浅谈变电站微机装置的防雷保护
早期的测控设备为电磁式，诸如线圈、真空管等，这些传统元件对于突波干扰是有一定的免疫力的，但是，随着这些传统元件被基于集成电路等更先进的元器件及设备所代替时，非凡是随着计算机网络技术的发展，保护这些智能设备免遭系统瞬态干扰的影响就变得更加重要。本文将对现有的避雷器件作比较分析，设计实用的避雷系统，并对变电站的二次系统提出防雷要点。
1变电站雷电防护的分析
设备遭受过电压和过电流冲击的途径可分为直击雷、感应雷、传导雷、操作过电压四种。结合变电站设备的分布特点及雷电冲击的途径类型，变电站雷电防护存在以下特点。
1.1二次设备过电压发生的过程
(1)雷电波通常是通过变电站临近的线路侵入母线，再经过站用变压器高、低压绕组间的静电和电磁耦合，侵入低压出线。途中经过了线路避雷器、母线避雷器和站用变避雷器3级削峰，再经过站用变低压出线的平波作用，电压幅值大为下降。但由于雷电波的电压、能量极高，且避雷器等设备技术上的局限性，虽然绝大部分的雷电能量都能在到达设备之前得以消除，但雷电波仍可能以幅值相对很高，作用时间很短的低能量尖峰脉冲的形式，通过站用变压器的低压出线，加到变电站内所有的220V交流回路中。
(2)当雷落到通信设施四周的场所时，就会产生一个强电磁场，就会在通信线路上感应一个非常高的感应电压,通过调度远动系统的RTU设备和信号采集的二次电缆侵入，以很高的电压直接加到远动系统的信号和传送端上，造成通信装置误动作，以及接收和发送端模块烧坏。
1.2微机装置遭雷害的原因
变电站的保护和合闸电源直流系统的整流充电系统设计容量都比较大，电压耐受能力也比较好。而且由于大容量电池组吸收尖峰脉冲的作用，和整流回路的平波作用，加到保护装置上的脉冲电压大大降低。再加上常规的电磁式保护装置的元器件多为单元件的电阻、电容和电感线圈等，耐热容量大，对尖锋脉冲的耐受能力也比较强，所以能安全度过低能量、高电压的冲击暂态过程。但对于使用超大规模集成电路，运行电压只有数伏，信号电流仅为mA级的微机装置来说，就不一定能经受得住。这就是造成微机装置损坏而常规保护装置却能安全运行的要害原因。
在电源方面：调度的远动载波系统多由独立的小容量UPS供电，而这些UPS最多的是使用压敏电阻保护。在防雷和限幅能力都比较有限，保护UPS本身尚且不够，更不用说保护后接的电子设备了。实际运用中也屡屡发生UPS雷击烧毁现象，所以单从提高UPS质量方面入手难以从根本上解决问题。
在信号端方面：当出线比较长，且没采用屏蔽电缆，厂站端也没装设任何防雷设备时，变电站和沿线附件落雷都很轻易在电缆中感应出很高的雷电压并通过电缆直接加到设备上，造成设备的击穿损坏。
2避雷器件与特性分析
避雷器件是指能吸收由于雷击或操作过电压引起的脉动能量，从而避免电子设备受损坏或避免寿命降低的器件，包括气体放电管、压敏电阻、抑制二极管和半导体放电管等。
2.1气体放电管
气体放电管由封装在小玻璃管或陶瓷管中相隔一定距离的两个电极组成。其电气性能基本上取决于气体种类、气体压力以及电极距离。假如发生电压冲击，电极间会产生某种电弧，电离气体放电的路径是由高阻抗转向低阻抗。该放电过程阻止一个更高的冲击幅值，此处的弧电压大约降低10～30V。气体放电管受到瞬态高能量冲击时，它能以10-6s量级的速度，将其两极间的高阻抗变为低阻抗，吸收高达数千瓦的浪涌功率。气体放电管属于开关型保护元件，主要利用放电管两金属极间的气体放电实现保护。气体放电管主要参数：响应时间（慢）、通流容量（大）、极间电容（小）、直流击穿电压、冲击击穿电压、绝缘电阻、续流遮断时间等。因此气体放电管一般用于保护电路的最前级，但由气体放电管构成的防雷器存在使用寿命问题。
2.2压敏电阻
