氣體的密封式火花間隙，當兩端出現超過其保護電壓的干擾時，一小段延時后間隙被擊穿變為低阻抗，通流量大（>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，無限重復，功耗小，起動電壓為5~500V，瞬間沖擊電流可達50~3000A，適用于保護電子元器件。
這四類器件的性能各有優缺點，通過配合使用才能達到最佳效果。

4、浪涌保護的實際應用
所有保護器件都涉及功率問題，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、響應時間、通流容量和它們之間的波阻抗，這種配合間隙有時不是很容易解決。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。
實際系統中，影響自動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發生，因此實用的浪涌保護器必須能同時抑制共模干擾和差模干擾。浪涌能量最終通過保護器泄放入地，因此保護器的可靠接地至關重要。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在一起，這樣保護器只需要提供一個地，無須將信號地和保護地分開。
用于電力自動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。
（1）電源接口浪涌保護器：廣泛用于設備的電源進線端口，分為交流和直流兩種類型，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，將浪涌能量通過電源保護器轉化為電流的形式通過地線釋放到大地中，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、微波站天線引下線的浪涌保護器，還有專門用于計算機網絡電纜的浪涌保護器。 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電壓發生的瞬間，在被保護區域內的所有金屬部件之間實現等電位。對一個具體的設備而言，則要求設備的所有外部端口之間實現等電位，以保證設備內部所有元器件之間沒有電壓差，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結，不能直接聯結時可以通過浪涌保護器聯結，所有設備共用一個接地系統，并將設備和線路合理布置和屏蔽，盡可能減小輻射干擾對設備造成的影響。