雷电浪涌对综自变电站二次设备的危害及保护措施

　　[摘要]对综自变电站二次设备防雷进行了分析，重点探讨了雷电浪涌对综自变电站中二次设备的危害及防雷措施，并根据各种雷电危害，提出防范措施。
　　[关键词]雷电，弱电设备，防雷，保护，措施
　　1概况
　　雷击是一种自然现象，它能释放出巨大的能量、具有极强大的破坏能力。在诸多自然灾害中雷电灾害是普遍存在的。云南电网公司2007年四季度暨年度安全分析报告显示，在引发电网事故的四大主要因素中，雷害首当其冲。2003年至2007年5年间，雷害直接引发云南电网故障26起，占电网故障比例为22%，5年来每年近30%的故障为雷害引发。
　　由于近些年电子技术的飞速发展，电子设备在电力系统中得到了极大的普及和应用。由于现代高新技术电子产品中大量采用了大规模及超大规模的电子集成电路制造技术，且集成的程度越来越高，内部的线间距离越来越小，使元器件的耐压程度越来越低，稍稍受到过电压的侵袭后即损坏，更经受不起雷电及过电压的强烈冲击；另一方面，当今电子设备、计算机自动化系统的网络化程度越来越高，如供电系统、通讯系统、视频、信号、计算机网络系统等，它们的传输线路，特别是暴露在室外的长距离输送线以及动力电源线路等，都有可能遭受雷击，产生雷击过电压，通过以上传输线侵入并击毁设备。
　　2二次设备雷电危害的主要原因分析
　　综自变电站二次自动化设备受雷击损坏的原因不是由于直接雷击引起的，而是由于雷击发生时在电源和通讯线路中感应的电流浪涌引起的。
　　雷电浪涌入侵的主要是通道有，1）电源线引入雷电电磁脉冲引起瞬态过电压，如果不经处理，直接进入电源系统，将引起二次设备电源损坏。2）通信线引入雷电引起的感应过电压使通信线与设备之间有一定的电位差直接作用于串行通信口，会损坏微型计算机和通信设备的串行口，严重时会损坏微型计算机。3）直接与一次设备相连的二次连接电缆，由于雷电电磁脉冲引起的感应过电压直接作用于前端的中心处理计算机，轻则把功能板元件烧毁，重则烧毁整台计算机。4）当有雷电电磁脉冲引起接地点之间电位差，产生的电磁场干扰会影响前端的中心处理计算机的运行，损坏前端的中心处理计算机的模板。5）同时，接地电阻不合格，雷电引起的地电位升高，亦会通过设备的接地线引入前端的中心处理计算机中，同时会损坏前端的中心处理计算机的插件。
　　3变电站内部雷电防护的原则
　　有了变电站外部的防雷措施，可以防止变电站遭受直击雷的侵害，根据IEC1024和GB50057-94（2000年版）的规定及要求，现阶段的防雷措施已不能只停留在架设避雷针等的简单措施上了。现今电力系统内高科技电子技术的应用，特别是变电站综合自动化系统、微机保护测控装置的应用，使变电站内部防雷、防雷击电磁脉冲和电涌过电压防护迫在眉捷。
　　3.1防雷区的划分
　　建筑物内部因雷击电磁干扰大小的不同，采用的避雷器（SPD）也不同，按照IEC1312—1和国标GB50057-94（2000年版）要求，应将需要保护的空间划分为不同的防雷区（LPZ），以确定各部分空间不同的LEMP（雷闪电磁脉冲）的严重程度和选择相应的防雷器（SPD）。
　　各区以其交界处的电磁环境有明显改变作为划分不同防雷区的特征。国标GB50057-94（2000年版）6.2.1规定的防雷区划分一般原则详见图2—1
　　
　　
　　
　　（1）防直击雷区LPZOA
　　（2）防间接雷区LPZOB
　　（3）防LEMP（雷闪电磁脉冲）冲击区LPZ1
　　3.2绝缘配合
　　为了减少电磁干扰的感应效应，宜在建筑物和房间的外部设屏蔽措施，选择合适的路径敷设线路或线路屏蔽。而建筑物内屏蔽、接地、和等电位连接等措施GB50057-94（2000年版）的第6.3.1、6.3.2、6.3.3、都作了具体的规定。
　　但对电源系统保护选择的避雷器(SPD)不仅必须能承受预期通过它们的雷电流，和有能力熄灭在雷电流通过后产生的工频续流，还要考虑通过电涌电流时的最大钳压与所安装处设备的绝缘等级的配合(GB50057-94（2000年版）第6.4.4条)，各种设备的绝缘情况如下表：
　　表3-1230/400V三相系统各种设备耐冲击过电压额定值
　　设备的位置 电源处的设备 配电线路和最后分支线路的设备 用电设备 特殊需要保护的设备
　　耐冲击过
　　电压类别 Ⅳ类 Ⅲ类 Ⅱ类 Ⅰ类
　　耐冲击电压额定值（kV） 6 4 2.5 1.5
　　下图也体现了绝缘配合要求与电涌保护器(SPD)安装点的关系。
