农村电网智能电表系统雷电灾害深入实践

蒋 嵘 施 晰 胡 敦

（国网金华供电公司，浙江 金华 321000）

1 试点情况

2012年，国网浙江金华市金东区永红村智能抄表系统进行了防雷浪涌保护器安装试点，主要防雷方案在出线柜安装B级电源浪涌保护器，在集抄器箱安装C级电源浪涌保护器，在智能电表终端485端口进行安装信号浪涌保护设备（见图1）。

图1 农村电网智能电表系统防雷灾示意图

安装情况统计：200组三相B电源模块安装出线柜，500组单相C级模块安装集抄器，7000个电表箱内安装485信号端口浪涌保护器；通过对永红村智能电表系统防雷实施效果跟踪分析，2013年整个雷雨季节仍有760个智能电表不同状况损坏，不能准确读出数据。经过对损坏途径现象分析，由智能电表电源端口入侵过来的造成损害电表数有 515台，其钟，通过485端口入侵过来感应雷电流造成损坏电表有245台；2014年整个雷雨季节有986台智能电表具有不同状况的损坏；经过分拆电表并根据其损坏路径分析，通过智能电表电源端口入侵过来的造成损害电表有624台，通过485端口入侵过来的感应雷电流造成的损坏电表有362台。

通过两年来试点情况统计分析，现有智能电表系统防雷方案实施效果不能完全满足要求：现有防雷方案在总配电柜侧安装一级电源SPD，大多数电表集抄器以及终端电表分别安装少量电源及485信号端口浪涌保护器；由于总配和集抄器在户外，架空后经过一段距离才到户表。现有总配设置B级，C级电源SPD对集抄器或进户电表起不到很好的防雷保护作用，并且终端智能电表只对485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。因从同一条电缆中架空过来的相线、中心线以及通信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485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。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485通信接口。针对此现状，新开发一款具有电源端口及485信号端口二合一浪涌过压保护器产品。

2 村镇智能电表系统防雷新对策

2.1 电涌保护器实现

众所周知，随着 21世纪电子设备越来越精密化，所用电子器件越来越小，对抗干扰度的能力越来越弱，一般的电子设备内部通信接口在未加装外置电涌保护设备的情况下，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。同样，在我们智能电表的RS485信号线路接口以及电源 L，N线路端口一旦线路上感应产生雷电过电压或遭直接雷击，极容易干扰设备或损坏设备。所以需要在智能电表接各进出线路接口处须安装防雷浪涌保护器，由于SPD的限压的作用，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，从而保护智能电气系统或设备免遭损坏。

根据试点情况评估结果分析，若需要对智能电表设备进行综合保护，除了该有的接闪，均压，屏蔽等措施之外，在每根RS485信号端口及每根相线、中心线和通信线在电表箱内设备前端都要安装SPD如图 2所示。为此专门设计了一款针对入户表相220V电源加485信号二合一浪涌保护器。此款二合一浪涌保护器安装智能电表；此外，针对集抄器端浪涌保护设计了380电源485信号二合一浪涌保护器产品，以达到对采集器的浪涌保护。

图2 农村电网智能电表系统防雷灾示意图

2.2 电源信号二合一浪涌保护器产品设计

智能仪表的通信通道大致分为两条，一条为电源端口传输通道，另一条通道为485信号线路通道。智能电表的电源端口及信号线路端口的微电子器件耐冲击电压水平低，极易受到雷电波入侵。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，已成为智能电表电源接口及RS 485接口防雷保护，加强设备可靠性的必要措施。

根据GB 18802.1等针对电源浪涌的需进行多级保护分级泄放的防护原则，需要在配电柜集抄器处安装相对于采集器端上一级的380三相电源浪涌保护器，在入户端采集器安装单相的第二级电源浪涌保护，达到电源线路二级浪涌的泄放，使进入到设备的残压达到设备允许的范围之内；另外针对 485信号通道防雷设计，产品线路上设计采购共模差模二级设计，以满足泄流和限压的要求，如图3所示。

图3 485控制+单相电源二合一防雷器电气原理图

1）产品设计原理

产品电气原理图如图4所示。

图4 485控制+三相电源二合一防雷器电气原理图

2）实验分析（1.2/50μs组合波冲击测试分析）

我们选取波形为 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及信号A-B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5所示。

图5 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。残压波形前端脉冲是放电管放电导通阶段，也叫共模对地放电过程；之后为瞬态抑制二极管限制电压的过程，也叫差模保护。图中可看出实际冲击电流幅值为4.89kA，残压值约为 28.8V。共模保护及差模保护相互配合，依次启动；共模保护进行大电流的泄放，差模保护进行电压的钳制，使流过的过电压在智能电表保护范围之内。电源 L，N在 5.13kA冲击电流幅值下，L-PE残压值约637V，共模保护（线对地）残压值限制在637V左右，一般L-PE的瞬间脉冲电压的电磁抗扰度远大于637V以上，所以L、N电源线接口将受到电涌雷击的保护。

2.3 新方案实践结果分析

在2015年5月期间在国网浙江金华婺城区金西供电所所辖一小片区，在集抄器中安装有200台三相电源信号二合一浪涌保护器，在智能电表终端安装有1400台220V电源信号二合一防雷器；从最近5月，6月，7月的雷雨天气来分析，效果非常明显。

1）安装前后对比。安装前有被雷击损坏智能电表及集抄器概率有40%左右，安装后除了有一个集抄器打坏之外，其它地方无一损坏，直接降至0.1%左右。并且损坏的集抄器主要原因是在高铁线路雁沿线下面的空旷地带，其受雷击的概率非常大，那一片共四个集抄器，没有安装浪涌保护器之前每次雷击，集抄器100%雷击损坏；安装后只有一台出现问题，直接降到25%。

2）安装片区与未安装片区对比。安装过片区跟没有安装片区相差非常大；安装片区终端电表没有一台受到雷击损坏，未安装片区第一次雷击打坏400多台智能电表，在经过批量换表后，第二次雷击又损坏800多台智能电表；而已安装片区二次雷击未有一台智能电表损坏。

由此可见，新方案中采用的在总配电柜中安装一级电源防雷保护器，集线柜中安装三相电源信号二合一浪涌保护器，智能电表终端安装 220V电源信号二合一浪涌保护器这种三级保护，并且电源信号同时防护的方案效果是非常明显的，值得进行推广实施。

3 结论

对农网电力设施和智能电表防雷灾害而言，在具有良好的满足要求的接地进行等电位连接的情况下，智能电表以及集抄器的雷击损坏主要是通过RS485信号线路及电源端口的 L、N线路的感应雷击；所以需要通过对电表485线端口做电涌保护，以及相线或中心线也就是电源端口电涌保护将导致横向放电进行分流及电压钳制。本文所述 220V电源信号二合一保护器以前 380V电源信号浪涌保护器正是可以满足分级保护及电源信号同时保护的要求；总的来说，一个比较完整的防雷保护措施需要将接闪、分压、屏蔽、接地、等电位、电涌保护等防雷技术综合应用才能更好衡量防雷效果，确保设备雷击系统安全。

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