（国网浙江松阳县供电有限公司 浙江省丽水市 323400）
摘要：随着社会的快速发展，为了提高电能表抄表的准确率和供电服务水平，国网松阳县供电公司已在全县范围内基本实现电力用电信息采集系统的覆盖。在采集系统的全面应用中，由于雷击造成采集系统装置（电能表、采集器）损坏的故障，已成为影响电力公司用电信息采集系统安全运行的重要因素。本文将从现有采集系统防雷现状、存在的问题和防雷措施，探讨一种新型防雷抗干扰防护器在采集系统中的创新应用和实施效果，对电力采集系统雷电防护的研究和应用具有积极的现实意义，且有着很好的推广价值。
关键词：智能抄表；电力抄表；电力采集系统；雷电防护；新型防雷
0、引言
随着社会的快速发展，传统的电能表手工抄表方法已无法满足供电管理的需求。近年来，为了提高电能表抄表的准确率和供电服务水平，国网松阳县供电公司已在全县范围内基本实现电力用电信息采集系统的覆盖。
电力用电信息采集系统中，作为用电信息采集系统模式之一的无线采集，在建成应用过程中，由于采集器采集点分布面广，安装环境恶劣，其电源线和 RS485 信号线实行长距离传输，通常暴露于户外（穿 PVC 管或架空）。一旦雷击感应浪涌引入，就会击穿损坏，导致通讯中断，造成采集系统装置（电能表、采集器）损坏，甚至用户家里家用电器损坏和人身伤害的事故。
雷击造成采集系统装置（电能表、采集器）损坏的故障，已成为影响电力公司用电信息采集系统安全运行的重要因素。因此，为了保证电力信息采集系统的安全可靠运行，必须对采集器采取防雷与防干扰等防护措施。
1、雷电对电力用电信息采集系统的危害
电力用电信息采集系统主要由采集用户电能表电能量信息的采集终端（或采集模块）、信道和主站等设备组成。用户的所有电能表首先通过 RS485 等连接到低压采集器（或采集模块），低压采集器（或采集模块）直接通过传输媒体（无线、有线、电力线载波等信道）将电能量信息数据传送至配电数据中心，实现电表数据和数据中心系统的实时在线连接。
低压采集器与电能表连接的 RS485 总线连接线和电源线都比较长且通常暴露在户外，极易因为雷击等原因引入过电压。当雷击浪涌过电压通过线路引入时如不能及时消除，就会对低压采集器和电能表造成损坏。从而导致通讯中断，设备无法运行，造成不必要的经济损失。
根据国网松阳县供电公司维护情况分析，自系统投入运行以来，因雷击损坏低压采集器和电能表的事件时有发生，雷击故障已成为采集系统安全运行的重要因素。为了保证电力用电信息采集系统的安全可靠运行，如何采取有效的雷击防护措施成为实际工作中的重要的急需研究解决的课题。
2、电力用电信息采集系统现状
2.1低压采集器现场联接示意图
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2.2部分低压采集器现场案例
从松阳县电力用电信息采集系统建成应用的部分现场案例中可以发现，低压采集器和电能表全部安装在塑料防护箱内，其电源线和信号线全部为架空引入，部分线路在进入塑料防护箱前进行穿PVC 管防护。
2.3现场存在的问题
2.3.1架空线引入
低压采集器和电能表的电源线和信号线全部由远端架空引入塑料防护箱内，在靠近防护箱处采用穿 PVC 管防护。这些从远端架空引入的线路，当发生直接雷击和感应雷击时，因为直接雷击二次感应雷击效应和通过电源线、信号线引入感应雷击而感应到这些传输线上，极易造成设备被感应雷击损坏。
2.3.2无接地装置与电涌保护器
低压采集器和电能表没有专用接地装置，虽然可以避免因发生雷击时地电位反击引入感应雷击而损坏设备。但却无法提供有效的雷击过电压泄放通道，也无法安装传统带接地功能的电涌保护器。
