低壓集抄系統防雷解決方案探討

2021-11-20 · 閱讀174

擬解決問題：

隨著經濟的快速發展和科技的日益提高,我國電網系統的升級換代也逐漸加速，電網系統發展趨于智能化。其中，低壓集抄系統的出現與發展便是集中體現。低壓集抄系統在我國電網系統中的成功運行，對于我國電網電能表抄集與采集的智能化發展有重要推動作用，使得電網系統的遠程自動抄表成為可能。低壓用戶集中抄表系統是綜合現代計算機與通信網絡技術的信息自動化系統，系統通過對低壓居民計量表計數據準確及時采集和統計分析，實現對低壓用戶電量使用情況快速準確地了解，為電網企業營銷客戶管理提供可靠數據保證。

在實現的應用需求方面，一是實現遠程低壓居民抄表結算，能夠對低壓居民計算電量進行凍結抄讀，滿足計量電費的需要；二是臺區的線損統計，根據電網企業的管理要求，對不同電壓等級臺區線損統計，按月統計每個臺區線損，進行統計分析，減少電力損耗；三是重點用戶監測，能夠對重點用戶進行高頻率監測；四是低壓停復電，能夠對安裝了帶控制功能的電能表進行遠程拉閘停電和合閘復電；五是開展營銷信息系統接口應用，互換低壓居民用戶檔案資料和結算電量。低壓集抄系統從營銷系統獲取低壓居民用戶的基礎檔案信息，同時向營銷系統提供低壓居民計量點的月凍結電量。

終端，常常會遇到雷擊、信號干擾等原因造成的設備損壞、在線率低等問題，特別是在山區，問題尤為嚴重。主要問題在于：

（1）低壓集抄系統的采集終端與智能表之間采用ＲS485 專用線(0.75 mm2 雙芯雙色帶屏蔽)連接;聯絡線長，線路電容大，雷電和外界高頻高壓干擾信號很容易竄到聯絡線路中;

（2）雷電形成的囤積特高壓及外界干擾諧振產生的電壓值遠大于采集終端和智能電表的耐壓幅值( 采集終端和智能表通信模塊均采用直流12 V 供電電源，電子元件和集成電路的反向耐壓僅40-50 V)，很容易將采集終端和智能表擊穿損壞。采集終端和智能表通信模塊損壞后，低壓集抄系統癱瘓。

在配變自動化系統中，其弱電環節中包含大量信息電子設備和新型智能電氣設備，由于其基于大規模微電子集成元器件，既敏感又脆弱，使整個設備和系統的沖擊耐受強度很低，成為防雷對象中最弱的一個群體。集成電子電路通流能量較電子管低百萬倍。微電子芯片的沖擊耐受電壓約為2-2.5倍工作電壓。當然，電子設備中包含了許多保護措施，使其沖擊耐受水平大大高于芯片和器件的耐受水平，但是仍然顯著低于一般電氣設備。當配變自動化終端落雷時，可能瞬間損壞設備，或由于感應過電壓而可能損壞通信。

終端的抗雷電干擾能力已經關系到電網能否正常工作。因此，研究終端的雷電電磁干擾防護關鍵技術，不僅可以有效提高低壓集抄系統在復雜環境下的工作穩定性，而且對增強電網自動化系統其在各種復雜環境中工作的適用性具有重要的意義。開發相關的裝置，提高生產效率，推動設備運維向數字化轉型。

主要研究內容：

1、終端在雷電環境中的電磁特性研究

（1）主要內容：研究低壓集抄和配變終端的空間、線路感應及接地系統方案，研究低壓集抄和配變終端在雷電環境中的電磁特性模型，研究低壓集抄和配變終端的雷電電磁干擾防護方案。

（2）技術路線：本項目將通過分析低壓集抄和配變終端頻點信號的組成和功率譜密度特性，研究系統接收端天線的電磁干擾模型；研究雷電產生的電磁環境中直擊雷以及直擊雷發生時附帶著的間接效應感應雷的電磁特性模型，研究雷電電磁環境下的低壓集抄和配變終端抗電磁干擾防護方案；通過分析避雷針的結構設計方法及其放電原理，研究在低壓集抄和配變終端中接收端天線抗雷電電磁干擾的避雷針設計方案；通過采用新型石墨作為放電電極來提高耐腐蝕與耐雷電流能力，同時解決避雷針光污染問題，并結合“針尖形”與“半球形”避雷針的優點設計基于低壓集抄和配變終端的雙電極避雷針，達到在天線端防護雷電電磁干擾的目的。

2、終端在大功率電磁發生環境下的浪涌保護器研究

（1）主要內容：研究在低壓集抄和配變終端在大功率電磁發生環境下的浪涌保護器，建立大功率浪涌保護器結構中放電管對于高頻信號的處理模型。

（2）技術路線：

（A）大功率浪涌保護器合成放電元件研究

針對在低壓集抄和配變終端中所采用的功率在200W以內和以上的大功率發射設備電磁損耗特性，研究大功率發射時產生的高頻交流電壓問題及解決方案；研究在大功率電磁發生環境下的大功率浪涌保護器設計；分析大功率浪涌保護器結構中放電管對于高頻信號的處理模型，研究高頻浪涌保護裝置中放電管的設計方案；研究放電元件合成技術與壓敏電阻材料改良工藝技術，分析放電管產生續流的問題和壓敏芯片的漏流問題，設計小體積高動作電壓、低電容值同時與壓敏電阻燒接在一起的新型放電管。

