摘 要

随着经济的发展，国家对电力的需求不断增大，如何使电力的传输与分配更加安全可靠，是电力行业不断探讨的问题。雷电作为一种常见的自然现象，对电力系统构成了重大威胁，雷电毁坏电力设施的现象也是屡见不鲜。现阶段，针对强电设备的防雷技术非常全面，经验也很丰富，但是二次设备的防雷技术则比较薄弱，现有的防雷手段寥寥，防雷经验也显得不足。本文以飞思卡尔K64 MCU（Microprogrammed Control Unit，微程序控制器）为核心，构建FTU（(Feeder Terminal Unit，馈线终端单元）平台，重点设计模拟采样通道的雷击浪涌防护，并通过实验验证防雷效果。本文的主要工作如下：

（1）分析雷电产生的原因以及进入二次设备的途径，指出二次设备防雷设计的必要性，介绍常见的防SPD（Surge Protection Device，电涌保护器）保护器及其特性；

（2）根据需求，以飞思卡尔K64芯片为核心，完成FTU整体硬件设计，包括参数计算以及器件选型，重点设计模拟采样通道，增加防雷器件，完成防雷设计；

（3）设计模拟采样通道的PCB板，验证设计的抗雷击浪涌效果，分析此次设计的优缺点。

通过实验验证表明，此次的设计符合GB/T 17626.5-2008国家标准，达到预期的效果，为之后的防雷设计提供系统的理论以及实际设计参考。

关键词：二次设备；雷击浪涌防护设计；SPD；模拟采样

Abstract

With the development of economy, the country's demand for electricity is increasing, how to make power transmission and distribution more safe and reliable, is the discussing problem in the power industry. As a kind of common natural phenomena, lightning constitutes a major threat to power system, the phenomenon of lightning damage to power facilities are also common occurance. At present, lightning protection technology for high voltage equipment is very comprehensive, with rich experience, however, as for the secondary equipment is relatively weak, with few of existing lightning protection method, lightning protection experience is insufficient. Based on the Freescale K64MCU (microprogram controller unit) as the core, this dissertation builds the FTU (feeder terminal units) platform, focus on the design of lightning surge protection in simulation sampling channel, and verifies the lightning protection effect by experiment. In this dissertation, the main work is as follows:

(1) Analyzed the causes of lightning, and the ways to enter the secondary equipment, pointed out the necessity of the secondary equipment lightning protection design, introduced common lightning protection devices and their characteristics.

(2) According to the demand, based on the Freescale K64 chip, completed the overall hardware design of the FTU, including the devices selection, parameter calculation and key design of simulation sampling channel, added the lightning protection devices, completed lightning protection design.

(3) Completed the PCB design of simulation of the sampling channel, verified the design of lightning surge effect, analyzed the advantages and disadvantages of this design.

By experimental verification, it shows that the design conform to the national standard GB/T 17626.5-2008, and achieve the expected effect. The dissertation provides a system theory and practical reference for the coming lightning protection design.

Key Words: Secondary device; Lightning surge protection design; FTU; Simulation of sampling

目 录

第1章 绪论 1

1.1 论文研究背景 1

1.2 论文工作的国内外研究现状 1

1.2.1 国外研究现状 1

1.2.2 国内研究现状 2

1.3 课题来源与主要研究内容 2

第2章 雷击原理及其进入二次设备的途径 4

2.1 雷击产生原因 4

2.2 雷电的活动规律 4

2.3 雷击进入二次设备的途径 5

2.4 本章小结 5

第3章 SPD工作原理及常见SPD保护器 6

3.1 电涌保护器原理 6

3.1.1 工作原理 6

3.1.2 SPD分类 6

3.2 常见SPD保护器 7

3.2.1 放电间隙 7

3.2.2 气体放电管 8

3.2.3 压敏电阻 9

3.2.4 瞬态抑制二极管 9

3.2.5 扼流线圈 10

3.3 本章小结 10

第4章 FTU馈线终端硬件设计 11

4.1 系统总体架构 11

4.2 主控模块设计 12

4.2.1 Kinteis K64芯片 12

4.2.2 SPI Flash模块设计 12

4.2.3 SRAM模块设计 13

4.2.4 时钟模块设计 14

4.2.5 看门狗模块设计 14

4.2.6 SWD调试口 15

4.3 电源模块设计 16

4.3.1 电源类型比较 16

4.3.2 DC-DC电源模块设计 16

4.3.3 LDO电源模块设计 17

4.4 串口模块设计 19

4.5 模拟采样通道设计 21

4.4 本章小结 23

第5章 雷击浪涌实验验证 24

5.1 模拟通道PCB板设计 24

5.2 实验验证 24

5.3 方案优势 26

5.4 本章小结 26

第6章 全文总结与展望 27

6.1 全文总结 27

6.2 研究展望 27

参考文献 28

致 谢 30

第1章 绪论

1.1 论文研究背景

电力是推动社会向前发展的巨大动力，从法拉第发明的第一台发电机到如今的火电、水电以及核电的出现，电力促成了近代史上的第二次技术革命。20世纪以来，电力的大力发展促进了社会资源的充分发掘，使得工业布局更加合理，带动了社会物质生产，影响着人类生活的方方面面，电力的发展也是各国经济发展的重要指标之一^[1]。

在实际生活中，自然因素导致电力系统崩溃的现象不胜枚举，气象灾害、天气灾害以及地质灾害对电力系统的影响尤其明显，其中雷电天气在夏季频发，是电力系统防护的重中之重。根据雷灾数据资料分析，在1998年至2001年中，仓储、电力、石化、通讯等是我国遭受雷击灾害最为严重的行业^[2]。随着社会的发展，高层建筑增多，信息技术快速发展，雷电造成的经济损失以及人身伤害逐渐增多，雷电被称为“电子时代的一大公害”^[3]。

雷电的危害是多种多样的，按其破坏性质可以分为以下三类^[4]：

1. 直接雷破坏。闪电强烈地释放在地球的一个点，直接击中设备。由于雷电的时间短，能量巨大，瞬时冲击电压可以达到几万甚至几十万伏，可以毁坏电气设备的绝缘防护，击穿变压器，造成停电等供电故障^[5]；电气绝缘被破坏后导致短路则容易引发触电等一系列并发事故。不仅如此，当闪电击中一个物体时，数万安培的电流会在短时间内产生大量的热量，从而极易诱发火灾。
2. 感应雷破坏。云层和导线之间感应出相反的电荷，云层放电后，导线的电流就流入设备中造成设备损坏。当雷电流沿着导线流入大地时，由于高频、强压的缘故，会在设备附近产生很强的交变电磁场，如果设备在这个场中，就会感应出很高的电压，导致损坏^[6]。对于精密电子设备，尤其要注意防范。
3. 地电位升高。当某一点受到雷击时，该点产生巨大的电压，会和板上的其他元器件形成非常大的压差，足够把此设备击穿，造成故障。而且，如果设备中没有设计等电位连接的回路，很容易由于高电位引发火灾危害^[7]。

可以说，雷电对各行各业都有威胁，尤其针对电力行业，做好防雷抗灾工作，是促进社会发展以及人民生命财产安全的保证。