维普资讯 http://www.cqvip.com ３２ 华北电力技术 ＮＯＲＴＨ ＣＨＩＮＡ ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＰＯＷＥＲ 低压供电系统瞬态过电压及其防治 Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ Ｏｖｅｒｖｏｌｔａｇｅ ａｎｄ Ｉｔｓ Ｐｒｅｖｅｎｔｉｖｅ Ｍｅａｓｕｒｅｓ ｏｎ ＬＶ Ｐｏｗｅｒ Ｓｕｐｐｌｙ Ｓｙｓｔｅｍ 南 海 供 电 局（广东南海５１０６４０） 中国矿业大学北京校区（北 阮绵晖 李 升 王彦文 京１０００８３） 摘 要：电力系统瞬态过电压对电网的用电设备 具有很大危害，轻则减少设备的使用寿命，重则直 接摧毁设备，因此必须对电网进行保护。由于电力 系统复杂而庞大，并且产生的过电压种类繁多，维 护起来有相当的难度。为此从分析各种瞬态过电 压的产生原因入手，结合电力系统的特点，提出一 套切实可行的过电压防治方案。 关键词：供电系统；过电压；电力载波；智能管理系 统；防护 中图分类号：ＴＭ８６ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１００３—９１ ７１（２００２）０７—００３２—０３ １ 瞬态过电压的种类 电力系统的各级电网及其各种电气设备均在 其额定电压下工作，额定电压是电气设备长期正 常运行的电压，在实际生产生活中往往由于电力 系统内部和外部环境的种种因素造成电力系统的 电压升高（形成过电压）。其危害是，造成断路器跳 闸、电气设备损坏、人员伤亡、停电甚至火灾等事 故。过电压产生的原因主要有以下５种。 １．１雷电过电压 由于带电雷云的感应，使地面与雷云间形成强 大的电场。当电场强度达到空气游离的临界值时， 便发出强大的雷闪光和雷声，形成雷电。由雷电引 起的过电压分３种：一是电力系统的电气设备、线 路等被雷电击中并成为强大雷电流的泄放通路，称 为直击雷过电压；二是带电云层位于架空线路上 方，由于静电感应使架空线上感应出与云层电荷相 反的电荷，形成高电位，从而造成过电压，称为感应 雷过电压；三是雷电波侵入过电压，即当电力系统 遭受感应雷和直击雷后形成的高电位雷电波沿输 电线路侵入变配电所或用户造成的过电压。 １．２操作过电压 电力系统的阻抗通常为感性阻抗，感性阻抗 属于储能元件，能把瞬态过程产生的能量存储在 系统中，在合闸、分闸，即开关操作过程中引起负 荷骤变，根据“＝Ｌ×ｄｉ／ｄｔ，即使数值不大的电流 迅速变化时，电感上都会感应出极高的过电压。 １．３电磁辐射 核爆炸或发射电磁脉冲弹时。会产生高密度的 交变电磁场，不仅会使处在这一电磁场中的导体感 应出较大的电动势，还会在附近的传输信号线路、 埋地电力线、设备间连接线等部位产生感应电流并 侵入设备，使连接在线路上的设备遭到损害。 １．４故障过电压 在中性点不接地的电力系统中，当发生单相 接地故障时，不仅会产生非故障相的相电压升高 到线电压而引起的过电压，而且还会由于系统中 分布电容的存在，而产生间歇接地过电压和振荡 过电压。 １．５太阳黑子过电压 太阳黑子产生的辐射引起电网过电压。 ２瞬态过电压的危害 瞬态过电压在很大程度上危及甚至摧毁电器 和电子装置。一般的电气设备因其工作电压高，能 够承受较高的电压波动。现代微电子设备的集成 度愈来愈高。抗干扰能力低，对电磁环境要求高， 例如，当建筑物遭受６０ ｋＡ的雷击时，其内部线 路上的感应瞬态电压可达到６ＯＯ～３ ８００ Ｖ。这时 对一般电气设备可能是安全的，但对建筑物内部 的微电子设备十分危险。如果瞬态过电压超过电 子设备的承受能力，那么设备或者被破坏，或者寿 命大大缩短。以计算机为例，当电压超出计算机所 能承受的范围时，计算机将出现乱码、意外的数据 错误或接受／传输数据失败，并产生原因不明的故 障和硬件问题。