装置变电所控制电源防雷保护

【摘 要】控制保护系统在电力系统的投运提高了系统的自动化水平，但由于其耐压水平低，雷电侵入电源系统时易导致设备的损坏，严重影响了电力系统的正常运行，所以有必要对其防雷保护进行研究。本文通过对雷电侵入变电所控制电源的途径建立模型进行了详细分析；并根据雷电的特点在电源装置前加装防晃电模块；同时还对电源电缆进行屏蔽接地设计，以减少感应电压对电源线的干扰，降低了雷电对变电所控制电源系统的危害，提高了电力系统供电的可靠性。

【关键词】雷电；控制电源；滤波；屏蔽

1 引言

雷电一直是危害电力系统安全、可靠运行的重要因素之一。随着科学技术的发展，避雷器制造水平的提高以及金属氧化物避雷器的推广使用，使变电所一次高压部分的雷电过电压的保护得到了保证。但另一方面，大量电子设备应用于电力系统，使得雷灾的主要对象集中在微电子器件设备上。随着变电所综合自动化的改造进行，变电所已逐渐用微机保护取代了原来的电磁式继电保护。常规电磁保护的装置单元多为单元件的电阻、电感和电容等，耐热容量大，对脉冲的耐受能力也比较强，所以能承受高能的雷电暂态冲击。而对于运行电压只有几伏，信号电流只有μA 级的微机设备来说，就不一定经受的住。据统计，电子设备所受雷害的80%是由雷电侵入电源部分引起的，因此，对控制电源的质量要求也越来越高。但目前，控制电源系统的防雷还没有得到足够的重视，以致雷电沿电源系统侵入低压设备导致其击穿或损害后，还查不出事故的原因所在。例如广东、江西、浙江等地的变电所都有因雷击控制电源模块导致供电系统中断的情况发生。控制电源系统的防雷保护关系到电子设备能否安全正常运行，所以有必要对控制电源系统的防雷保护进行研究。

2 雷电侵入控制电源系统的途径分析

（1）雷电通常是通过变电所临近的10kV 线路侵入10kV 母线，再经过10kV 所用变压器高、低压绕组间的静电和电磁耦合，侵入低压出线，如图1 所示。雷电途中经过了线路避雷器、母线避雷器和站用变避雷器三级削峰，电压幅值大为下降。但由于雷电的电压、能量极高，且避雷器等技术设备上的局限性，虽然绝大部分能量都能到达设备之前得以消除，但雷电仍可能以幅值相对很高、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所的控制电源系统。图1 中B 是为保护变压器而加装的，据调查显示，多数变电所尤其是老站低压线路未加避雷器等防雷元件进行保护，这不仅可能导致低压的电力设备雷电过电压击穿损坏，而且还可能导致控制电源系统的雷电损害。

（2）当雷落到变电所设备附近场所时，产生一个强电磁场，就会在低压电源线上感应一个很高的感应电压，又由于多数变电所低压线路上未加避雷器的装置进行防护，这个感应电压不至于使电气的绝缘损害，但加到控制电源上，足以导致电源模块的损坏。

（3）雷电流沿避雷针和避雷线的接地引下线流入变电所的地网，因地网的电阻耦合产生上千伏的电位，该电位通过电源线的电缆以波的形式传入控制电源系统，形成过电压危害，这类情况往往被忽视。不论何种侵入方式其最终结果都会引起一个陡度很大、峰值很高的雷电沿电源线进入控制电源系统，从而造成控制电源系统的损害或电子设备的击穿，严重时会影响电力系统的正常运行。

3 控制电源保护原理

从雷电的侵入途径入手，首先应在低压线路上安装低压氧化物避雷器，既能对低压电气设备起到保护作用，同时也大大削弱了雷电的幅值。更重要的是采用以下的防雷措施：

3.1 滤波

由于雷电信号中含有较多的高频分量，可以采用LC 低通滤波器进行滤波。又由于雷电流中含有大量脉冲能量，为了保护电感、电容元件免受损害，加装压敏电阻对雷电流的能量进行吸收，同时将电压钳位到安全范围内。压敏电阻在正常情况下处于关断状态，其漏电流≤50μA，对电路正常工作无影响。一旦压敏电阻两端出现瞬间高压时，其阻值会急剧下降，开始吸收能量，使电压受到抑制。当瞬间高压消除，压敏电阻又恢复到高阻状态，电路恢复正常。

