終端的雷電電磁干擾防護(hù)
編輯：2021-11-25 09:41:50
隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和科技的日益提高,我國電網(wǎng)系統(tǒng)的升級換代也逐漸加速，電網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)展趨于智能化。其中，低壓集抄系統(tǒng)的出現(xiàn)與發(fā)展便是集中體現(xiàn)。低壓集抄系統(tǒng)在我國電網(wǎng)系統(tǒng)中的成功運行，對于我國電網(wǎng)電能表抄集與采集的智能化發(fā)展有重要推動作用，使得電網(wǎng)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程自動抄表成為可能。低壓用戶集中抄表系統(tǒng)是綜合現(xiàn)代計算機(jī)與通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的信息自動化系統(tǒng)，系統(tǒng)通過對低壓居民計量表計數(shù)據(jù)準(zhǔn)確及時采集和統(tǒng)計分析，實現(xiàn)對低壓用戶電量使用情況快速準(zhǔn)確地了解，為電網(wǎng)企業(yè)營銷客戶管理提供可靠數(shù)據(jù)保證。
在實現(xiàn)的應(yīng)用需求方面，一是實現(xiàn)遠(yuǎn)程低壓居民抄表結(jié)算，能夠?qū)Φ蛪壕用裼嬎汶娏窟M(jìn)行凍結(jié)抄讀，滿足計量電費的需要；二是臺區(qū)的線損統(tǒng)計，根據(jù)電網(wǎng)企業(yè)的管理要求，對不同電壓等級臺區(qū)線損統(tǒng)計，按月統(tǒng)計每個臺區(qū)線損，進(jìn)行統(tǒng)計分析，減少電力損耗；三是重點用戶監(jiān)測，能夠?qū)χ攸c用戶進(jìn)行高頻率監(jiān)測；四是低壓停復(fù)電，能夠?qū)Π惭b了帶控制功能的電能表進(jìn)行遠(yuǎn)程拉閘停電和合閘復(fù)電；五是開展?fàn)I銷信息系統(tǒng)接口應(yīng)用，互換低壓居民用戶檔案資料和結(jié)算電量。低壓集抄系統(tǒng)從營銷系統(tǒng)獲取低壓居民用戶的基礎(chǔ)檔案信息，同時向營銷系統(tǒng)提供低壓居民計量點的月凍結(jié)電量。
終端，常常會遇到雷擊、信號干擾等原因造成的設(shè)備損壞、在線率低等問題，特別是在山區(qū)，問題尤為嚴(yán)重。主要問題在于：
（1）低壓集抄系統(tǒng)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(lián)絡(luò)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(lián)絡(luò)線路中;
（2）雷電形成的囤積特高壓及外界干擾諧振產(chǎn)生的電壓值遠(yuǎn)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(tǒng)癱瘓。
在配變自動化系統(tǒng)中，其弱電環(huán)節(jié)中包含大量信息電子設(shè)備和新型智能電氣設(shè)備，由于其基于大規(guī)模微電子集成元器件，既敏感又脆弱，使整個設(shè)備和系統(tǒng)的沖擊耐受強度很低，成為防雷對象中弱的一個群體。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(dāng)然，電子設(shè)備中包含了許多保護(hù)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(shè)備。當(dāng)配變自動化終端落雷時，可能瞬間損壞設(shè)備，或由于感應(yīng)過電壓而可能損壞通信。
終端的抗雷電干擾能力已經(jīng)關(guān)系到電網(wǎng)能否正常工作。因此，研究終端的雷電電磁干擾防護(hù)關(guān)鍵技術(shù)，不僅可以有效提高低壓集抄系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境下的工作穩(wěn)定性，而且對增強電網(wǎng)自動化系統(tǒng)其在各種復(fù)雜環(huán)境中工作的適用性具有重要的意義。開發(fā)相關(guān)的裝置，提高生產(chǎn)效率，推動設(shè)備運維向數(shù)字化轉(zhuǎn)型。
主要研究內(nèi)容：
1、終端在雷電環(huán)境中的電磁特性研究
（1）主要內(nèi)容：研究低壓集抄和配變終端的空間、線路感應(yīng)及接地系統(tǒng)方案，研究低壓集抄和配變終端在雷電環(huán)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(hù)方案。
（2）技術(shù)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(tǒng)接收端天線的電磁干擾模型；研究雷電產(chǎn)生的電磁環(huán)境中直擊雷以及直擊雷發(fā)生時附帶著的間接效應(yīng)感應(yīng)雷的電磁特性模型，研究雷電電磁環(huán)境下的低壓集抄和配變終端抗電磁干擾防護(hù)方案；通過分析避雷針的結(jié)構(gòu)設(shè)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(shè)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(jié)合“針尖形”與“半球形”避雷針的優(yōu)點設(shè)計基于低壓集抄和配變終端的雙電極避雷針，達(dá)到在天線端防護(hù)雷電電磁干擾的目的。
2、終端在大功率電磁發(fā)生環(huán)境下的浪涌保護(hù)器研究
（1）主要內(nèi)容：研究在低壓集抄和配變終端在大功率電磁發(fā)生環(huán)境下的浪涌保護(hù)器，建立大功率浪涌保護(hù)器結(jié)構(gòu)中放電管對于高頻信號的處理模型。
（2）技術(shù)路線：