　　
　　3.3避雷器的选用原则
　　在LPZ0A区与LPZ1区的界面处做等电位连接用的接线夹和电涌保护器，根据IEG1312-1和国标GB50057-94（2000年版）6.3.4要求：应采用表1-2（即：GB50057-94（2000年版）附录六的附表6.1～附表6.3）的雷电流参量估算通过它们的分流值。在不可能个别估算时可按以下方法确定：可假定全部雷电流I的50％流入所考虑建筑物的接地位置，I的另50％分配于进入建筑物的各种设施（外来导电物、电力线和通信线等），流入每一设施的电流I等于I/n，n为上述设施的个数（详细可参见GB50057-94（2000年版）6.3.4）。
　　在需要保护的二次设备系统中，所安装的避雷器(SPD)的数量取决于防雷区的划分和被保护设备的易损性。当采用多于一套避雷器(SPD)去保护设备时，就需研究这些SPD之间的以及与被保护设备的配合问题，配合的一般目的是借助于诸避雷器(SPD)，将总威胁值减到被保护设备的耐受能力以下。各个避雷器(SPD)分担的雷电浪涌不应超过其额定值，根据供电线路的不同，避雷器(SPD)的保护模式稍有差别：
　　1、SPD的保护模式：SPD可连接在L（相线）、N（中性线）、PE（地线）间。
　　2、最大连续工作电压UC：指能持续加在避雷器(SPD)各种保护模式间的电压有效值（直流和交流）。UC不应低于低压线路中可能出现的最大连续工频电压。选择230/400V三相系统中的避雷器(SPD)时，其接线端的最大连续工作电压Uc不应小于下列规定：
　　TT系统中Uc≥1.5Uo；
　　TN、TT系统中Uc≥1.1Uo；
　　IT系统中Uc≥Uo；
　　注1：在TT系统中Uc≥1.1Uo是指避雷器(SPD)安装在漏电保护器的电源侧；Uc≥1.5Uo是指避雷器(SPD)安装在漏电保护器的负荷侧。
　　注2：Uo是低压系统相线对中性线的电压，在230/400V三相系统中Uo=230V。
　　对以MOV（压敏电阻）为主的箝压型避雷器(SPD)而言，当外部电压小于UC时，MOV呈现高阻值状态。如果避雷器(SPD)因电涌而动作，在泄放规定波形的电涌后，避雷器(SPD)在UC电压以下时应能切断来自电网的工频对地短路电流（后续电流）。这一特性在IEC标准中称为可自复性。前面提到的UC≥1.5Uo、UC≥1.1Uo、Uc≥Uo等标准引自IEC60364-5-534，从我国供电系统实际出发，此值应增大一些，有专家认为原因是国外配电变电所接地电阻规定为1-2Ω，而我国规定为4-10Ω，因而在发生低压相线接地故障时另两相对地电压常偏大且由于长时间过流很易烧毁避雷器(SPD)。但SPD的UC值定的偏大又会因产生残压较高而影响避雷器(SPD)的防护效果。也有些专家认为，虽然变电所接地电阻较大，但在输电线路中实现了多次接地，多次接地的并联电阻要低于变电所的接地电阻值，因此UC≥1.1UO即可满足要求。
　　4二次设备防雷措施
　　变电站遭受的雷击是下行雷，主要来自两个方面：一是雷直击在变电站的电气设备上；二是架空线路的感应雷过电压和直击雷过电压形成的雷电波沿线路侵入变电站。因此，直击雷和雷电波对变电站进线及变压器的破坏的防护十分重要。
　　对于直击雷主要是采用避雷针、避雷器、避雷线和避雷网作为接闪器，然后通过良好的接地装置迅速而安全的把雷电流引入大地。
　　对于感应雷则需要从整体和系统建立起三维的防护体系，主要包括以下几个方面。
　　1）电源的防护。因综合自动化保护测控装置的电源均取自变电站内10kV/380V所内变压器，且经验证明变电站内60%的累积事故均为电源系统防雷措施不完善造成的，故对综合自动化装置的防雷，电源系统防护应放于首位。参照相关的要求，将变电站综合自动化系统的低压配电系统中采用3～4级电涌保护器进行保护。
　　1级电源保护：在10kV/380V所内变压器低压侧安装大容量三相电源电涌保护器。
　　2级电源保护：分配电柜线路输出端的电源安装三相电源型电涌保护器。
　　3级电源保护：电子信息设备交流电源进线端安装三相电源型电涌保护器。
　　4级电源保护：由于自动监控系统的控制电源及采集机构的需要，必须将交流电转换成直流电，因此直流电源的安全稳定是控制及采集机构安全稳定的基础，为防止雷电电磁脉冲对直流电源造成损害，我们在整流电源侧以及各控制装置及采集机构前加安装电源型电涌保护器，进而从根本上解决雷击对直流系统的损害。
　　通过逐级的防护，可以将雷电流最大限度的控制在自动化装置允许的耐受范围之内，以确保设备稳定运行。