2.3.3接地施工难度大
低压采集器和电能表现场的安装情况多样化，有些地方做接地较为困难，有些地方土壤电阻率较高，接地电阻难以达到要求。由于低压采集器点多面广，如果每个低压采集器安装点都做接地并达到相关接地电阻标准的要求，其材料和施工的成本非常巨大，很难做到大规模的推广应用。
部分设备损坏情况
表 2.3.4 部分设备损坏情况
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针对上述情况，又因为市场上传统带接地功能的电涌保护器都需要在有接地条件的前提下才能有效保护后端的设备，而在上述现场实际情况下这些传统带接地功能的电涌保护器就很难发挥作用。所以需要一种新型的防雷器在接地条件无法达到要求的情况下，用于保护低压采集器或电能表的防雷产品。
3低压采集器和电能表雷击防护解决方案
3.1雷电危害与防雷技术
3.1.1雷电危害
由于雷电放电电压高、放电时间短，伴随着雷电的发生还产生静电感应、电磁感应、冲击波效应、热效应、电动力效应、电磁辐射、光辐射等，这些物理效应的共同作用，已严重危害室内（外）电子信息系统（电力采集系统、通信网络等）设备的安全运行，甚至危及工作人员的安全。
雷电的产生机理是相当复杂的，人类目前尚无法控制它产生与发展，我们能做的就是采用综合的手段，结合各种防雷产品，将雷电对电子信息系统的损害降低到最低限度，从而避免雷害带来的经济损失和消极社会影响。
3.1.2雷电的破坏形式
直击雷：损坏建筑物，危及生命安全，雷电波沿金属架空线传入建筑物，损坏设备；
静电感应：静电感应出的高电压沿着架空线缆等金属导体侵入建筑物，危害人员生命安全、损坏建筑物内设备；
电磁感应：感应过电压在设备间产生反击，损坏设备；
雷电波侵入：雷电波可能沿金属管线侵入建筑物内，危及人身安全或损坏设备。
3.1.3现代防雷体系
德国专家希曼斯基所作《过电压保护理论与实践》一书中，写出了现代防雷系统的防雷框架图，图中包含有七大防雷措施。包括有：接闪器（避雷针、网、带）；引下线和接地装置；等电位系统；屏蔽（线路屏蔽、空间屏蔽）；合理布线；电涌保护。
对应以上防雷要素所采取的措施：
1）外部防雷
外部防雷技术措施可分接闪器（避雷针、接闪带等）、引下线、接地体和法拉第笼。
2）内部防雷
①建立空间屏蔽和线路屏蔽；②形成等电位连接；③减少接近耦合。
3）电涌保护
①电源系统电涌保护
电源系统加装防雷保护装置主要是防止雷电波通过电源线路对用电设备及相关设备造成危害。
②信号系统电涌保护
信号系统加装防雷保护装置主要是防止雷电波通过信号线路对信号设备及相关设备造成危害。
3.2采集系统现场防雷措施
针对雷电对电力用电信息采集系统的重大危害，依据防雷技术措施中电涌保护的要求，提出一种新型的用于低压采集器（电能表）的电源线路和信号线路的防雷抗干扰防护器。
该防雷抗干扰防护器由电源线路防护和信号线路防护组成，电源线路防护和信号线路防护组合成一体式，并采用环氧灌封处理。防雷抗干扰防护器电源端和信号端分别接在低压采集器（电能表）的电源接口端和信号接口。在接地条件无法达到要求的情况下，可有效保护低压采集器或电能表，从而解决了电力用电信息采集系统低压采集器（电能表）在雷电防护方面的难题。
3.3新型防雷抗干扰防护器简介
3.3.1传统型电涌保护器简介
市场上现有低压采集器的防雷击过电压方法主要有以下两种：
1）在低压采集器的信号接口处安装传统型信号电涌保护器。其技术特点如下：