（A）大功率浪涌保護(hù)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(nèi)和以上的大功率發(fā)射設(shè)備電磁損耗特性，研究大功率發(fā)射時產(chǎn)生的高頻交流電壓問題及解決方案；研究在大功率電磁發(fā)生環(huán)境下的大功率浪涌保護(hù)器設(shè)計；分析大功率浪涌保護(hù)器結(jié)構(gòu)中放電管對于高頻信號的處理模型，研究高頻浪涌保護(hù)裝置中放電管的設(shè)計方案；研究放電元件合成技術(shù)與壓敏電阻材料改良工藝技術(shù)，分析放電管產(chǎn)生續(xù)流的問題和壓敏芯片的漏流問題，設(shè)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(jié)構(gòu)研究
通過分析大功率射頻信號發(fā)射時浪涌保護(hù)器的結(jié)構(gòu)特點和熱量生成及傳導(dǎo)模型，研究大功率浪涌保護(hù)器的散熱解決方案；通過分析連接部分導(dǎo)氣槽設(shè)計方法，設(shè)計新型結(jié)構(gòu)的封閉式大功率浪涌保護(hù)器，以達(dá)到快速散熱及防電磁屏蔽的目的，其采用設(shè)計基本方案原理如圖1所示。
圖1 散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計圖
3、終端的快速保護(hù)接地技術(shù)研究
（1）主要內(nèi)容：研究終端雷電保護(hù)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(xiàn)對終端雷電電磁防護(hù)。
（2）技術(shù)路線：
（A）終端小體積一體化設(shè)計
基于當(dāng)前終端的現(xiàn)狀，加入防雷裝置后會導(dǎo)致產(chǎn)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(hù)器如果都單獨放置會大大增加產(chǎn)品體積和重量。因此必須開展終端小體積一體化設(shè)計，將浪涌保護(hù)器設(shè)計于同一外殼內(nèi)。
（B）終端浪涌保護(hù)器設(shè)計
針對終端小體積一體化的設(shè)計需求，浪涌保護(hù)器也必須進(jìn)行科學(xué)設(shè)計。采用新型放電管及結(jié)構(gòu)設(shè)計，此放電管是串聯(lián)于內(nèi)導(dǎo)體之間，區(qū)別于傳統(tǒng)的并聯(lián)結(jié)構(gòu)；同時產(chǎn)品采用了三合一設(shè)計結(jié)構(gòu)，將終端用浪涌保護(hù)器設(shè)計于同一外殼內(nèi)。
圖2 低壓集抄和配變終端浪涌保護(hù)器結(jié)構(gòu)
4、集抄系統(tǒng)現(xiàn)場干擾信號的采集與回放測試裝置設(shè)計
（1）主要內(nèi)容：設(shè)計基于終端的雙電極避雷針，設(shè)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(shè)計機(jī)動性低壓集抄和配變終端的快速保護(hù)接地裝置。
（2）技術(shù)路線：
（A）保護(hù)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(hù)問題，而其使用環(huán)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(jù)機(jī)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(huán)境下電磁輻射問題的幾個關(guān)鍵性技術(shù)，得到雷擊情況下場量分布的數(shù)值計算結(jié)果，并在此基礎(chǔ)上獲得雷擊輻射場分布狀況及規(guī)律，為機(jī)動性低壓集抄和配變終端的快速保護(hù)接地裝置設(shè)計提供實際參考價值。
（B）帶電子點火技術(shù)的雙層金屬寬間隙的電涌保護(hù)裝置研究
本項目擬將電子點火技術(shù)與多層間隙技術(shù)相結(jié)合，同時實現(xiàn)低觸發(fā)電壓和高額定斷開續(xù)流能力，設(shè)計一種帶電子點火技術(shù)的雙層金屬寬間隙的電涌保護(hù)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(xù)流能力相結(jié)合。
為了使該裝置實現(xiàn)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(xiàn)同時點火（如圖3），利用火花導(dǎo)電的特性，使得雷電流從金屬電極處泄放。而實現(xiàn)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(chǎn)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(guān)（電容）（圖3 中c2）是對浪涌的頻率進(jìn)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(hù)器誤動作。點火電路中的氣體放電管（圖3 中GDT）也是一個關(guān)鍵元件，它的脈沖放電電壓決定了整個電涌保護(hù)器的放電電壓值，當(dāng)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(xù)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(dǎo)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(shù)的雙層金屬寬間隙的電涌保護(hù)裝置原理圖
（C）終端的快速保護(hù)接地裝置設(shè)計
終端的快速保護(hù)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(chǎn)生一個向下的力，使鉆桿通過旋轉(zhuǎn)手柄不斷傳來的扭力將其鉆入地下，當(dāng)使用完畢后可反轉(zhuǎn)將鉆桿從地下退出。
鉆頭采用專用鉆礦硬質(zhì)合金材料制作，完全滿足大部的地理環(huán)境，同時鉆頭與鉆桿采用分體式結(jié)構(gòu)設(shè)計可以重復(fù)拆卸，當(dāng)鉆頭受損不能修復(fù)時可單獨將鉆頭進(jìn)行更換，節(jié)約成本。本項目將采用螺旋傳動結(jié)構(gòu)設(shè)計，通過傳動座通過手動轉(zhuǎn)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(dǎo)電液，保證灌入的導(dǎo)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(dǎo)電性，從而設(shè)計機(jī)動性低壓集抄和配變終端的快速保護(hù)接地裝置。
