电力自动化设备的浪涌电压保护

一、前言
随着自动化水平的不断提高,这些电子设备以大规模集成电路为主的组成格式，芯片体积越来越小，功能越来越强，而耐过电压水平却直线下降。由于各种原因造成的浪涌电压已成为破坏电力自动化设备的最主要因素。电力自动化设备过电压保护的基本措施包括建筑物一次防雷、设备的良好接地、等电位联结、屏蔽以及在电子设备端口安装浪涌保护器（SPD）等。下面针对浪涌电压保护作一简单介绍。

二、浪涌电压的分类

1、雷电过电压与操作过电压
（1）雷电是自然界发生的极为强烈的电磁暂态过程。主要通过两个个渠道对电力自动化设备产生影响。一是雷电直接击中变电站或调度中心的避雷针、避雷线，产生的瞬变电磁场对周围空间范围的电子设备的电磁作用，对封闭的金属回路产生压电流，对开口的金属回路产生感应电动势。由于雷电电磁脉冲的作用十分强烈，感生的电压可能很高。经地线泄放入地的雷电流引起地网电压升高，在接地系统中各接地点间产生很大的电压差，它们都可能对自动化设备造成干扰，轻则影响正常运行，严重的则会引起设备损坏。二是雷电在线路上空的雷云之间放电，或对线路附近的大地放电，都会使线路因电磁感应产生雷电冲击波或浪涌电压，这种冲击波会沿着线路入侵到与之相连拉电力自动化设备，造成工作错误或设备损坏。若雷电直接击中线路时，产生的浪涌电压更为强烈，危害更大。
（2）电力系统操作过电压是指电力系统中的故障和操作导致暂态振荡而产生的过渡过程过电压。操作方式和故障形式的多样性决定了操作过电压的不同类别，主要有：中性点不接地系统中的弧光接地过电压，空载线路的合闸过电压，空载线路、空载母线和电容器分闸时的开断电容负载过电压，空载变压器、电抗器和电动机分闸时的开断电感负载过电压等等。

2、差模干扰和共模干扰
根据浪涌电压对设备干扰的作用方式不同，可分为差模干扰和共模干扰。
（1）差模干扰是出现于回路（如信号线或电源线的两条线）中与正常信号电压相串联的干扰。差模干扰Edm出现在电路往返引线L1、L2之间，它与有用信号（源电动势）Es相串联，在受端设备Z上叠加一干扰分量。在电力自动化系统中，这种叠加在有用信号上的干扰分量可引起测量误差或控制误动等不良好后果。
（2）共模干扰是出现于回路与规定参考点（通常是地或机壳）之间的电磁干扰。Ecm使整个电路对参考点的电位一起升高，共模干扰Ecm在电路中不直接形成与有用信号Es相串联的干扰电压，但较强的共模干扰有可能使电路对地绝缘承受较高的电压而导致闪络或击穿，造成“反击”事故。另外，由于往返引线阻抗不对称，共模干扰可全部或部分转化为差模干扰，需加以防范。
不管是差模干扰还是共模干扰，只要它们的干扰强度足够大，不仅会影响设备的正常运行，严重时更会直接损坏设备。由于它们对设备的作用方式不同，抗干扰的措施出有所不同。
3、浪涌电压保护机理
浪涌电压保护的基本要求是：在电路没有干扰时，不影响设备的正常运行；工作电路中一旦有浪电压侵入时，将浪涌电压抑制在设备可接受的阈值范围内，保证设备有受到浪涌干扰时的正常运行，并且防止电路元器件和系统的损坏。从电路联接关系的角度来看，保护的方式有两种，一是将设备从受干扰的工作电路中断开，二是给浪涌电压提供泄放通道，最终使浪涌电压不作用到被保护的设备上。由于保护器件在系统正常工作和浪涌干扰时所表现出的电气性能完全不同，保护器件的伏安特性必须具有强烈的非线性特征。而对于一般的元器件，其电阻基本不随运行工况的改变而变化，其伏安特性表现出良好的线性特征。
有一类元件，当其两端电压差在正常范围内时，电阻很大，几乎没有电流通过；一旦元件两端电压差增大到一定的门槛值时，电阻迅速减少，几乎为零。利用这类元件可以做成并联型浪涌保护器，从而保护了设备。实际上，浪涌侵入时保护器不可能完全呈短路状态，两端电压也不可能达到零，只能达到一个较小的值，称作箝位电压，只要这个箝位电压小于被保护设备的安全电压，就能有效地保护设备。
另外有一类元件则具有相反的非线性特征，在正常工作电压下，电阻几乎完全为零，当控制电压（信号电压或电源电压）达到一定的门槛值时，元件马上呈现出很大的电阻值，利用这类元件可以做成串联型浪涌保护器。由于其呈现出高阻态，电路相当于断开，使被保护设备免遭浪涌电压的侵入。

