用電信息采集系統雷擊浪涌防護裝置的研制

郭 翔,汪 洲，聶文君，李學坤，劉崢旭

（國網山東省電力公司濟南供電公司，山東 濟南 250012）

0 引言

作為智能電網的重要組成部分，電力用戶用電信息采集系統應用計算機、通信等技術實現對電力用戶用電信息采集、處理和實時監控［1-2］。系統由主站、通信通道和采集設備3部分組成，其中采集設備是安裝在現場的計量設備和終端設備，負責收集和整理電力用戶的用電信息，包括智能電能表、集中抄表終端（包括集中器、采集器）、專變采集終端以及分布式能源監控終端等［2-3］。采集設備中含有數量眾多的集成電路，內部結構高度集成化，其正常運行狀態下的電壓和信號電流都很小，從而使得采集設備的耐壓、耐過流的水平較低，承受雷擊過電壓的能力較弱［4］。雷擊放電時，附近建筑物內部或一定區域內產生強大的瞬變空間電磁場，對于該區域的電氣環路產生高達6 kV的瞬態尖峰感應雷電壓，使得很多電能表和集中器燒壞，影響系統的遠程采集［5］。因此，防雷擊、防浪涌問題已成為用電信息采集系統可靠運行的重要障礙，研制用電信息采集系統雷擊浪涌防護裝置十分必要。

1 雷擊浪涌防護裝置原理

由于一般防雷工作原理都需要接地，而采集設備安裝的地點點多面廣，數量眾多，安裝工程量巨大［6］，且目前使用的采集系統的避雷器廣泛存在著無法接地或接地不良的問題。因此，雷擊浪涌防護裝置應具有安裝簡便快捷、接線方式靈活等特點，可根據現場實際情況的需要選擇內接式或外接式。

雷擊浪涌防護裝置采用等電位技術吸收雷電沖擊電流。當雷電沖擊電流進入裝置后，通過裝置內設計的浪涌吸收電路使得采集設備之間的電位差為0，從而達到電位平衡的目的，保護采集設備不受雷擊浪涌的影響，其防護作用優異且穩定。同時，采用等電位技術，使得該裝置不受接地電阻的影響，接地電阻的大小乃至不接地均不會對本裝置的保護作用造成影響，從而解決了現有避雷器存在的接地問題。

本裝置采用分級保護的設計思路，通過多個部分的配合，保護采集設備，消除雷擊浪涌的影響，提高采集設備的穩定性和安全性，保障用電信息采集系統得到準確及時的用電數據，為智能電網的建設提供強有力的保障。

2 雷擊浪涌防護裝置結構

雷擊浪涌防護裝置的結構如圖1所示，主要包括浪涌吸收電路、信號放大電路和電源電路3個部分。

圖1 雷擊浪涌防護裝置結構

2.1 浪涌吸收電路

根據分級保護設計理念，浪涌吸收電路選用陶瓷氣體放電管、壓敏電阻和瞬態抑制二極管等元器件，其與智能電能表和信號放大電路相連，能夠高效吸收雷電及浪涌。

浪涌吸收電路如圖2所示，由前級保護電路、退耦保護電路和后級保護電路3部分組成。其中，前級保護電路采用陶瓷氣體放電管FD1，并將其并聯在輸入端A1和B1之間；退耦保護電路采用壓敏電阻RX1和RX2，串聯在輸入端和輸出端之間；后級保護電路則采用瞬態抑制二極管TVS1，將其并聯在輸出端485A和485B之間。

當雷擊發生時，雷電信號依次通過前級、退耦和后級保護電路。首先，前級保護電路的陶瓷氣體放電管在正常工作狀態下具有高阻抗、低電容的特性，對電路工作無影響。但當雷擊信號進入電路時，其被瞬間擊穿放電，阻抗接近于0，使電路呈短路狀態，從而將過電流通過回路泄放，并限制了電壓的升高，對雷電信號進行了吸收。接著，退耦保護電路的壓敏電阻利用其非線性的特性對過電壓進行箝位，達到退耦作用。最后，后級保護電路的瞬態抑制二極管在兩端受到反向過電壓時，阻抗由高變低，可以吸收高達數kW的浪涌功率，從而有效地保護元器件［7-9］。

圖2 浪涌吸收電路

浪涌吸收電路中各級電路的元器件間相互配合，逐級對雷電進行吸收、退耦，通過分級保護方式，有效保護線路和元件。

2.2 信號放大電路

傳統的RS-485隔離器電路結構復雜，并且通信波特率不能自動適應總線波特率變化。因此，本裝置的信號放大電路需要結構簡單，同時對兩側數據能夠進行有效傳輸。

信號放大電路采用自動流向的控制方式，使得控制信號由總線通信數據本身自動產生，不需要其他外接控制。通信方式采用波特率自適應技術，自動匹配通信的波特率，從而數據傳輸能夠實現實時透明，不受總線波特率變化的影響。同時，本裝置采用光電隔離阻斷技術，可以避免雷電波串入到下級電路，對下級電路進行有效的保護。