（B）大功率散熱結構研究

通過分析大功率射頻信號發射時浪涌保護器的結構特點和熱量生成及傳導模型，研究大功率浪涌保護器的散熱解決方案；通過分析連接部分導氣槽設計方法，設計新型結構的封閉式大功率浪涌保護器，以達到快速散熱及防電磁屏蔽的目的，其采用設計基本方案原理如圖1所示。

圖1 散熱結構設計圖

3、終端的快速保護接地技術研究

（1）主要內容：研究終端雷電保護接地電磁場分布模型，研究并建立雷擊輻射場分布模型，實現對終端雷電電磁防護。

（2）技術路線：

（A）終端小體積一體化設計

基于當前終端的現狀，加入防雷裝置后會導致產品的體積過于龐大，特別是低終端的防雷電干擾的浪涌保護器如果都單獨放置會大大增加產品體積和重量。因此必須開展終端小體積一體化設計，將浪涌保護器設計于同一外殼內。

（B）終端浪涌保護器設計

針對終端小體積一體化的設計需求，浪涌保護器也必須進行科學設計。采用新型放電管及結構設計，此放電管是串聯于內導體之間，區別于傳統的并聯結構；同時產品采用了三合一設計結構，將終端用浪涌保護器設計于同一外殼內。www.cn-sublime.com

圖2 低壓集抄和配變終端浪涌保護器結構

4、集抄系統現場干擾信號的采集與回放測試裝置設計

（1）主要內容：設計基于終端的雙電極避雷針，設計小體積高動作電壓、低電容值同時與壓敏電阻燒接在一起的新型放電管，設計機動性低壓集抄和配變終端的快速保護接地裝置。

（2）技術路線：

（A）保護接地電磁場分布計算與研究

終端運行或移動時也必須考慮雷電防護問題，而其使用環境相對惡劣，同時又有動作快速、使用方便的需求，因此必須根據機動性低壓集抄和配變終端的特點開展電磁場分布計算與研究。利用時域有限差分法的基本原理，并將其運用到解決雷擊環境下電磁輻射問題的幾個關鍵性技術，得到雷擊情況下場量分布的數值計算結果，并在此基礎上獲得雷擊輻射場分布狀況及規律，為機動性低壓集抄和配變終端的快速保護接地裝置設計提供實際參考價值。

（B）帶電子點火技術的雙層金屬寬間隙的電涌保護裝置研究

本項目擬將電子點火技術與多層間隙技術相結合，同時實現低觸發電壓和高額定斷開續流能力，設計一種帶電子點火技術的雙層金屬寬間隙的電涌保護裝置，該裝置在具備低放電電壓值的同時將大通流能力與較高的額定斷開續流能力相結合。

為了使該裝置實現上述功能，首先要解決的是兩個2mm以上寬的金屬間隙需要實現同時點火（如圖3），利用火花導電的特性，使得雷電流從金屬電極處泄放。而實現點火功能的主要器件是脈沖變壓器，該變壓器需要將一個較低的脈沖電壓升壓為兩個高壓，在點火電極與主放電電極之間產生電火花。因此對變壓器要求比較高。本點火電路中的高頻開關（電容）（圖3 中c2）是對浪涌的頻率進行識別，只有頻率大于1kHz的雷電浪涌才能通過，一些電源電路上低頻的諧波等將無法造成電涌保護器誤動作。點火電路中的氣體放電管（圖3 中GDT）也是一個關鍵元件，它的脈沖放電電壓決定了整個電涌保護器的放電電壓值，當線路浪涌電壓峰值高于氣體放電管的脈沖放電電壓值時，氣體放電管啟動，然后后續的所有動作開始。非線性電阻（圖3中MOV）采用壓敏電壓在270V-500V的壓敏電阻，利用其非線性的特點，可以限制間隙導通后回路中電流的大小。避免變壓器被擊穿電流燒壞。

圖3 帶電子點火技術的雙層金屬寬間隙的電涌保護裝置原理圖

（C）終端的快速保護接地裝置設計

終端的快速保護接地裝置要求具有以下特點：固定安裝支架為整個受力平面，能夠承受鉆桿所帶來的扭力；固定支架上的支撐桿用于支撐固定支架，且支撐桿與固定支支架均自行收放，從而減少固定支架的占地面積；同時支撐桿的另一個作用是可采用腳踩固定在地面或其它方式固定在地面不動產生一個向下的力，使鉆桿通過旋轉手柄不斷傳來的扭力將其鉆入地下，當使用完畢后可反轉將鉆桿從地下退出。

鉆頭采用專用鉆礦硬質合金材料制作，完全滿足大部的地理環境，同時鉆頭與鉆桿采用分體式結構設計可以重復拆卸，當鉆頭受損不能修復時可單獨將鉆頭進行更換，節約成本。本項目將采用螺旋傳動結構設計，通過傳動座通過手動轉動方式將接地體快速打入地下；鉆桿采用空心桿，同時鉆桿體上有均勻密布的小孔，可以灌注導電液，保證灌入的導電液、降阻劑等材料能夠有效的滲透入地，同時鉆桿表面電鍍銅用以增加鉆桿的導電性，從而設計機動性低壓集抄和配變終端的快速保護接地裝置。

中為防雷器浪涌保護器http://www.cn-sublime.com/knowledge/1108122.html