浪涌保護(hù)器在變電站二次系統(tǒng)防雷保護(hù)中的應(yīng)用

王賀新，劉 念，劉航宇，蒲麗娟，李 娟

(四川大學(xué)電氣信息學(xué)院，四川 成都 610065)

浪涌保護(hù)器在變電站二次系統(tǒng)防雷保護(hù)中的應(yīng)用

王賀新，劉 念，劉航宇，蒲麗娟，李 娟

(四川大學(xué)電氣信息學(xué)院，四川 成都 610065)

隨著中國(guó)電力的飛速發(fā)展，高壓直流輸電和特高壓直流輸電線路的建設(shè)步伐也越來(lái)越快，變電站在電力系統(tǒng)中的地位也變得越加重要。所以變電站安全可靠運(yùn)行關(guān)系到電力系統(tǒng)的總體運(yùn)行安全，但是雷電卻一直是影響變電站安全運(yùn)行的的主要因素。特別是由于雷電而產(chǎn)生的過(guò)電壓對(duì)變電站的影響，其中尤其是對(duì)二次系統(tǒng)的影響更為嚴(yán)重。為了確保變電站的安全運(yùn)行，有必要加強(qiáng)變電站二次系統(tǒng)的防雷保護(hù)，從而提高電力系統(tǒng)的安全性和可靠性。

雷電；變電站；防雷；浪涌保護(hù)器

0 引 言

變電站(特別是高壓大型變電站)是多條輸電線路的交匯點(diǎn)和電力系統(tǒng)的樞紐。輸電線路與變電站相比較而言雷電事故的影響面積較小，而且現(xiàn)代電網(wǎng)大多數(shù)具有備用供電電源，所以線路的雷電事故只能導(dǎo)致電網(wǎng)工況的短時(shí)惡化；但是變電站的雷電事故就要嚴(yán)重的多，往往導(dǎo)致大面積停電[1]；其次變電站的設(shè)備較多，如電力變壓器、電纜、二次系統(tǒng)等，不能承受雷擊產(chǎn)生的雷電過(guò)電壓而導(dǎo)致?lián)p壞。尤其是變電站的二次系統(tǒng)，包括站內(nèi)保護(hù)設(shè)備、自動(dòng)化設(shè)備、通信系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備及監(jiān)控系統(tǒng)、交直流電源系統(tǒng)等，都采用大規(guī)模的集成電路，電子元件的性能大大提高的同時(shí)，其抗電磁干擾、抗過(guò)電壓和雷擊的能力卻變得十分脆弱了，所以變電站的二次系統(tǒng)防雷就變得十分重要。

1 雷電過(guò)電壓及對(duì)變電站的危害

過(guò)電壓是電力系統(tǒng)在特定條件下所出現(xiàn)的超過(guò)工作電壓從而可能危害各種用電設(shè)備的異常電壓。其中由于雷電引起的過(guò)電壓，因其過(guò)電壓的幅值高達(dá)數(shù)十萬(wàn)伏、甚至數(shù)兆伏，如果不采取保護(hù)措施和裝設(shè)各種防雷保護(hù)裝置，那將出現(xiàn)很嚴(yán)重的事故。

由大氣中的雷云對(duì)地面放電引起的過(guò)電壓稱為雷電過(guò)電壓。其持續(xù)時(shí)間大多在幾十微秒，具有脈沖特性[2]。雷電過(guò)電壓又分為直擊雷過(guò)電壓和雷電感應(yīng)過(guò)電壓。雷閃直接擊中電氣設(shè)備導(dǎo)電部分時(shí)引起的過(guò)電壓稱為直擊雷過(guò)電壓，由于電效應(yīng)、熱效應(yīng)和機(jī)械效應(yīng)等混合力作用可直接擊毀建筑物，還可能引起人員的傷亡[3]；其次雷擊產(chǎn)生的電效應(yīng)有可能使變電站的微電子設(shè)備遭受浪涌過(guò)電壓的危害。而雷電感應(yīng)過(guò)電壓是雷閃擊中電氣設(shè)備附近地面，在放電過(guò)程中由于空間電磁場(chǎng)的急劇變化而使未直接遭受雷擊的電氣設(shè)備上感應(yīng)出過(guò)電壓的現(xiàn)象。這種過(guò)電壓是對(duì)變電站的電子設(shè)備影響最大，特別是對(duì)通訊設(shè)備和通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

2 雷電侵入的主要途徑

現(xiàn)代變電站的一次防雷系統(tǒng)是比較完善和有效的，防雷設(shè)備有如架空地線、避雷器、避雷針等；但是相比于一次防雷系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，變電站的二次防雷系統(tǒng)的防雷措施還有待完善和改進(jìn)。如圖1所示雷電侵入變電站二次系統(tǒng)的主要途徑[4]。