　　2）通信系统的防护。变电站二次自动化设备中包括很多网络设备如网卡，调制解调器等。这些设备通过网线和电话线同局域网和广域网相连。所以应该在其通信线路两端加装信号电涌保护器，包括保护电话线的音频电涌保护器和保护网络连接设备，以及在通信设备电源处加设电涌保护器。并针对雷电电磁脉冲产生的地电位反击而安装等电位连接器，这样能够针对变电站中的网络传输系统就有了一个比较全面的保护。
　　3）信号采集及控制线路的防护。在监控系统中，不可避免的要有采样信号和控制信号的传递，在变电站二次自动化设备中也是如此，在现有的使用二次自动化设备的变电站中绝大多数是使用串口进行信号传输的，同时通过并口连接打印设备。这就需要我们就计算机的串口和并口两种信号传递端口进行保护。在信号采集和控制的执行机构前增加控制信号电涌保护器，并且针对雷电电磁脉冲产生的地电位反击而安装等电位连接器，这样能够比较完善的保护信号采集及控制线路。
　　4）计量及保护系统的防护。在二次自动化设备中，信号显示、功率计算、异常监测和线路保护的判断依据都是由变电站的电流互感器和电压互感器采样进入的，雷电电磁脉冲很容易从这两种设备侵入二次自动化监控系统造成对电子设备的损坏，甚至造成系统的瘫痪，所以对电流互感器和电压互感器后端的电子设备的保护是至关重要的。为了提高防护质量，应该同电源防护一样进行分级防护，一级防护：在电流互感器或电压互感器的低压侧安装电流、电压互感器型电涌保护器；二级防护：在电流互感器或电压互感器线路进入控制配电柜处安装电流、电压互感器型电涌保护器。如此，经过双层保护，使从互感器窜入的雷电流基本能够控制在线路能够承受的额度之内，从而保证了整个系统的正常运行。
　　5）温度检测系统的防护。对于变电站来说，变压器是整个系统的核心，所有的监视设备和保护设备都是为了使之正常、稳定的运行而设立的，检测变压器异常的最直接方法就是检测变压器的温度，因此，很多的变电站二次综合自动化系统都加入了变压器温度检测的部分。其原理是利用温度传感器和温度控制器组成温度检测回路，并将温度传感器置于变压器上，当变压器温度过高时，由温度控制器、降温风扇和警铃组成的报警降温回路接通，对变压器进行降温，同时报警。
　　当发生雷击时，会在温度检测和报警回路中产生极高的感应电压，烧毁回路中设备。为了保护温度检测和报警回路，应该在温度传感器和温度控制器处安装电涌保护器，对温度传感器和温度控制器进行保护，保证变压器的正常运行。
　　5变电站二次设备防雷保护配置
　　5.1站用交流电源屏的防雷保护配置
　　如上图所示，站用交流电源屏其两进线都分别配置B级防雷保护器，而交流配电每一回输出都分别配置C级或D级防雷器。
　　5.2站用直流电源屏的防雷保护配置
　　站用直流电源屏其两进线都分别配置C级防雷保护器，而直流配电控制母线和合闸母线以及直流屏与综合自动化系统的通讯接口都分别配置C级或D级防雷器。
　　5.3通讯接口的防雷保护配置
　　卫星通信天馈线信号防雷保护（BNC接口）的防雷器可选择C-UB/E型防雷器。
　　综合自动化系统网络CAN总线信号防雷保护的防雷器可选择PT3-HF-12DC-ST型防雷器。
　　综合自动化系统网络LonWorks总线信号防雷保护的防雷器可选择PT3-HF-12DC-ST型防雷器。
　　综合自动化系统网络以太网总线信号防雷保护的防雷器可选择D-LAN-A/RJ45-BS型防雷器。
　　RS485信号线路防雷保护的防雷器可选择PT5-HF-12DC-ST型防雷器。
　　程控电话线防雷保护的防雷器可选择D-FM-A/RJ45-BB型防雷器。
　　5.4信号采集及控制线路的防雷保护配置
　　各电压等级的母线PT二次侧防雷保护的防雷器可选择VAL-MS60ST型防雷器。
　　各电压等级的线路PT二次侧防雷保护的防雷器可选择VAL-MS120ST型防雷器。
　　6结论
　　综自变电站二次设备的防雷问题是一个综合性的工作，尤其是二次设备的雷电浪涌防护还重视不够，也常常由其而引起设备的损坏，所以在完善二次电设备外部防护的同时，要加强二次电设备的内部防护，建议加强以下几方面的工作；
　　(1) 首先要完善弱电外部雷电防护，将绝大部分雷电流直接接闪引入地下泄散。
　　(2) 其次要阻塞沿电源线或数据、信号线引入的过电压波。
　　(3) 第三限制钳位被保护设备上浪涌过压过流幅值在设备可承受的范围。
　　这三道防线，相互配合，各行其责，缺一不可。