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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采用RS232、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。本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口的综合防雷水平。
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。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口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,从而完成回击过程的电荷输送。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,同时在这些导体上会出现与浪涌电荷有关的浪涌电压,浪涌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时产生回击放电,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。以埋地电缆为例,当外围屏蔽层上的感应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
当云地之间的雷电回击通道形成以后,整个通道就是一个电阻极低的导电通路。伴随着回击过程的进行,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,上升速率与回击通道阻抗、云中电荷分布以及地质条件有关。回击产生的效果就像一个巨大的行波天线产生强烈的雷电磁脉冲(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、输出端口,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,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。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆由于LEMP占有很宽的带宽,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:如果计算机没有任何屏蔽措施,所有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时,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——雷电过电压烧坏半导体PN结;——损坏元件的金属镀层;——烧毁PCB(printedcircuitboard印刷电路板)的导线或触点;——通过dvdt毁坏可控硅或半导体元件。(2)误动或破坏数据文件——寄存器、存储器半导体元件、可控硅非常态动作;——毁坏部分数据文件。
由于LEMP具有宽带宽,高能量的特点,所以它穿透屏蔽层的能力非常强,综合自动化设备机箱的面板缝隙、外露接口等部位很容易成为LEMP损伤的高危区域,通过多年现场运行经验发现,变电站中LEMP损伤主要是使电子器件的使用寿命大大降低。
2通信接SPD设计
根据前面对雷电损伤机理的讨论,来分析变电站综合自动化设备通讯接口的实际情况。雷击的静电感应效应主要是由外部通讯线引入设备内部的,而由于综合自动化设备普遍有机箱机柜屏蔽,所以雷电磁脉冲对于设备外部通讯线路的影响远大于对设备内部电路的影响。因此,在变电站综合自动化设备通讯接口处加装防雷保护就是关闭雷电进入设备内部的通道,设计从两方面考虑。
1)根据中华人民共和国信息产业部发布的《通信局(站)雷电过电压保护工程设计规范》YD/T5098-2001的要求:①计算机接口、控制终端、监控系统的网络数据线SPD应满足各类接口设备传输速率的要求,SPD接口的线位、线排、线序应与被保护设备接口兼容,设计时在满足设备传输速率条件下,应采用由半导体放电管组成的SPD;②计算机接口、控制终端、监控系统的网络数据线用SPD的标称放电电流应大于等于3kA,若采用SAD器件组成的SPD标称放电电流应大于等于300A。
2)变电站综合自动化设备通讯接口的工作特点:传输电平低,通信速率等,(100Mbps级以上的几乎没有,主要集中在几kbps~几百kbps之间。)鉴于目前TVS的制造工艺日趋成熟,它的极间电容已经可以做得非常小,加之对于几kbps~几百kbps的通信速率,pF级的极间电容造成的插入衰耗非常小,几乎不影响数据波形。但由于TVS的通流能力有限,需增加SAD(半导体放电管)来走大电流。这样利用TVS响应速度快(纳秒级),SAD通流能力强的特点形成复合保护(二级防雷保护)。该保护器是由SAD与双向TVS混合构成RS232接口保护。
3通讯接口防雷的其他措施
对于变电站综合自动化设备的通讯接口仅仅靠加装SPD来完成防雷措施是不够的,还应在其它方面采取防雷措施。以计算机与自动化设备接口为例,目前绝大多数计算机内部的信号地与外壳地是短接在一起的。用数据线将计算机与自动化设备连接在一起后,数据线的屏蔽层就会与内部的通信线形成接地环路干扰
4结束语
由上可见,雷击所产生的静电效应和电磁效应对变电站综合自动化设备的安全稳定运行危害极大。在通讯接口处加上外部SPD保护、屏蔽层使用单点接地、设备内部使用中和变压器或隔离变压器等组合防雷措施,能有效地提高变电站综合自动化设备的防雷水平。
参考文献
[1]陈加清.雷电的损伤效应[J].安全与电磁兼容,2004,67(6).
[2]张少虎.信号SPD的选择[J].安全与电磁兼容,2004,67(26).
论文作者:黄溥涛
论文发表刊物:《电力设备》2016年第8期
论文发表时间:2016/7/18
标签:雷电论文; 变电站论文; 自动化设备论文; 接口论文; 防雷论文; 电荷论文; 通讯论文; 《电力设备》2016年第8期论文;