電力自動(dòng)化設(shè)備的浪涌電壓保護(hù)

一、前言
隨著自動(dòng)化水平的不斷提高,這些電子設(shè)備以大規(guī)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(qiáng)，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(dòng)化設(shè)備的最主要因素。電力自動(dòng)化設(shè)備過電壓保護(hù)的基本措施包括建筑物一次防雷、設(shè)備的良好接地、等電位聯(lián)結(jié)、屏蔽以及在電子設(shè)備端口安裝浪涌保護(hù)器（SPD）等。下面針對浪涌電壓保護(hù)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(fā)生的極為強(qiáng)烈的電磁暫態(tài)過程。主要通過兩個(gè)個(gè)渠道對電力自動(dòng)化設(shè)備產(chǎn)生影響。一是雷電直接擊中變電站或調(diào)度中心的避雷針、避雷線，產(chǎn)生的瞬變電磁場對周圍空間范圍的電子設(shè)備的電磁作用，對封閉的金屬回路產(chǎn)生壓電流，對開口的金屬回路產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢。由于雷電電磁脈沖的作用十分強(qiáng)烈，感生的電壓可能很高。經(jīng)地線泄放入地的雷電流引起地網(wǎng)電壓升高，在接地系統(tǒng)中各接地點(diǎn)間產(chǎn)生很大的電壓差，它們都可能對自動(dòng)化設(shè)備造成干擾，輕則影響正常運(yùn)行，嚴(yán)重的則會(huì)引起設(shè)備損壞。二是雷電在線路上空的雷云之間放電，或?qū)€路附近的大地放電，都會(huì)使線路因電磁感應(yīng)產(chǎn)生雷電沖擊波或浪涌電壓，這種沖擊波會(huì)沿著線路入侵到與之相連拉電力自動(dòng)化設(shè)備，造成工作錯(cuò)誤或設(shè)備損壞。若雷電直接擊中線路時(shí)，產(chǎn)生的浪涌電壓更為強(qiáng)烈，危害更大。
（2）電力系統(tǒng)操作過電壓是指電力系統(tǒng)中的故障和操作導(dǎo)致暫態(tài)振蕩而產(chǎn)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(diǎn)不接地系統(tǒng)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(shí)的開斷電容負(fù)載過電壓，空載變壓器、電抗器和電動(dòng)機(jī)分閘時(shí)的開斷電感負(fù)載過電壓等等。