例如，北京月坛电视发射塔遭雷 击，损坏发射设备、计算机、电视机、电话机，８个 寻呼系统停机６０ ｈ；北京人民广播电台中波台遭 雷击停播等。美国９５％的主要计算机设备都安装 维普资讯 http://www.cqvip.com 华北电力技术 ＮＯＲＴＨ ＣＨＩＮＡ ＥＩ ＥＣＴＲＩ Ｐ（）ｗＥＲ 了过电压防护器，中国则不到５ ，而我国的电力 系统对计算机的损坏是美国的５０倍。一般情况下 毁坏事故留下的场景是导线损坏、线路板烧坏或 者开关电器烧毁等，甚至建筑物电气安装系统遭 到明显的机械性摧毁。仪器设备需要长期可靠地 正常工作，一旦遭到损坏，除了要支付重新购买或 修理费用外，有关设备部件中断运行期间造成的 间接损失甚至软件和数据的丢失也会产生费用。 据统计，每年仅雷电就给全球造成十亿美元的损 失，我国每年雷电所造成的损失也超过亿元。对于 电子信息时代，过电压越来越不能被容忍．必须采 取可靠措施加以防护。 ３ 目前国内外解决方案 由于电网环境的复杂性，给防护工作增加了 难度，为达到最佳防护效果，一般采用多级保护。 一］ ［二 制一 德国ＰＨ（）ＥＩＸ公司在瞬态过电压保护领域内 凋一 具有丰富经验，其保护方案（三级保护）包括粗 级保护、中级保护和仪器设备保护。相应形成的 产品是ＦＩ ＳＨＴＲＡＢ系列、ＶＡＩ ＥＴＲＡＢ系列和 ＭＡＩＮＳ—ＰＩ ＵＧＴＲＡＢ系列。各级保护之间的主 要区别：其放电能力不同；在被保护设备及设施内 的安装位置不同。国内解决方案一般是在被保护 设备前加装保护设备，如由压敏电阻、放电管等过 电压保护元件组成的浪涌抑制器，必要时也采取 分级保护。保护设备的选择及安装基本原则为：同 耐同级、分级保护、级间协调、位置合理，最终达到 残压低于耐压水平。 ４过电压防治的智能管理系统 上述无论采取何种防治方案，都仅仅是在就 地端进行保护，而就地端通常无人值守，当保护设 备发生损坏时，不能及时发现和维护，对于低压电 力系统．管理起来很不方便。为解决这一难题我们 采用单片机控制的智能化管理系统。其关键技术 有以下２点。 ４．１对保护元件的智能化检测 由于保护设备和元件具有动作不经常性以及 寿命短的特点，给检测增加了难度，一般很难直接 判断元件的好坏，但是，保护元件的寿命是已知 的。据此，我们可以对电网过电压次数进行检测， 从而间接判断是否应该对保护元件进行更换。 ４．２实现远程通信和网络报警 低压电力系统设备分散．维护、维修工作量 大，使用智能化的集中管理不仅可以保证保护元 件在健康状态下运行，而且可以节约人力。该系统 采取主从结构的单片机多级电力线载波通信，结 构如图１所示，主机和所有从机都通过调制解调 器ＰＩ ２０００Ａ和电力线相连，形成远程通信和网络 报警系统。 ＿＿１一 图１ 单片机多机电力线载波通信系统结构图 ５ 系统设计 ５．１装置的基本结构 ５．１．１ 电网的三级保护 依据以下３个原则进行设计：（１）保护设备残 压的精确计算．包括引线电感在波过程中产生的 压降；（２）由于用电设备的耐压水平各异，用１台 保护设备来保护整个配电网络，在技术和经济上 都是不可行的，所以整个网络必须根据设备耐压 等级来进行分级防护，因此涉及到多级保护的协 调性分析和计算；（３）同一保护级的用电设备数量 可能为多台，那么保护设备的安装位置．首先要保 证保护设备均处于保护范围之内．且还要保证到 达用电设备上的残压最小。 ５．１．２ 单片机管理系统 该子系统完成计数、显示、查询、通信、报警等 功能。 （１）计数：包括过电压信号检测、脉冲整形电 路、计数器３部分。利用脉冲跟踪实现对过电压信 号的检测。 （２）显示：采用亮度较好的数码管实时显示 各相保护的动作次数和动作时间。 （３）查询：查询各相每一次动作时间。 （４）通信：将各子站电压防护装置动作数据 及状态通过动力载波传到主站进行集中管理。 ５．１．３ 栽波通信 通信方法：无线通信、电话通信及光纤通信。 