变电所内雷电干扰的频率分布主要在1MHz左右，大致分布在100KHz～10MHz 的频率范围内，为了保证电子设备正常工作，必须将这范围内高频分量有效滤除。因此根据 ，合理选择电感L 和电容C 参数。L、C 参数应按技术经济比原则进行选择，不仅要满足技术要求，又要经济实惠。由于压敏电阻和电感组成部分的时间常数 ，在压敏电阻一定的情况下，只有减小电感的值才能使防雷吸收装置的响应时间较小，可靠性更高。同时，电容太大会降低传输信号的变化率和工作速度。又由于电感的体积较大，制造电感线圈比较麻烦，不利于大规模生产和不便于集成化和小型化，所以造价较高。一般为了缩小体积，降低造价，会使用较小的电感和较大的电容。

3.2 分析

根据波过程原理，可知道对于均匀单根无穷长无损导线，电压波与电流波沿线路流动传播，且 ，Z 为线路的波阻抗。

其中：L0―单位长度线路的电感；C0―单位长度线路的电容。

当波沿传输线路传输，遇到线路参数发生突变，即有波阻抗发生突变的节点时，会在节点上产生波的折射和反射。对于任意前行波u1 到达节点a（设a 点电压为u2）时，有：

以无限长直角波通过串联电感为例来说明电感对波的削峰作用。

（Ⅰ） （Ⅱ） （Ⅲ）

图3 波通过串联电感：（Ⅰ）波形图（Ⅱ）线路图（Ⅲ）等效电路

如图3（Ⅱ）所示，根据彼德逊法则，可得3（Ⅲ）所示集中参数等效电路。由一阶电路的阶跃响应可得出u2 的解为：

由此可见，行波通过串联电感后，直角波变成了指数波，减小了波的陡度。这是因为电感中的电流不能突变，所以当行波到达节点后，一部分电压波沿线路反射回去，折射电压波只能随着电感电流的逐渐增加而增长。

且直角波同样变成指数波，也减小了波的陡度，这是因为电容中的电压不能突变所致。由此可知，雷电经电感、电容双重削波作用后，其幅值大大降低。

3.3 屏蔽

为了减小雷电直接击中电源线，在变电所设计中，一般电源线采用地下电缆埋设的方式连接到控制电源端。雷击后落地点附近电位升高，因地网的电阻耦合产生上千伏的电位，该电位通过电源线的电缆以波的形式传入控制电源系统。对于雷电流的这种侵入方式，可以采用带屏蔽的电缆，屏蔽层是防护雷电干扰的基本手段，它不仅能防止地网产生的雷电对电源线的干扰，同时也能防止电源线产生的电磁场对外界的干扰。由于不接地的屏蔽层对电场干扰没有屏蔽作用，必须对屏蔽层接地且要一点接地，如果两点接地（如图5所示），当雷击时在电缆的屏蔽层上就会有电势差，A、B两点电位不等，可使芯―皮电压达数百伏，屏蔽层中就会流过电流I，而屏蔽层是很薄的锡箔，若其上流过电流I很大就会烧熔屏蔽层与外层胶皮造成事故。

最后，控制电源系统的防雷保护直接关系着微机保护装置能否正常动作，只有在雷电活动时对其采取有效的措施，才能保证整个电力系统的正常运行，从而提高电力系统供电的可靠性。

参考文献：

[1]严俊长，方建华，陈志文.《工厂供配电技术》.人民邮电出版社.2010.10.

[2]江日洪，张兵，罗晓宇.《发变电站防雷保护及应用实例》.中国电力出版社 ，2005（05）.

[3]李景禄.《现代防雷技术》.中国水利水电出版社.2009（04）.