农村电网智能电表系统雷电灾害分析及对策

徐金亮 徐 斌 唐学东

（国网金华供电公司，浙江 金华 321000）

近年来，在国家智能电网的建设中，农村电网电表系统进行了广泛的智能升级，更新为智能电表。智能电表用来测量、收集、储存、分析用户用电信息，通过通信网络把用户和电力公司紧密相连,为配电自动化等智能电网功能的实现奠定基础[1]。但由于相应的防雷技术没有跟上，农村低压配电系统出现了智能电表由于雷击而大量损坏的现象。一次雷暴过程就可能造成几十只乃至几百只表损坏，雷电不仅导致仪表设备的直接损失，还造成用电量计费损失。甚至发生电表箱炸裂导致供电中断，农村用户电器财产损失的现象[2-3]。

2012年4月10日与4月28日，浙江金华发生雷暴过程，仅仅金华市曹宅所范围内就导致35个台区总共270只表计损坏(采集器损坏6只、采集器模块4只）。此后，6月8号、7月5号又有100多只表损坏。8月18号更有425只表一次性发生损坏。

变配电线路和电气仪表设备的防雷技术在国内外广泛应用，相对成熟[4-7]，IEC和ITU相继发布了关于雷电防护的标准和规范，但由于行业和地区差异，针对中国农村农配电网架线方式、电表箱安装位置及方式、接地装置有无及形式等特点采取的防雷技术极为有限，研究不够，相关电涌保护产品也不能适应现场需求。照搬它们在农村进行雷电防护必然有所欠缺。智能电网的实现是大势所趋，取而代之的是具有双向通信功能的智能电表，使得用户和供电公司进行实时信息交互。但这也带来了更多的雷电损害风险[8-10]。

本文以浙江金华农村配电网智能电表系统雷击案例为对象，针对区域雷电环境、雷电对农村电力线路及设备的危害方式和途径分析，现场勘查农配网线路及电表箱在农舍安装情况、现有防雷技术运用包括接地和电涌保护等情况，综合分析农配网尤其是智能电表的抗过电压（雷电电涌）能力，提出有针对性防雷技术措施，以期改变农村智能电表受雷电严重威胁的局面。

1 农配网及智能电表系统雷电灾害风险分析

1.1 雷电危险性分析

气象资料统计表明：金华市年平均雷暴日 61.9天。简单计算雷击大地密度约为6.19次/km2a。属于雷暴高发地区。金华周边地区雷击频度多于金华市区[2]。分析金华市曹宅所区域内智能电表频遭雷电灾害的原因，其损坏形式多半为雷击后采集器损坏、电源指示灯不亮，通信模块坏、RS485口损坏，导致所有表计抄不到等现象。通过现场勘查调研，首先分析导致雷电灾害灾害发生的风险源。

对农网电力设施和智能电表而言，雷电流是损害源。按雷击点相对于线路和电表的位置，雷电灾害风险源一般应包括以下几方面。

1）雷击电力设施或混凝土杆塔

雷击农配网电力设施的站房或混凝土杆塔可能使金属导线或电缆屏蔽层熔化；或者由于耦合使线路和相连设备的绝缘击穿。

2）雷击入户线路

雷击入户线路可能导致雷电流产生的电动应力或热效应，使金属线屏蔽层断裂、熔化、塑料绝缘穿孔使金属线受到机械损害、线路绝缘击穿导致与之相连电表的直接电气损害。

3）击农舍或入户电力设施邻近大地

雷电击中低压配电线路杆塔或附近农舍、大地、树木等，由于雷电感应导致的线路过电压形成雷电波入侵。

由于村镇配电线路除了主干线路外，大部分架空穿行在2、3层的农舍之间，因此，雷电直击线路的几率不大。从现代雷电防护的需求考虑，更为严重的是雷电感应产生的过电压波，它的概率远比直击雷大得多，线路附近的落雷都足以在这些架空导线上产生感应电压。例如，距离输电线500m远处的闪电，50kA的闪电电流就可以在4m高的架空导线上产生l0kV的感应过电压。