圖1 雷電侵入途徑

1)雷電直擊線路時(shí)雷電會(huì)沿著架空線路通過(guò)電壓互感器和電流互感器作用到二次設(shè)備上；

2)通信線路也會(huì)感應(yīng)出雷電，使雷電電壓或電流直接傳到設(shè)備，從而損壞設(shè)備；

3)變電站上空的雷云電場(chǎng)，會(huì)通過(guò)靜電感應(yīng)耦合到電纜溝中所有的電纜中去[5]；

4)當(dāng)防雷裝置接受雷擊時(shí)，在引下線和接地體上都會(huì)產(chǎn)生很高的電壓。因?yàn)槔纂娏骶哂泄逃械姆蔡匦?，即極大的陡度和幅值，會(huì)在周圍產(chǎn)生強(qiáng)大的變化磁場(chǎng)，而處在變化磁場(chǎng)中的導(dǎo)體均會(huì)感應(yīng)出很高的電動(dòng)勢(shì)。如果防雷裝置與其他電氣設(shè)備、電線、或金屬物體絕緣距離不夠，就會(huì)對(duì)該物體發(fā)生反擊放電從而引起設(shè)備的損壞；

5)當(dāng)雷電流經(jīng)接地裝置流入大地時(shí)，由于接地電阻的存在會(huì)使地網(wǎng)電位升高，這時(shí)與大地直接相連接的設(shè)備外殼和設(shè)備內(nèi)部的導(dǎo)電部分之間的電位差可能達(dá)到危險(xiǎn)的程度而擊穿。

3 浪涌保護(hù)器在二次防雷中的應(yīng)用

3.1 浪涌的成因

浪涌是指電路在遭遇雷擊時(shí)產(chǎn)生的雷擊過(guò)電壓或者在接通、斷開電感負(fù)載或大型負(fù)載時(shí)常常會(huì)產(chǎn)生很高的操作過(guò)電壓。這種瞬時(shí)過(guò)電壓(或過(guò)電流)稱為浪涌電壓(或浪涌電流)，這是一種瞬變干擾。此處所謂瞬態(tài)是指持續(xù)時(shí)間大大低于工頻周期(0.02 s) 的瞬變過(guò)程。對(duì)地閃擊的雷電流波形的特點(diǎn)是持續(xù)時(shí)間極短，上升時(shí)間極短，而下降時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)(幾十秒到幾百秒) 的具有脈沖特性，如圖2所示。

圖2 雷電流模擬波形

浪涌包括浪涌沖擊、電流沖擊和功率沖擊。由于變電站的二次系統(tǒng)中的二次設(shè)備大多數(shù)都是現(xiàn)代電子設(shè)備，其中很多元件集成度很高、很精密，所以對(duì)電流和電壓的變化很敏感，特別是微處理器對(duì)浪涌電壓電流更加敏感。出現(xiàn)浪涌時(shí)如不加以限制將會(huì)導(dǎo)致：引起電子設(shè)備的誤動(dòng)；電源設(shè)備和貴重的計(jì)算機(jī)及各種硬件設(shè)備的損壞，造成直接經(jīng)濟(jì)損失；在電子芯片中留下潛伏性的隱患，使電子設(shè)備運(yùn)行不穩(wěn)定和老化加速。

3.2 浪涌保護(hù)器原理

浪涌保護(hù)器(surge protection device, SPD)，也稱為電涌保護(hù)器。其工作原理是將浪涌保護(hù)器并聯(lián)在被保護(hù)設(shè)備兩端，通過(guò)泄放浪涌電流、限制浪涌電壓來(lái)保護(hù)電子設(shè)備。浪涌保護(hù)器的核心元件主要是非線性元件(一個(gè)非線性電阻或是一個(gè)開關(guān)元件)，通過(guò)非線性元件的伏安特性來(lái)完成泄放雷電流、限制浪涌電壓的。在未發(fā)生浪涌之前，即在被保護(hù)電路正常工作，此非線性元件呈現(xiàn)極高的電阻，其漏電流幾乎為零，所以對(duì)被保護(hù)電路沒(méi)有任何影響；而當(dāng)瞬態(tài)浪涌到來(lái)時(shí)，保護(hù)器內(nèi)的非線性元件以納秒級(jí)的迅速響應(yīng)，立刻變?yōu)楹艿偷碾娮?，將浪涌電流引入旁路，使被保護(hù)設(shè)備兩端的電壓限制在較低的水平，從而保護(hù)設(shè)備免遭過(guò)電壓而損壞。而當(dāng)浪涌結(jié)束后，該非線性元件又迅速、自動(dòng)地恢復(fù)為極高電阻。浪涌保護(hù)器既不影響設(shè)備的正常工作，又能將過(guò)電壓限制在相應(yīng)設(shè)備的耐壓等級(jí)范圍內(nèi)，這樣就可以限制瞬態(tài)過(guò)電壓和分走電涌電流。所以浪涌保護(hù)器是電子設(shè)備防雷的主要手段，也是變電站內(nèi)部防雷保護(hù)的主要措施，是變電站綜合防雷體系的重要組成部分，如圖3所示。