信號放大電路如圖3所示，該電路為對稱結構，主要包括通信電路和電氣隔離電路，均為雙路。RS-485收發器U1和U3構成了通信電路，光耦合器U2和U4構成了電氣隔離電路。

信號放大電路中RS-485收發器U1和U3的輸入端分別連接浪涌吸收電路和采集終端，電源端則分別連接電源電路的輸出電壓VC和VD，U1和U3的接收器輸出端分別連接光耦合器U2和U4。同時，光耦合器U2和U4的輸出端分別連接RS-485收發器U3和U1的驅動器。

圖3 信號放大電路

圖4 電源電路

當雷擊發生時，雷電信號通過浪涌吸收電路后進入信號放大電路。其中，光耦合器以光為媒介進行信號傳輸，可將輸入與輸出之間電氣隔離，具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力，從而避免雷電波串入到下級電路造成受保護元器件的損壞。另外，由于光耦合器的信號傳輸具有單向性的特點，為了實現智能電能表和采集終端之間數據的相互傳輸，因此，通信電路設計為雙路。

2.3 電源電路

電源電路用于將220 V的市電經過降壓整流濾波后向信號放大電路中的RS-485收發器和光耦合器提供直流電壓。為保證電源電壓的穩定，本裝置的電源電路采用雙電源設計。電源電路如圖4所示，主要包括變壓器、整流電路和穩壓電路3部分。其中，整流電路由整流器組成的整流橋BR1和BR2構成，穩壓電路由穩壓器U5和U6構成。

220V的市電經變壓器TR1降壓后進入整流橋BR1和BR2，經過整流橋的整流后進入穩壓器U5和U6，最后輸出為穩定的電源電壓VC和VD。

3 雷擊浪涌防護裝置的應用

3.1 技術指標檢驗

研制的雷擊浪涌防護裝置通過專業測試機構進行了測試，包括電磁兼容測試，溫升、耐沖擊電壓、殘壓等主要技術指標測試。經測試，電磁兼容性相關指標符合GB/T 17626.5—2008 《電磁兼容 試驗和測量技術 浪涌（沖擊）抗擾度試驗》的要求，溫升值低于60℃，沖擊電壓為30 kV時，裝置元件無擊穿、無損壞，在30 kV/15 kA組合波下的殘壓小于520 V，達到了設計要求。

3.2 現場應用

以濟南市槐蔭區為例，轄區共有智能電能表和集中器83 188塊，經統計每年因為雷擊而損壞的智能電能表和集中器約為6 000塊，占總表計的7.3%。2016年汛期到來前，在所有雷區范圍內的采集設備中安裝了所研制的雷擊浪涌防護裝置，安裝過程中，雖然采集設備安裝的地點復雜且數量眾多，但由于本裝置不需要接地，且接線方式靈活，可以根據現場實際情況的需要選擇內接式或外接式，適用于目前主流智能電能表和集中器，安裝簡便快捷，因此工程進展迅速。

防汛期間（6—8月），每次雷雨過后，對系統提示有問題的采集設備進行現場巡視，查看智能電能表和集中器，檢查是否黑屏或測量是否短路，累計巡視13次。經統計，安裝研制的雷擊浪涌防護裝置后，智能電能表和集中器因雷擊燒毀率為0.855%，其中黑屏420塊，短路291塊，較安裝前有明顯下降。

因此，通過使用該裝置，可以大幅度提升采集設備的平均故障間隔時間，減少采集設備的故障次數與維修次數，降低維修費用，從而減少采集設備維護所需的人力、物力和財力。同時，采集設備的可靠運行保證了用電信息采集系統能夠高效可靠地采集和實時監控電力用戶的用電信息，保證了智能電網建設的順利進行。

4 結語

為提高電力用戶用電信息采集系統的防雷擊、防浪涌能力，采用分級保護設計思路和等電位技術，研制用電信息采集系統雷擊浪涌防護裝置。該裝置具有安裝簡便快捷、接線方式靈活、防護作用優異且穩定、不需要接地等優點。該裝置已通過專業機構的技術指標檢驗，實際應用證明該裝置增強了用電信息采集系統對雷擊浪涌的防護能力，有效避免了采集和電源設備燒毀、損壞等現象的發生，保障了用電信息采集系統的可靠運行。