1.2 雷电易损性分析

1）线路及智能电表耐雷水平分析

根据IEC 62305-2，低压电气设备的冲击耐受电压UW，传统电气计量仪表其耐压额定值约为6kV，配电线路和分支线路设备如配电盘、断路器、布线系统其耐压额定值约为4kV，虽然0.22kV的线路电缆的耐冲击过电压值达到15kV，但由于智能电表将通信技术融入在新型的电子式计量设备中，其通讯模块耐压额定值仅约为 1.5kV，属于弱电设备。对金华乡镇而言，雷电流强度平均约40kA，引起电表开关受损的雷击位置距架空线路水平距离约为

也就是说，平均而言，只要雷电击中农网线路附近1000m以内的地方就有可能导致电表箱开关设备受损。可见，如果没有有效的屏蔽、接地、等电位、电涌保护等的防雷技术的综合应用，农配网及智能电表系统显得非常脆弱。

2）村镇智能电表防雷现状分析

现场勘测发现，村镇智能电表系统防雷措施严重不足。首先，所有架空电源线均非屏蔽电缆，也无穿金属管屏蔽措施。当然考虑到经费问题，这种情况不易改善，雷电击中附近房屋、树木或大地都会在线路上危险的感应过电压波。

其次，最致命的问题是大部分终端电表箱无接地、少数有接地但不符合要求。要么接地电阻达不到要求，要么单设的接地装置在房舍下但未与建筑物基础钢筋做总等电位连接，当雷电击中建筑物时，由于地电位反击造成电表箱开关、电表损坏，甚至造成家用电器损坏。现场看一些接地措施不得当。比如，利用通信线的屏蔽层当做接地线，提供给设备或终端SPD。我们知道，雷电流等值频率很高，截面积很小，长度很长的通讯线缆屏蔽层感抗会非常大，利用它作为接地线泄放雷电流显然是无效的。

第三，金华市各村镇一般只在总配设置一级电源SPD，大多数电表集抄器以及终端电表基本都未安装电源和信号SPD；即便安装了少量SPD，也因为无符合要求的接地，线路上感应的雷电过电压无处泄放而不能发挥作用。由于总配和集抄器在户外，架空后经过一段距离才到户表。故总配设置的第一级电源SPD对集抄器或进户电表不起任何防雷保护作用！此外，一些电表只对RS485线端口做了电涌保护，而相线或中心线未作电涌保护，这也是无济于事的。从同一条电缆中架空过来的相线、中心线以及通讯线在发生闪电时都会感应基本相同的过电压，必须同时限压，否则，信号SPD将信号线上的电压限制了，但会造成相线和中心线电位远大于通信线电位，由于电表中距离非常近而发生放电现象损坏电表。本来A/D转换器的选取采用RS485标准差分传输方式，或者称作平衡传输。RS485以一对双绞线为载体，这种平衡差分电路可以有效的抗雷电感应这样的共模干扰。由于没有考虑综合采取防雷措施，全面安装SPD,电表中的绝缘隔离距离又不够，很有可能发生从电源端口窜过来的横向过电压（二次放电）损坏RS485通信接口。

第四，通信电缆虽然用的是屏蔽电缆，但屏蔽层并未在二端接地并和各自所连设备等电位连接，而是在电力设备端接地，在终端表箱端未接地，这种单端接地方式可以防止静电感应，但对架空线与大地组成的回路面积内由于电磁感应产生的干扰屏蔽效果基本为零。必须对室外架空信号线缆屏蔽层进行二端屏蔽接地处理。