压敏电阻或金属氧化膜压敏电阻答应标志在其上的最大正弦交流工作电压通过。任何高于这一标志电压值的电压会被安全的转换，受到瞬态高能量冲击时，它能以10-9s量级的速度，将其两极间的高阻抗变为低阻抗，吸收高达数千瓦的浪涌功率。压敏电阻可用于中等较高的电压冲击场合。压敏电阻是一种现压型保护器件，主要利用压敏电阻的非线型特性，当过电压出现在压敏电阻的两极间，便可以将电压钳位到一个相对固定的电压值，从而实现对后级电路的保护。压敏电阻的主要技术参数：压敏电压、通流容量、结电容、响应时间等。压敏电阻可用于交流与直流电源、馈电线路、低频信号线路的保护，但压敏电阻使用寿命较短。
2.3抑制二极管(简称TVS管)
TVS管与普通齐纳二极管(稳压管)的工作原理类似。假如高于标志在其上的击穿电压，二极管就会导通。与齐纳管相比，TVS管有更高的电流导通能力。TVS管的两极受到反向瞬态高能量冲击时，它能以10-12~10-6s量级的速度，将其两极间的高阻抗变为低阻抗，吸收高达数千瓦的浪涌功率，使两极间的电压箝位于一个预定值，有效地保护电子线路中的精密元器件，免受浪涌脉冲的损坏。它比使用压敏电阻进行浪涌保护优越得多。具有响应时间快、瞬态功率大、漏电流低、击穿电压偏差小、箝位电压较易控制、体积小等特点。其功能有：
(1)将TVS二极管加在信号及电源线上，能防止微处理器或集成电路因瞬间的脉冲，如静电放电效应、交流电源之浪涌及开关电源的噪音所导致的失灵。
(2)静电放电效应能释放超过10kV、60A以上的脉冲，并能持续10ms；而一般的TTL器件，碰到超过30ms的10V脉冲时，便会导致损坏。利用TVS二极管，可有效吸收对器件损坏的脉冲，并能消除由总线之间开关所引起的雷击等干扰。
(3)将TVS二极管连接在信号线及地之间，能避免数据及控制总线受到不必要的噪音影响。
从TVS管的电压-电流特性曲线可知：它的正向特性与普通二极管相同；反向特性为典型的PN结雪崩器件。在瞬态峰值脉冲电流作用下，流过TVS管的电流，由原来的反向漏电流ID上升到IR时，其两极呈现的电压由额定反向关断电压VWM上升到击穿电压VBR，TVS管被击穿。随着脉冲峰值的出现，流过TVS管的电流达到峰值脉冲电流IPP。在其两极的电压被箝位到预定的最大箝位电压以下，尔后，随着脉冲电流按指数衰减，TVS管两极的电压也不断下降，最后恢复到起始状态，这就是TVS管抑制可能出现的浪涌脉冲功率，保护电子元器件的整体过程。
TVS管可以按极性分为单极性和双极性两种，按用途可分为各种电路都适用的通用型器件和非凡电路适用的专用型器件。如各种交流电源浪涌保护器、4～20mA电流环保护器、数据线保护器、同轴电缆保护器、电话机保护器等。若按封装及内部结构可分为：轴向引线二极管、双列直插TVS管阵列(适用多线保护)、贴片式、组件式和大功率模块式等。
TVS管主要技术参数：反向击穿电压、最大钳位电压、瞬间功率、结电容、响应时间等。TVS管主要用于电源、信号线路、天馈线路的防雷保护。TVS管最大特点：使用寿命比压敏电阻和气体放电管都要长的多。
2.4半导体放电管
半导体放电管的工作状态如同一个开关。在断开状态下，其漏电流IDRM极小(<5mA)，不会影响与其并联的被保护电路的正常工作。当瞬间过电压超过其断态峰值电压VDRM时，产生瞬间雪崩效应。一旦瞬间电流超过开关电流IS，其电压即降为导通电压VT(<5V)，大量的瞬间浪涌电流就此傍路，因而保护了并联的敏感电子线路。浪涌之后，当电流降到最小维持电流IH值之下时，半导体放电管自然恢复，回到其阻断状态。
