变电站二次防雷保护措施分析

摘要:随着我国计算机技术的飞速发展,变电站微机型综合自动化系统以其独特的优势在电力系统中被广泛应用。文章就如何做好雷击入侵变电站二次系统的防范措施进行了论述。

关键词:雷电危害;二次防雷保护;变电站;二次系统

中图分类号:TM866文献标识码:A

文章编号:1009-2374 (2010)22-0124-02

0引言

近年来随着现代电子技术的不断发展,微机保护和自动化设备在电力系统中得到大量的应用,调度通讯、网络等信息设备越来越多,规模越来越大,一方面自动化系统、计算机网络、通讯系统等设备核心元件耐过电流、耐雷电压的水平越来越低,敏感性提高;另一方面由于信号来源路径增多,系统较以前更易遭受雷电波侵入,致使雷电灾害频繁发生,影响信息系统正常运行,特别是雷电多发区,轻者导致设备损坏、性能下降,重者造成系统瘫痪。在这种环境下,更凸显出变电站二次设备雷击防护工作的必要性和重要性,笔者在文中探讨雷击入侵变电站二次系统的主要途径以及相应的防范措施,这对提高电力系统的自动化水平,提高运行安全、可靠性起了很大的作用。微机保护及监控系统与过去传统的保护和控制装置相比,是一次技术上的革命,这些以微电子技术为基础的设备因其集成度高、工作电压低,其耐过压、过电流和抗雷电电磁脉冲的能力差,在变电站复杂的电磁环境下,易遭受雷电的危害。相对于二次系统的快速发展,二次系统的的雷击防护工作还有很多需要完善的地方。

1雷电危害的初步认识

根据大量科学测试可知,地球上空存在一个带正电的电离层,与大地之间形成一个已充电的电容器,场强为上正下负。当地面含水蒸汽的空气受到地面烘烤受热上升,或者温暖潮湿的空气与冷空气相遇而被垫高都会产生向上的气流。上升气流温度逐渐下降形成水成物(雨滴、冰雹),并由于地球静电场的作用而被极化,负电荷在上,正电荷在下,它们受重力作用落下与云粒子发生碰撞,其结果是云粒子带走了水成物前端的部分正电荷,从而使水成物带上负电。持续碰撞的结果使带正电的云粒子在云的上部,而带负电荷的水成物在云的下部。

雷电是一种大气物理现象,已被列入对人类社会危害极大的自然灾害之一。现代雷电理论将雷击分为三类:直击雷击、感应雷击和球形雷。其中球形雷发生的几率很小,而且目前对它也没有统一的认识。

直击雷是指雷云对大地上某一点发生的迅猛放电现象。直击雷蕴含极大的能量,雷电流具有峰值高(kA级以上)、持续时间短(微秒级)的特点。直击雷的主要破坏力在于电流特性,雷电产生强大的雷电流转变成热能,将物体损坏。

感应雷击是指直接雷击发生时由于电磁感应或静电感应而产生的雷击。感应雷击沿导体传播并将与导体相连的电器设备损坏。它的主要破坏对象是弱电子设备。

雷电流是一个非周期的瞬态电流,通常是很快上升到峰值,然后较为缓慢的下降。雷电流的波头时间是指雷电流从零上升到峰值的时间,又称为波前时间;波长时间是指从零上升到峰值,然后下降到峰值的一半的时间,又称为半峰值时间。由于在雷电流波的起始和峰值处常常叠加有振荡,很难确定其真实零点和到达峰值的时间,因此,常用视在波头时间T1 和视在波长时间Tc来表示雷电流的上升时间和半峰值宽度,一般记为T1/T2。直击雷电流模拟波形为10/350us波,感应雷电流模拟波形为8/20us波。

2雷击过电压入侵变电站二次系统的主要途径

目前,电力系统一次设备防雷击的手段是较为完善和有效的,如架空地线、线路避雷器、避雷针等,这些手段大大降低了一次设备遭受雷击的损坏率。但是,相对于一次系统来说,二次系统的防雷措施还有待进一步完善。雷击入侵变电站二次系统主要有如下途径:

2.1配电线路

对于配电线路引入的雷电过电压雷电波通常是通过变电站临近的线路侵入母线,再经过变压器高、低压绕组间的静电和电磁耦合,进入低压出线,途中经过了线路避雷器,母线避雷器等多级削峰,再经过变压器低压出线的平波作用,电压幅值大为下降。但由于雷电波的波峰幅值和能量很大,虽然雷电波在经过上述避雷器后,大部分能量得以消除,但仍有部分雷电波以幅值相对很高且作用时间很短的低能量尖峰脉冲的形式通过变压器的低压出线,加到变电站内所有的380V交流回路中。