2 村镇智能电表系统防雷对策

2.1 接地技术的实现

前述的雷电灾害成因非常明确，但限于政策、经济等原因，有些技术不易实现。例如，接地不符合要求是造成村镇电表系统大量损失的主要原因。在电力部门管辖的区域如变压器接地、杆塔接地以及一些公用电力设施接地系统易于强化设计施工，从而解决接地问题。但在农户外墙进户电表箱位置，现阶段基本都没有设计安装接地装置，原因是供电部门与农户沟通协调有问题，不愿意使用农舍建筑基础内的钢筋作为自然接地体，以防今后出现电器损失等发生责任纠纷。

其实，浙江金华村镇相对富裕，农舍普遍都是2、3层楼房，大都采用闭合的环、网型条形基础，这相当于IEC所提出的B型接地。它具有天然的均压、泄流等接地功能。只要电力部门与住户沟通，充分利用建筑基础中的钢筋作为大型接地装置，电力线路及电表系统包括农户电器的雷电安全将得到大幅提升。而成本却非常小，只是利用和连接问题。

2.2 电涌保护

智能电表的内部通信接口在未加装外置电涌保护器的情况下，一般都不能达到ITU组织（国际电信联盟）所规定的的抗扰度要求，极易遭到损坏。因此，必须在智能电网或智能电表的各进出通信传输线路商安装相应的电涌保护器（SPD）或信号隔离器。一旦线路上感应产生雷电过电压或遭直接雷击，由于SPD的限压作用或由于隔离器的作用，智能电表系统各设备的进出线路接口电压将被限制在耐受冲击电压值以下。达到基本等电位，从而保护智能电气系统或设备免遭损坏。

由于考虑到一只智能电表的价格并不昂贵，若要全面对电表进行防雷保护，除了需要上述接地措施外，每根相线、中心线和通信线在电表箱内设备前端都要安装SPD，也许这些SPD比智能电表本身还要花费大，这就是农村电表箱防雷的问题所在。一个单相供电至少需要二个电源SPD模块，还需要一个RS485接口信号SPD模块，且二种模块防雷参数不同。SPD安装在电表集抄器和电表信号端口以及电源线端口。

3 RS485接口SPD级间配合的设计

智能仪表的通信通道大致分为两条，由于通信接口的微电子器件耐冲击电压水平低，极易受到雷电波入侵[11-12]。因此，有针对性的设计接口电涌保护电路或加装线路电涌保护器，减小雷电感应过电压对智能电表系统的干扰和破坏，已成为智能电表RS485接口设备防雷保护，加强设备可靠性的重要工作。此外，还必须重视选择传输特性符合要求的信号SPD，否则会造成信号传输速率下降、误码率增加、传输距离缩短等问题。由于农配网线路大多为架空，所以一级SPD不能同时满足泄流和限压的要求，必须至少设计2级SPD才能达到泄流和限压的目的，这里还涉及到级联配合问题。

3.1 设计计算

设智能电表RS-485接口线路上最大干扰电平为±Umax，最小干扰电平为±Umin，考虑一定的比特率和内阻，则不使计算机串行异步通信出错的接收线路上接入的最大电容C一般为nF级。

由于通过信号线路入侵智能电表系统的雷电过电压波幅值一般在数 kV以内，为完全保护智能电表等电子通信设备，应该设计多级保护电路。即在SPD的第一级利用放电管对暂态雷电过电压波进行分流，残存的较高残压利用后级瞬态抑制二极管将电涌电压箝位在接口设备耐受冲击电压值以下[7]。由于放电管具有较高的放电电压和较长的导通响应时间，为了实现二级SPD器件间的能量配合[8]，使GDT在暂态过电压波到达TVS之前导通泄流[9]，以保证 TVS管不被击穿，应该在前后级 SPD之间加装级联配合电阻（又称退耦电阻）。配合电阻值阻值的选取应在保证SPD保护效率的前提下，尽量减小因加入配合电阻而对信号线路正常传输造成的影响，也就是要考虑SPD的传输特性。一般情况下信号线路中分布电容值越大，对信号正常传输的不利影响越大[10]，而由于TVS管的分布电容值很大，因此需要在后级电涌保护电路中加装硅堆，以减小对信号传输的影响。典型的RS485信号类SPD电路设计原理图如图1所示，其中前级放电管GDT的直流放电电压约为90V。