从以上分析可见：半导体放电管和TVS管反应速度快，时间为10-12s级；压敏电阻和气体放电管的反应速度相对而言较慢，时间分别为10-9s和10-6s，而吸收的能量要比半导体放电管和TVS管大，TVS管使用寿命比压敏电阻和气体放电管都要长的多。
3二次设备的防雷设计
严格按照GB50057-94《建筑物防雷设计规范》、DL/T621-1997《交流电气装置的接地》、DL548-94《电力系统通讯站防雷运行治理规程》、DL/T620-1997《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》、GB18802.1-2002/IEC61643-1：1998《低压配电系统的电涌保护器》、GA173-1998《计算机信息系统防雷保安器》、YD2011-93《微波站防雷与接地设计规范》、GB50343-2004《建筑物电子信息系统防雷技术规范》等有关规程规定，并紧密结合现场实际进行优化设计。
对于缺少防雷设计的二次设备，应根据需求加装各种市售的防雷装置。如交、直流电源过电压保护器、各种信号过电压保护器等，其已设计好参数，根据需要选用即可。比如在全国推广使用的武大防雷中心和武汉恒安电气合作开发的DGB与XGB系列保护箱（器）已在电力、电信、金融、水电站、烟草等行业取得了良好的防雷效果，社会效益显著；另一种办法，直接在电路设计中将其集成到装置内部。
3.1板载避雷器的设计
微机装置与通信系统板载的避雷器主要是把雷击或操作过电压引起的暂态干扰能量及时泄放掉，保护设备不受损坏，而在正常工作时不影响数据通信。即通过能量泄放模块将雷击或操作过电压引起的暂态干扰中的大部分能量吸收泄放入地，而快速限压模块主要是及时削减干扰电压，以免高电压冲击造成微机和通信系统内集成块永久性损坏。
因半导体放电管和TVS管反应速度为10-12s级，压敏电阻和气体放电管的反应时间分别为10-9s和10-6s，所以避雷器中快速限压模块一般采用半导体放电管或TVS管。一级能量泄放模块采用气体放电管，二级能量泄放模块采用压敏电阻。考虑到雷击或操作过电压能量太大时，会引起避雷元器件爆裂或永久性损坏，避雷器可以增加熔丝保护。具体的避雷元器件选取方法为：
(1)压敏电阻的选用：对于过电压保护方面的应用，压敏电压值应大于实际电路的电压值，一般用以下公式计算：
V1=aV/bc
式中a——电源电压波动系数，一般取1.2；
V——电路直流工作电压(交流时为有效值)；
b——压敏电压误差，一般取0.85；
c——元件的老化系数，一般取0.9。
这样计算得到的V1实际数值是直流工作电压的1.5倍。在交流状态下要考虑电压峰值，因此计算结果应扩大1.414倍，在应用中可参考此公式通过实验来确定。另外，要考虑压敏电阻的通流量的选取，通常产品给出的通流量是按产品标准给定的波形，冲击次数和间隙时间进行脉冲试验时，产品压敏电压变化率小于初值的±10所能承受的最大电流值。产品所能承受的冲击数是波形、幅值和间隙时间的函数。当电流波形幅值降低50时冲击次数可增加一倍，所以在实际应用中，压敏电阻器所吸收的浪涌电流应小于产品的最大通流量，以使产品有较高的工作寿命。
(2)TVS管的选用：首先确定被保护电路的最大直流或连续工作电压，电路的额定标准电压和“高端”容限。TVS管的额定反向关断电压VWM应大于或等于被保护电路的最大工作电压，最大箝位电压VC应小于被保护电路的损坏电压。若选用的VWM太低，器件可能进入雪崩或因反向漏电流太大影响电路的正常工作。TVS管并联应用时，由于分流作用而答应总电流增加；串联时，总电压为各个TVS管压降之和。对于数据接口电路的保护，还必须注重选取具有合适分布电容C的TVS管。
(3)半导体放电管的选用：半导体放电管的VDRM值必须大于它所保护的最大工作电压，VS值必须小于被保护器件所答应的瞬间峰值电压，IPP必须大于计算机或通信设备标准的规定值，并要考虑断态分布电容的影响。