2、差模干擾和共模干擾
根據(jù)浪涌電壓對設(shè)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(xiàn)于回路（如信號(hào)線或電源線的兩條線）中與正常信號(hào)電壓相串聯(lián)的干擾。差模干擾Edm出現(xiàn)在電路往返引線L1、L2之間，它與有用信號(hào)（源電動(dòng)勢）Es相串聯(lián)，在受端設(shè)備Z上疊加一干擾分量。在電力自動(dòng)化系統(tǒng)中，這種疊加在有用信號(hào)上的干擾分量可引起測量誤差或控制誤動(dòng)等不良好后果。
（2）共模干擾是出現(xiàn)于回路與規(guī)定參考點(diǎn)（通常是地或機(jī)殼）之間的電磁干擾。Ecm使整個(gè)電路對參考點(diǎn)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(hào)Es相串聯(lián)的干擾電壓，但較強(qiáng)的共模干擾有可能使電路對地絕緣承受較高的電壓而導(dǎo)致閃絡(luò)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(zhuǎn)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(qiáng)度足夠大，不僅會(huì)影響設(shè)備的正常運(yùn)行，嚴(yán)重時(shí)更會(huì)直接損壞設(shè)備。由于它們對設(shè)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(hù)機(jī)理
浪涌電壓保護(hù)的基本要求是：在電路沒有干擾時(shí)，不影響設(shè)備的正常運(yùn)行；工作電路中一旦有浪電壓侵入時(shí)，將浪涌電壓抑制在設(shè)備可接受的閾值范圍內(nèi)，保證設(shè)備有受到浪涌干擾時(shí)的正常運(yùn)行，并且防止電路元器件和系統(tǒng)的損壞。從電路聯(lián)接關(guān)系的角度來看，保護(hù)的方式有兩種，一是將設(shè)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(hù)的設(shè)備上。由于保護(hù)器件在系統(tǒng)正常工作和浪涌干擾時(shí)所表現(xiàn)出的電氣性能完全不同，保護(hù)器件的伏安特性必須具有強(qiáng)烈的非線性特征。而對于一般的元器件，其電阻基本不隨運(yùn)行工況的改變而變化，其伏安特性表現(xiàn)出良好的線性特征。
有一類元件，當(dāng)其兩端電壓差在正常范圍內(nèi)時(shí)，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(shí)，電阻迅速減少，幾乎為零。利用這類元件可以做成并聯(lián)型浪涌保護(hù)器，從而保護(hù)了設(shè)備。實(shí)際上，浪涌侵入時(shí)保護(hù)器不可能完全呈短路狀態(tài)，兩端電壓也不可能達(dá)到零，只能達(dá)到一個(gè)較小的值，稱作箝位電壓，只要這個(gè)箝位電壓小于被保護(hù)設(shè)備的安全電壓，就能有效地保護(hù)設(shè)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(dāng)控制電壓（信號(hào)電壓或電源電壓）達(dá)到一定的門檻值時(shí)，元件馬上呈現(xiàn)出很大的電阻值，利用這類元件可以做成串聯(lián)型浪涌保護(hù)器。由于其呈現(xiàn)出高阻態(tài)，電路相當(dāng)于斷開，使被保護(hù)設(shè)備免遭浪涌電壓的侵入。

不同干擾模式的保護(hù)方案
干擾方式
并聯(lián)型
串聯(lián)型
共模干擾

分別并聯(lián)于設(shè)備兩端和地之間
分別串聯(lián)于設(shè)備的兩端子入口處

差模干擾
并聯(lián)于設(shè)備兩端
分別串聯(lián)于設(shè)備的兩端子入口處

目前用于浪涌保護(hù)的器件有四種：
（1）二極管瞬變電壓抑制器（TVS），電流調(diào)節(jié)能力強(qiáng)，工作電壓和箝位電低，響應(yīng)速度快，用于保護(hù)400V以下的低壓電路，能承受50~500A的浪涌電流，有串聯(lián)型和并聯(lián)型兩種，是電路板保護(hù)和理想器件。
（2）金屬氧化物變阻器（壓敏電阻）， 響應(yīng)速度比TVS管慢，但通流量大于TVS管，可保護(hù)電壓低于20 kV的設(shè)備，常用于電源保護(hù)回路。
（3）氣體放電管或放電火花間隙，是一個(gè)充有惰性氣體的密封式火花間隙，當(dāng)兩端出現(xiàn)超過其保護(hù)電壓的干擾時(shí)，一小段延時(shí)后間隙被擊穿變?yōu)榈妥杩?，通流量大?20Ka），保護(hù)電壓可達(dá)10kV，適合信號(hào)保護(hù)回路使用。
（4）固體放電管，是基于晶閘管原理和結(jié)構(gòu)的一種二端負(fù)阻器件，響應(yīng)速度快，無限重復(fù)，功耗小，起動(dòng)電壓為5~500V，瞬間沖擊電流可達(dá)50~3000A，適用于保護(hù)電子元器件。
這四類器件的性能各有優(yōu)缺點(diǎn)，通過配合使用才能達(dá)到最佳效果。