电涌保护器内由 TVS 保护电路采用共模方式，差模方式或共、差模组合方式进行过电压保护，虽然 TVS 响应时间快，但其缺点是防护效果差，抗干扰能力差，通流容量小，在通过稍大点的雷击电流时就会发生击穿短路，不能可靠地保护后面的低压采集器。电涌保护器需要通过接地线接入标准防雷接地网，才具备防浪涌过电压的能力。
2）在低压采集器的电源接口处安装安装传统型电源电涌保护器。其技术特点如下：
电涌保护器内采用单一规格的两片压敏电阻并联在电源接口对地之间，对接口引入的浪涌进行共模保护。缺点是压敏电阻存在漏电流，随着使用时间的增加其漏电流也会增大，对供电系统的使用存在不安全隐患。
上述两种电涌保护器重要的共同缺点是：这些电涌保护器必须通过接地线接入标准防雷接地网，才具备防浪涌过电压的能力。对于分散安装的低压采集器，如果按专用标准的防雷接地网要求安装电涌保护器并接地，其防雷接地成本将远高于被保护设备的成本，没有批量应用的价值。
3.3.2新型防雷抗干扰防护器简介
新型用于低压采集器（电能表）的电源和信号线路的防雷抗干扰防护器，将RS485信号和交流电源220V保护由原本单一的两个电涌保护器设计为一体模块，RS485控制信号端口通流容量高达10kA（8/20μs），交流电源220V端口的通流容量为达２0kA（8/20μs），限制电压低，带有电源和劣化指示。特别适用于乡村施工条件恶劣环境下无法设置接地网的电力抄表系统的新型免接地多功能防雷产品。该产品具有性能可靠、安装维护方便等特点，在现场无防雷接地的条件下，为低压采集器（电能表）提供雷击浪涌防护的同时，以经济化、小型化的型式大规模安装应用，可极大地减少供电公司在人力、物力上的投入。
3.3.3新型防雷抗干扰防护器主要技术指标
防雷抗干扰防护器是全新设计理念的、集合了各种新技术、新工艺的新一代专用于电力用电信息采集系统的雷电防护产品。其涵盖了电涌防护、抗电源谐波干扰、电源隔离防护、信号抗干扰、浪涌转移平衡、保护后端设备等功能，是电力用电信息采集系统的全新雷电防护理念的解决方案。
新型防雷抗干扰防护器的技术指标可达到如下表 3.3.3。
表 3.3.3：防雷抗干扰防护器主要技术指标
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3.3.4与传统电涌保护器的性能对比
目前市场上有传统类似的、安装于电力用电信息采集系统上的电涌防护产品，但从其技术指标来看，并不足以达到现场有效浪涌防护的效果，其技术指标如下表 3.3.4。
表 3.3.4：两种传统电涌保护器产品的技术指标
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参照本防雷抗干扰防护器产品技术指标，通过表 3.3.4 与表 3.3.3 的对比，可以发现有如下差别：SPD1 的电源通流量比本新型产品的通流量大，但冲击残压也高。其信号通流量就要小很多；SPD2
电源的通流量要比本新型产品小；SPD1 的残压都很高，SPD2 的残压也很高；SPD1 和 SPD2 的信号传输速率偏小，会影响信号的传输质量；SPD1 和SPD2 的信号没有抗干扰功能；SPD1 和 SPD2 的电源和信号雷击防护都必须在有接地条件下才能达到泄放雷电流的功能，如果没有接入防雷接地系统则防
浪涌效果大打折扣甚至没有效果。SPD1 和SPD2 内部没有做环氧灌封处理，其绝缘、防潮的防护性能差。
基于上述对比，本新型的防雷抗干扰防护器，在保证合适的通流容量时，降低了冲击残压；提高了信号的传输速率；增加了抗干扰功能；提高了产品的防护等级；采用了能量转移免接地技术，如果现场有（或加设）防雷接地系统可供连接，则可连接至接地系统。如果没有防雷接地系统，也可正常工作达到浪涌保护功能。