维普资讯 http://www.cqvip.com ３４ 华北电力技术 ＮＯＲＴＨ ＣＨＩＮＡ ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＰＯＷＥＲ 动力载波对于本系统具有无法比拟的优越性，其 据的正确性进行判断。 成本低，不用单独布线，又适应系统高度分散的特 以上代码除数据块外都为１个字节，数据块 点。该装置采用先进的电力载波扩频通信芯片 的长度为１～１６字节，如超出此范围，则分批传 ＰＬ２０００，具有以下特点。 送。 （１）ＤＰＳＫ直接序列扩频； ５．２硬件设计 （２）先进的数据信号处理； （１）脉冲检测电路：包括脉冲检测、控制信号 （３）内建数字锁相环路、快速锁定； 形成电路和ＬＥＤ计数显示３部分。 （４３内建上电复位电压监测及看门狗电路； （２３系统主回路设计：设计三级保护电路，并 （５）同步及跟踪特性软件可调。 配以阻容吸收电路及解耦电感，保证三级保护可 ５．１．４ 主站与子站间通信 靠有序的动作。 为载波通信的顺利进行，制定如下传输协议。 （３）控制电路：该电路由单片机、动力载波芯 主站与子站发送数据的格式规定为：系统码、 片、外存储器、译码电路和看门狗电路构成。单片 地址码、命令码／表示符／数据块长度、数据块、校 机选用ＡＴ８９Ｃ５２、动力载波采用ＰＬ２０００Ａ芯片。 验码。 ５．３软件设计 （１）系统码：由于采用共同的电力线通信，为 软件包括主站软件和子站软件。 避免本系统主机和各从机对其他系统载波信号的 （１）主站软件：主程序、数据库、查询模块、报 误接受，特设此码。 警模块、人机界面及打印模块。 （２）地址码：从机的编号。 （２）子站软件：主程序、算法子程序、Ｉ／Ｏ模 （３）命令码／表示符／数据块长度：１个字节， 块、通信模块。 其中高４位为命令码或表示符（如：Ｏ——数据块发 送；１——数据块接受；３——数据传送正确；４—— ６ 结束语 数据传送错误；５－Ｆ——用于扩展其他命令），低４ 对于低压供电系统而言，采用多级保护是合 位为数据块长度，当命令为数据块发送或数据块接 理有效的措施，关键是要选择好保护元件、设计合 受时给出数据块的长度，其他命令则无效。 理的结构和参数。在电力载波智能化管理系统中， （４）数据块：要发送的数据块，可多个字节， 于保护设备安装处建立子站，把保护设备和智能 只有数据块发送命令才有此项。 化管理系统集成一体，可有效地对分散的设备集 （５）校验码：对此码前所传送的所有数据进 中管理，大大减少维护、维修工作量，并且提高了 行简单加法，保留１个字节，进位自然溢出得到的 对事故判断的及时性和准确性。 数值，此码用于数据传输的接受方对所接到的数 （收稿日期：２００２ ０４—０４） ｝业业业业 ｝ｊ ｅ ｝业肇 业 ｝业 ｝ ｝ｊ酱 ｝ｊ酱业坐 ｅ业 ｝ 业 坐 业业 ｝ 肇 业 ｝ （上接第３１页） ＩＰ协议，传输程序为ＴＣＰ，在基于ＴＣＰ的应用层 到协议类型为ＴＣＰ，再把数据传到ＴＣＰ程序，从 中，把各变电站的信息数据及调度中心的控制数 而最终发到应用程序。 据所有需传输的数据封装成１个或多个分组，由 应用层传输到传输层，在传输层，ＴＣＰ将用户数 ６ 结束语 据按目的方可接受的最大长度分成段，再传到ＩＰ （１）该系统能实现故障报警，故障定位，对变 层，ＩＰ层在分组的源地址及目的地址增加１个ＩＰ 电站进行远距离测量、监视、控制。为变电站的安 报头，组成１个ＩＰ数据包，选定路由器Ｃ，交给网 全、可靠、经济运行提供了有力的保证。 络接口层，分组离开Ａ时，其数据格式为： （２）变电站实际运行近一年来未出现任何故 二！ ， １ 二！：三！！ ｌ三！！ 鍪塑 障，表明该系统具有较高的可靠性。文中对现场技 以太网帧头 ＩＰ报头 术问题的解决方案，在变电站、发电厂、供水厂的 实时控制过程中有较好推广价值。 主机Ｂ收到该分组，其ＩＰ协议识别地址，找 （收稿日期：２００２—０５ ２８）