不同干扰模式的保护方案
干扰方式
并联型
串联型
共模干扰

分别并联于设备两端和地之间
分别串联于设备的两端子入口处

差模干扰
并联于设备两端
分别串联于设备的两端子入口处

目前用于浪涌保护的器件有四种：
（1）二极管瞬变电压抑制器（TVS），电流调节能力强，工作电压和箝位电低，响应速度快，用于保护400V以下的低压电路，能承受50~500A的浪涌电流，有串联型和并联型两种，是电路板保护和理想器件。
（2）金属氧化物变阻器（压敏电阻）， 响应速度比TVS管慢，但通流量大于TVS管，可保护电压低于20 kV的设备，常用于电源保护回路。
（3）气体放电管或放电火花间隙，是一个充有惰性气体的密封式火花间隙，当两端出现超过其保护电压的干扰时，一小段延时后间隙被击穿变为低阻抗，通流量大（>20Ka），保护电压可达10kV，适合信号保护回路使用。
（4）固体放电管，是基于晶闸管原理和结构的一种二端负阻器件，响应速度快，无限重复，功耗小，起动电压为5~500V，瞬间冲击电流可达50~3000A，适用于保护电子元器件。
这四类器件的性能各有优缺点，通过配合使用才能达到最佳效果。

4、浪涌保护的实际应用
所有保护器件都涉及功率问题，如果浪涌功率太大，单靠一级保护很难彻底完成保护功能，应采用多级的串级保护方案。高能量的浪涌保护器（避雷器）安装在建筑物的入口处，以泄放浪涌能量的主要部分；低能量的SPD（抑抑器）安装在靠近被保护设备处，将浪涌电压箝位到设备的安全电压。对于这样的保护方案，在避雷器和抑制器之间需要有一定的配合，包括各元件的箝位电压、响应时间、通流容量和它们之间的波阻抗，这种配合间隙有时不是很容易解决。对一些安全电压水平低，又可能受高浪涌电压干扰的设备，则最好采用内置二级保护的浪涌保护器。
实际系统中，影响自动化设备的干扰既有共模干扰又有差模干扰，并且往往是两者同时发生，因此实用的浪涌保护器必须能同时抑制共模干扰和差模干扰。浪涌能量最终通过保护器泄放入地，因此保护器的可靠接地至关重要。当前，国内外标准基本上趋于一致，从人身、设备安全和抗干扰的角度考虑，变电站或调度中心内的所有自动化设备都应采用共用接地系统，并且一般情况下设备的信号地和保护地在其就联在一起，这样保护器只需要提供一个地，无须将信号地和保护地分开。
用于电力自动化设备的浪涌保护器主要有电源保护型和信号保护型两大类。
（1）电源接口浪涌保护器：广泛用于设备的电源进线端口，分为交流和直流两种类型，工作电压通常有AC220V，DC220V和DC110V。电源保护的主要作用是防止浪涌电压从电源供入端侵入设备，将浪涌能量通过电源保护器转化为电流的形式通过地线释放到大地中，使电源电压维持在一定的范围内。
（2）信号接口浪涌保护器：有用于调度中心和厂站端的模拟通道、数字通道接口浪涌保护器，有用于计算机和外围设备RS-232接口、RS-422/485接口的浪涌保护器，有用于厂站端载波机接口的浪涌保护器，有用于调度中心、微波站天线引下线的浪涌保护器，还有专门用于计算机网络电缆的浪涌保护器。 信号保护器与电源保护器的工作原理基本相同，但是信号线上传送的信号微弱，工作频率高。保护器不应造成影响信号正常工作的衰变或畸变，所以信号保护器应选用通流容量大、极间电容小的元器件。
浪涌电压保护的基本原理是在过电压发生的瞬间，在被保护区域内的所有金属部件之间实现等电位。对一个具体的设备而言，则要求设备的所有外部端口之间实现等电位，以保证设备内部所有元器件之间没有电压差，免遭浪涌侵害。根据IEC的定义，端口是指设备与外界电磁环境的和特定界面，包括机箱端口、电源端口、信号端口和接地端口。

5、结论
电力自动化设备的防雷工作是一项复杂的系统工程，除了本文介绍的浪涌电压保护以外，还可以将安装有自动化设备的变电站和调度中心做成“笼”式避雷系统，做好建筑物的一次防雷工作，内部所有导体都做成等电位联结，不能直接联结时可以通过浪涌保护器联结，所有设备共用一个接地系统，并将设备和线路合理布置和屏蔽，尽可能减小辐射干扰对设备造成的影响。