图1 电路设计原理图

3.2 实验分析

1）配合电阻选取实验

选取不同阻值的配合电阻，分别制成RS-485智能电表专用数据接口SPD，选用1.2/50μs开路电压波以及1.2/50μs、8/20μs组合波，进行L-PE间冲击测试。记录其残压值、限制电压和两级通电涌电流容量。实验结果如表2及表3所示。

从表2以及表3中都可以看出，几个试验样品在组合波冲击作用下，限制电压值基本一致，说明配合电阻大小对试品的限制电压影响不大。而在8/20μs短路电流波的冲击作用下，配合电阻阻值小于2.2Ω的试验样品无法得到残压值，配合电阻阻值大于2.2Ω的试验样品残压逐渐增大。说明配合电阻阻值小于2.2Ω的试验样品前后两级之间未能实现能量级联配合，导致电涌来袭时，前级放电管并没有动作，而是所有的电涌电流全部通过了后级TVS管，以致TVS管难以承受而被击穿损毁。配合电阻阻值大于或等于2.2Ω的试验样品两级保护之间顺利实现能量级联配合，前级放电管成功及时导通，后级瞬态抑制二极管只分得一小部分雷电流，达到了多级SPD应该具有的分流和限压的配合效果。但随着配合电阻阻值的进一步增大，SPD残压值将越来越高，保护性能逐渐下降。显然，取2.2Ω作为二级线路电涌保护的配合电阻最为理想。

表1 不同冲击波形下几种配合电阻残压情况

表2 各试品前后级通流量

2）多级信号类SPD分布电容实验

利用元件分析仪，分别对装有硅堆和未装硅堆的信号类SPD产品的线-线间及线-地间分布电容值进行多组测试，测试结果如表4所示。

表3 多级信号类SPD分布电容

装有硅堆时，线-线间及线-地间的平均分布电容值分别为120pF，16pF；没有装硅堆时，线-线间及线-地间的平均分布电容值分别为338pF，43pF。实验结果表明：加装硅堆对减小分布电容值作用明显。

3）组合波冲击测试

利用雷电冲击试验平台，选取波形为 1.2/50μs的开路电压波和 8/20μs短路冲击电流波（幅值为4kA）的组合波对试品SPD的L-PE间进行冲击测试。实验结果其残压波形及电涌电流波形如图2所示。

图2 L-PE间残压、电涌电流

图2中，左边测试通道为电压通道波形，右边测试通道为电流通道波形。图中可看出出实际冲击电流幅值为3.76kA，残压值约为70V。残压波形前端脉冲是放电管导通过程，之后为瞬态抑制二极管限制电压的过程，两者相互配合，将电压值限制在70V左右。一般RS-485数据接口的电磁抗扰度远大于70V，接口将得到电涌保护。

4 结论

对农网电力设施和智能电表而言，雷电击中低压配电线路杆塔或附近农舍、大地、树木等，由于静电感应和电磁感应导致的线路过电压形成雷电波入侵是主要损害源。农户电表接地不能满足要求甚至无接地或者单设的接地装置未与农舍基础钢筋做等电位连接，由于地电位反击可能造成电表箱开关、电表损坏；只对电表RS485线端口做电涌保护，而相线或中心线不作电涌保护将导致横向放电损坏电表。必须将屏蔽、接地、等电位、电涌保护等防雷技术综合应用才能保证智能电表系统安全。RS485接口SPD结构设计中加装硅堆对减小线路接入元件后的静态分布电容值作用明显。在同时考虑信号线路传输特性并强调SPD保护效率的信号类多级SPD保护器设计中，阻值为2.2Ω的配合电阻为多级线路电涌保护器的最佳选择。

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