3.2对干扰过电压的防护
许多情况下，设备的抗干扰能力与防过电压能力是统一的。源于抗干扰目的而采用的电缆屏蔽、提高采集回路电压等级等措施对设备防过电压很有益处，而改善接地等措施同样适用于设备的抗干扰。根据对微机设备干扰、过电压成因的综合分析，可在硬件与软件两个方面加以完善：
(1)对于硬件设计：可整改厂站端RTU设备的工作电源，将220V交流供电改为220V直流供电方式，退出UPS，改为由变电站直流小母线直接向RTU供电。在电源的输入端加装电源切换开关、熔断丝盒和SDY-P电源滤波装置(其中非凡注重合理选择直流回路的熔断丝容量)。而对于新建变电站，远动屏与有关二次屏之间的连接采用屏蔽电缆。对于改造变电站，新增电缆必须实现屏蔽。针对具体变电站的接地情况，改善设备接地性能，提高设备防过电压能力。精心设计调度自动化主站机房的接地系统；对城区所有具备条件的变电站的接地情况进行普查，采用屏内钢条和站内铜线编织带形成单一接地点，改善系统的接地性能。在遥信采集回路中串接GKJ-02光电隔离器，提高遥信采集回路的工作电压等级(由24V提高到220V)，以隔离160V以下感应干扰信号。
(2)对于软件设计：在遥信采集软件中增加延时模块，提高伪遥信甄别能力。现行变电站中，一般由带瞬动触点的信号继电器提供远动遥信信号，信号继电器瞬动触点的动作接触时间一般大于20ms(大部分处于30ms左右，最长达到100ms)，而变电站电磁干扰引起的误遥信信号周期较多小于16ms，因此，将遥信采集软件延时16ms，可以屏蔽周期小于16ms的误遥信干扰信号。
为配合软件延时功能，更大程度地消除伪遥信，可以将信号继电器中提供自动化遥信信号的瞬动触点改为常规触点(重合闸设备的信号除外)，同时加大遥信采集软件的延时时间。
其他配合运行和调度主站系统运行的有关改造包括：修改通信软件模块，增加微机设备间工作状态的自动检测内容，自动检测通信中断故障并报警等。
4变电站微机装置防雷保护方案
本着安全可靠、技术先进、经济合理的原则，采用均、分、地、保、屏、隔离等方法，坚持综合治理，层层设防，水涨船高，整体防御的原则拟定如下技术方案：
(1)变电站地网接地电阻必须满足规程要求，否则应首先改造地网。
(2)站用变压器高低压侧应分别安装合成绝缘氧化锌避雷器。
(3)进（出）变电站控制室、电源室、通信室的380/220V电源线和信号线穿镀锌钢管（10m以上）屏蔽，钢管两端应良好接地。
(4)站用变压器配电柜应安装通流容量大的B级三相交流电源电涌保护箱。
(5)电源室、通信室应分别用B级三相（单相）交流电源电涌保护箱；直流电源处安装直流电源电涌保护器。
(6)变电站RTU应安装直流电源和信号线电源电涌保护器。
(7)变电站监控系统应安装与之相适应的同轴电缆电涌保护器。
(8)变电站通信线路的入口处应安装信号线电涌保护器。
(9)计算机电源入口处应安装防雷插座。
(10)将变电站所有导电体进行等电位连接并良好接地。现代防雷强调的就是等电位联合接地，即防雷接地、交流接地、工作接地联接在一起，这种接地方式使设备之间的地电位相等。假如不采用联合接地，就有可能在雷击瞬间引起各种接地点的电位不平衡，造成高电位点与低电位点间打火放电，此类现象称为反击。GB9361-88《计算站场地安全要求》规定：设备应采用并联接地方式。机房内均压环采用扁铜材或多股扁铜线。
万一发生多点接地，应注重接地电阻阻值的协调，最好各接地点的阻值均等，以避免出现新的电流回路。
以上只是一个粗线条的防雷保护技术方案，具体的方案应视现场具体实际情况进行分区防护，才能达到良好的预防效果。