3.4产品应用效果
本新型防雷抗干扰防护器产品同时采用由压敏电阻共、差模电路、气体放电管电路、TVS 管电路、变压器储能隔离电路、LC 共、差模抗干扰电路、功率退耦电路、浪涌等电位转移电路等组成的抗浪涌干扰防护电路。在无需使用接地线接至专用标准防雷接地网的情况下能可靠地对雷击感应浪涌进行泄放，有效解决了现有传统电涌保护器防雷抗干扰效果差、可靠性、需使用接地线接至专用标准防雷接地网等问题。可有效防止雷电感应、操作过电压、电容性耦合、感性（磁场）耦合引起的瞬时共模和差模过电压、过电流和电力操作中引起的高次谐波干扰对低压采集器设备造成的损坏。极大地提高了低压采集器设备的抗雷击和抗干扰能力，降低了低压采集器设备的损坏率。
3.5产品安装实施
新型采集系统防雷抗干扰防护器将电源和信号保护由原本单一的两个电涌保护器设计为一体模块，特别适用于无法设置接地网的电力抄表系统的新型免接地多功能防雷产品。产品安装方式为串联安装，在拆除空开至采集器 L、N 的连接线后，先将防雷抗干扰防护器的输入线接空开的输出端，防雷抗干扰防护器的输出线接采集器的 L、N 端；再将采集器 RS485 的接线拆开，接至防雷抗干扰防护器输入端的信号线，防雷抗干扰防护器输出端的信号线接至采集器 RS485 的接线端口；在信号线拆开和接入时注意信号线的极性。该产品具有性能可靠、安装维护方便等特点。
4项目实施的经济效益
4.1项目实施前的经济效益分析
松阳县供电公司在全县范围内安装采集终端总数为 18868 台，公司每年因雷击导致 II 型采集器损坏数量约 300 个，每年在采集器损坏事故维护中投入约 2 千人次，损耗交通费约 5 万元。全县集中抄表终端故障更换费用约 30 万元（包括终端购置，安装，调试及相关配套工程）；全县电能表计故障更换费用约 50 万元（包括终端购置，安装，调试及相关配套工程）。
其中河头村二号 18213 台区安装有 II 型采集器 30 个；西坌村 22378 台区安装有 II 型采集器 35 个。河头村二号 18213 台区和西坌村 22378 台区为雷击事故高发区之一，每年因雷击导致 II 型采集器损坏数量约 15 个，电能表计损坏 40 个，事故维护投入 15 人次，损耗交通费约 150 元。
4.2项目实施后的经济效益分析
本项目在河头村二号 18213 台区和西坌村 22378 台区共实施安装了 20 套防雷抗干扰防护器，安
装率 30.7%。根据 3 个月的运行情况监测，除 3 起电能表计损坏事故外，没有发生采集终端因雷击事故而损坏的情况。极大地减少了事故维护的集中器维护、投入人次、交通费损耗等经济损失，经济效益显著提高。
5结语
本文通过对一种新型防雷抗干扰防护器在电力采集系统中创新应用和实施效果的探讨，提出电力采集系统雷电防护的设计和应用思路，从现有电力采集系统防雷现状、存在的问题和防雷措施，进行了较全面的新型防雷抗干扰防护器的设计和应用。通过对松阳县供电公司所辖范围内采集终端进行试点安装新型防雷抗干扰防护器的实施情况分析，该新型防雷产品能有效防护电力采集系统的设备损坏，极大地降低了设备维修、更换和人力维护的费用，保障了电力采集系统的正常运行，经济效益显著提高。同时也为其它供电公司提供了相关的电力采集系统雷电防护的实施参考。
参考文献：
[1]建筑物防雷设计规范 GB 50057-2010
[2]建筑物电子信息系统防雷技术规范 GB 50343-2012
[3]电气装置安装工程接地装置施工及验收规范 GB50169-2006
[4]现代防雷技术基础[M] 虞昊 北京：清华大学出版社.2006