220V等直流线路因进出高压场等原因也是引入雷电的主要线路。

2.2通信线路引入雷击

目前,变电站二次系统采用了多种多样的通信线路进行同一系统内设备与设备之间、系统与系统之间的连接。导体型通信线路感应到雷电后,雷击过电压直接传到设备,该过电压轻则使设备加速老化,重则直接将设备损坏。对于电力系统来讲,电话音频与MODEM 连接线、RS485、RJ45网线、FDK/CAN现场总线、LON WORKs、GPS及微波载波等馈线等都是引入雷电的通信线路。因目前远距离多采用光纤传输,所以以上大部分通信线路主要是在室内被其他线路上的过电压感应。

2.3雷电电磁场

上述两条途径是有形的看得到的途径,而电磁场是空间传播的看不到的东西,这里的雷电电磁场是指雷击引起的室内的电磁场,主要集中在电缆沟、布线层及电缆井内。该电磁场使室内的线路感应到过电压,该过电压直接传到设备,进出高压场地的各种线路(如交流采样、开关量回路等)都是雷电电磁场的产生源。

2.4地电位反击

对于电力系统来讲,因采用共用接地方式,不存在地与地之间反击,但地电位因雷击抬高时使得设备接地线对设备其他外接线之间可能产生能损坏设备的电位差。

3变电站二次系统防雷措施

针对雷击过电压入侵变电站二次系统的主要途径,采取相应的防雷措施。均压、分流、屏蔽、接地是防雷保护中最重要的四个因素。雷电防护系统由三部分组成,各部分都有其重要作用,不存在替代性。其中:外部防护由接闪器、引下线、接地体组成,可将绝大部分雷电能量直接导入地下泄放;过渡防护由合理的屏蔽、接地、布线组成,可减少或阻塞通过各入侵通道引入的感应;内部防护由均压等电位连接、过电压保护组成,可均衡系统电位,限制过电压幅值。

电力系统目前对于外部防护有较为完善和有效的手段,对于避雷器等的布设、安装均有相应的标准,变电站接地电阻要求小于0.5Ω或1.0Ω;关于过渡防护,采用屏蔽电缆,金属机柜屏蔽等措施,屏蔽电缆要求两端接地。我们认为目前变电站二次系统防雷工作应主要采取如下措施。

3.1电源部分

对电源系统回路进行过电压分级保护。在总交流配电屏、直流总馈电柜、各小室交(直流)分屏、二次设备屏、监控系统逆变电源屏、通信电源屏等各级配电线路进线处加装相应等级浪涌保护器SPD(Surge Protective Devices)。在站用变低压总配电入口处,应在两根母线上各加装一只B级三相电源避雷器;在各小室交(直流)分屏进线处加装C级电源避雷器,依次,根据防护等级,在其它屏柜加装相应SPD。室外电源线路应套金属管屏蔽或采用铠装电缆,金属管及电缆铠装层两端必须良好接地。

3.2通信部分

远动通道接口处应按通道类型加装相应防雷器;保护小室内变电站二次设备间主要采用以太网、RS485、RS422、RS232、FDK/CAN、LONWORK等方式通信,应在通信口两端分别安装相应的信号防雷器,防止感应过电压击毁通信端口或引起设备集成电路芯片损坏;对于GPS 时钟系统,在天馈线路进入同步装置前应串联安装高频馈线防雷器,以防其从户外引入雷击过电压进入设备,对设备构成危害;对于目前仍采用电话线远传信息的电能量计量系统,应在Modem 电话线接口处加装信号避雷器。对于远距离传输用的光纤,虽然其本身是非金属介质的,不会引入雷电流,但是光纤的加强筋(铠装层)却有可能引入雷电流,因此需要将光纤的金属加强筋(铠装层)在进入机房时作良好的接地。

3.3信号部分

从高压场进入保护室的电缆非常多(交流采样,开关量回路等),是否每条线都需要加装SPD保护?这一部分是目前存在争论的地方。现在所采取的主要措施是隔离和屏蔽。变电站二次设备采集的模拟量,必须经过设置在自动化系统各种交流回路中的隔离变压器或电容进行隔离,而且对隔离变压器的一次与二次之间必须有隔离层和屏蔽层,屏蔽层必须安全接地。自动化系统的开关量输入和输出回路,采取光耦合隔离或继电器隔离。另外,对于测控装置,应将装置电源与遥信电源分开。

4结语

随着变电站自动化程度越来越高,大量对雷电很敏感的微电子设备应用,雷电危害日益突出。文章对雷电的原理及雷击方式进行较为全面介绍,同时提出对变电站的防雷保护采取有效的措施和对策,确保变电站的防雷及防雷接地网的可靠性,为设备的安全稳定运行提供有力的保障。变电站二次系统防雷保护这一新课题的研究,对于提高变电站二次系统的运行安全性和可靠性有着重要的意义。