4、浪涌保護(hù)的實(shí)際應(yīng)用
所有保護(hù)器件都涉及功率問題，如果浪涌功率太大，單靠一級(jí)保護(hù)很難徹底完成保護(hù)功能，應(yīng)采用多級(jí)的串級(jí)保護(hù)方案。高能量的浪涌保護(hù)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(hù)設(shè)備處，將浪涌電壓箝位到設(shè)備的安全電壓。對于這樣的保護(hù)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(yīng)時(shí)間、通流容量和它們之間的波阻抗，這種配合間隙有時(shí)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(shè)備，則最好采用內(nèi)置二級(jí)保護(hù)的浪涌保護(hù)器。
實(shí)際系統(tǒng)中，影響自動(dòng)化設(shè)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(shí)發(fā)生，因此實(shí)用的浪涌保護(hù)器必須能同時(shí)抑制共模干擾和差模干擾。浪涌能量最終通過保護(hù)器泄放入地，因此保護(hù)器的可靠接地至關(guān)重要。當(dāng)前，國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)基本上趨于一致，從人身、設(shè)備安全和抗干擾的角度考慮，變電站或調(diào)度中心內(nèi)的所有自動(dòng)化設(shè)備都應(yīng)采用共用接地系統(tǒng)，并且一般情況下設(shè)備的信號(hào)地和保護(hù)地在其就聯(lián)在一起，這樣保護(hù)器只需要提供一個(gè)地，無須將信號(hào)地和保護(hù)地分開。
用于電力自動(dòng)化設(shè)備的浪涌保護(hù)器主要有電源保護(hù)型和信號(hào)保護(hù)型兩大類。
（1）電源接口浪涌保護(hù)器：廣泛用于設(shè)備的電源進(jìn)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(hù)的主要作用是防止浪涌電壓從電源供入端侵入設(shè)備，將浪涌能量通過電源保護(hù)器轉(zhuǎn)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(nèi)。
（2）信號(hào)接口浪涌保護(hù)器：有用于調(diào)度中心和廠站端的模擬通道、數(shù)字通道接口浪涌保護(hù)器，有用于計(jì)算機(jī)和外圍設(shè)備RS-232接口、RS-422/485接口的浪涌保護(hù)器，有用于廠站端載波機(jī)接口的浪涌保護(hù)器，有用于調(diào)度中心、微波站天線引下線的浪涌保護(hù)器，還有專門用于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)電纜的浪涌保護(hù)器。 信號(hào)保護(hù)器與電源保護(hù)器的工作原理基本相同，但是信號(hào)線上傳送的信號(hào)微弱，工作頻率高。保護(hù)器不應(yīng)造成影響信號(hào)正常工作的衰變或畸變，所以信號(hào)保護(hù)器應(yīng)選用通流容量大、極間電容小的元器件。
浪涌電壓保護(hù)的基本原理是在過電壓發(fā)生的瞬間，在被保護(hù)區(qū)域內(nèi)的所有金屬部件之間實(shí)現(xiàn)等電位。對一個(gè)具體的設(shè)備而言，則要求設(shè)備的所有外部端口之間實(shí)現(xiàn)等電位，以保證設(shè)備內(nèi)部所有元器件之間沒有電壓差，免遭浪涌侵害。根據(jù)IEC的定義，端口是指設(shè)備與外界電磁環(huán)境的和特定界面，包括機(jī)箱端口、電源端口、信號(hào)端口和接地端口。

5、結(jié)論
電力自動(dòng)化設(shè)備的防雷工作是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，除了本文介紹的浪涌電壓保護(hù)以外，還可以將安裝有自動(dòng)化設(shè)備的變電站和調(diào)度中心做成“籠”式避雷系統(tǒng)，做好建筑物的一次防雷工作，內(nèi)部所有導(dǎo)體都做成等電位聯(lián)結(jié)，不能直接聯(lián)結(jié)時(shí)可以通過浪涌保護(hù)器聯(lián)結(jié)，所有設(shè)備共用一個(gè)接地系統(tǒng)，并將設(shè)備和線路合理布置和屏蔽，盡可能減小輻射干擾對設(shè)備造成的影響。