圖3 變電站綜合防雷體系

如果變電站的防雷體系中僅有接閃器、接地裝置的話，則并不能避免雷電波從線路侵入到變電站二次系統(tǒng)中去，也不能在低接地電阻值下防止反擊的出現(xiàn)，所以為了保護(hù)電子設(shè)備還必須要有浪涌保護(hù)。從另一方面來(lái)看，浪涌保護(hù)也是以外部防雷保護(hù)為前提，也應(yīng)與內(nèi)部防雷保護(hù)其他措施(等電位連接、屏蔽)密切配合。如果建筑物的接地電阻選取過(guò)大，則很容易發(fā)生反擊，并且反擊時(shí)大部分的雷電流不是流經(jīng)大地泄放而是從浪涌保護(hù)器流向配電變壓器，加重了浪涌保護(hù)器的負(fù)擔(dān)[6]。

3.3 浪涌保護(hù)器的分類

3.3.1 電壓限制型

電壓限制型的浪涌保護(hù)器的工作原理是當(dāng)沒(méi)有浪涌過(guò)電壓時(shí)，基本上為開路狀態(tài)呈現(xiàn)為高電阻；但當(dāng)浪涌過(guò)電壓到來(lái)時(shí)，其極間電阻值隨著浪涌電壓和電流的增大而逐漸減小，其電壓和電流特性成非線性。所以電壓限制型浪涌保護(hù)器的核心保護(hù)元件是各種非線性元件，具有連續(xù)的伏安特性，電壓限制型浪涌保護(hù)器中最常用的是金屬氧化物非線性電阻(簡(jiǎn)稱MOV),有時(shí)又稱壓敏電阻[7]。MOV元件一般為圓片或方片狀，由多種金屬氧化物(主要是氧化鋅) 組成。此外,還有箝位二極管、瞬態(tài)電壓抑制器(一種專門用來(lái)限制大電流瞬態(tài)的二極管，簡(jiǎn)稱TVS) 和硅雪崩二極管(簡(jiǎn)稱 SAD)等。

3.3.2 電壓開關(guān)型

電壓開關(guān)型的工作原理是當(dāng)沒(méi)有浪涌過(guò)電壓時(shí)，基本上為開路狀態(tài)呈現(xiàn)為高電阻；但當(dāng)浪涌過(guò)電壓到來(lái)時(shí)，其極間電阻突然變成低阻值，允許大電流流過(guò)，所以電壓開關(guān)型浪涌保護(hù)器的核心元件基本是各種開關(guān)型器件，如開放的空氣間隙、封閉的氣體放電管和晶閘管等。

3.3.3 組合型

組合型浪涌保護(hù)器是由其他各種不同類型器件結(jié)合運(yùn)用的保護(hù)器，如電壓限制型和電壓開關(guān)型的元件組合，將兩者串聯(lián)或并聯(lián)。利用各種保護(hù)器的不同特點(diǎn)可以達(dá)到更好的效果。由于電壓限制型和電壓開關(guān)型元件具有非線性，所以組合型浪涌保護(hù)器也具有非線性特性，其伏安特性也是不連續(xù)的，其表現(xiàn)與電壓、電流有關(guān)，有時(shí)呈現(xiàn)電壓限制型特性，有時(shí)呈現(xiàn)電壓開關(guān)型特性。

4 浪涌保護(hù)器的選擇和安裝

4.1 浪涌保護(hù)器的參數(shù)

電壓保護(hù)水平是指浪涌保護(hù)器限制接線端子間電壓的性能參數(shù)[8]。該值應(yīng)該大于限制電壓的最高值，所以在選擇浪涌保護(hù)器時(shí)通常電壓保護(hù)水平越低，保護(hù)效果越好。只有在級(jí)間配合時(shí)電壓保護(hù)水平不是越低越好。

通流容量是指浪涌保護(hù)器最大能吸收而不損壞的能量[9]。通流容量與電流波形(特別是波長(zhǎng))有關(guān)。在技術(shù)上，通流容量是決定浪涌保護(hù)器在雷電下動(dòng)作時(shí)可靠性的主要因素；在經(jīng)濟(jì)上,通流容量是決定浪涌保護(hù)器規(guī)格和價(jià)格的主要因素。所以通流容量越高，雷電下安全性就越高，但是通流容量越高，浪涌保護(hù)器的價(jià)格也就越高。

最大持續(xù)運(yùn)行電壓主要是對(duì)MOV等電壓限制型保護(hù)元件而言，指的是浪涌保護(hù)器能長(zhǎng)期承受而不劣化的電壓，這也是浪涌保護(hù)器的額定電壓[10]?？芍畲蟪掷m(xù)運(yùn)行電壓越高，浪涌保護(hù)器長(zhǎng)期運(yùn)行的安全可靠性就越高；但是最大持續(xù)運(yùn)行電壓也影響電壓保護(hù)水平，在制造水平不變的條件下，最大持續(xù)運(yùn)行電壓越高電壓保護(hù)水平也就越高。

4.2 浪涌保護(hù)器的安裝

因?yàn)槔纂姽逃械姆蔡匦?，其具有的能量非常巨大，所以需要用分?jí)泄放的方法將雷擊產(chǎn)生的能量逐步泄放到大地。所以變電站通常設(shè)有三級(jí)防護(hù)，第一級(jí)防護(hù)通過(guò)安裝限制型浪涌保護(hù)器對(duì)直擊雷擊電流進(jìn)行泄放或者當(dāng)電源傳輸線路遭受直接雷擊時(shí)，將傳導(dǎo)的巨大能量進(jìn)行泄放。通常浪涌保護(hù)器安裝在變電站的總配電柜處[11]；第二級(jí)浪涌保護(hù)器是針對(duì)與第一級(jí)浪涌保護(hù)器的殘余電壓與區(qū)內(nèi)感應(yīng)雷擊的防護(hù)設(shè)備，因?yàn)榈谝患?jí)吸收雷擊能量時(shí)，不會(huì)完全吸收，仍會(huì)有一部分能量對(duì)設(shè)備來(lái)說(shuō)是具有很大的危害，這時(shí)就需要第二級(jí)浪涌保護(hù)器進(jìn)一步吸收。同時(shí)，經(jīng)過(guò)第一級(jí)浪涌保護(hù)器的傳輸線路也會(huì)因雷擊電磁脈沖輻射產(chǎn)生感應(yīng)電壓和電流，需要第二級(jí)浪涌保護(hù)器進(jìn)一步對(duì)雷擊能量實(shí)施泄放，將浪涌保護(hù)器安裝在各樓層的分配電柜處及重要設(shè)備的輸入電源側(cè)；第三級(jí)浪涌保護(hù)器是將殘余浪涌電壓的值降至1 kV以內(nèi)，使浪涌的能量不致于損壞設(shè)備[12]。

4.3 浪涌保護(hù)器后備保護(hù)

如果出現(xiàn)浪涌保護(hù)器失效，則會(huì)引起電流過(guò)載以及短路，可能會(huì)使過(guò)電流保護(hù)元件動(dòng)作，造成部分地區(qū)停電，所以必須選擇合適后備保護(hù)。后備保護(hù)可采用熔斷器、斷路器和漏電斷路器三種途徑來(lái)實(shí)現(xiàn)。

在安裝浪涌保護(hù)器時(shí)，正確、合理地選用后備保護(hù)元件,直接關(guān)系到變電站運(yùn)行及浪涌保護(hù)器的安全性和可靠性。后備保護(hù)元件與浪涌保護(hù)器的配合,應(yīng)該確保保護(hù)在額定浪涌電流作用時(shí)后備保護(hù)元件不動(dòng)作,保證浪涌電流的正常泄放,同時(shí)其作用在支路上的殘壓低于用電設(shè)備的保護(hù)水平,以保證系統(tǒng)及用電設(shè)備安全[13]。

5 結(jié) 論

浪涌保護(hù)器是通過(guò)泄放雷電流、限制浪涌電壓來(lái)保護(hù)電子設(shè)備，是電子設(shè)備防雷的主要手段，也是變電站綜合防雷體系中的重要組成部分，有著不可代替的作用。正確、合理的選擇和安裝浪涌保護(hù)器才能使浪涌保護(hù)器與其他防雷措施密切配合，達(dá)到良好的防雷效果，確保變電站安全可靠的運(yùn)行。

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王賀新(1989)，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏υO(shè)備故障與診斷；

劉 念 (1956)，博士，研究方向?yàn)楦唠妷杭夹g(shù)應(yīng)用；

劉航宇(1990)，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏υO(shè)備故障與診斷；

蒲麗娟(1991)，碩士研究生，主要從事電力設(shè)備的狀態(tài)檢測(cè)與故障診斷研究；

李 娟(1990)，碩士研究生，研究方向?yàn)楦唠妷杭夹g(shù)應(yīng)用。

With the rapid development of power system in China, the pace of construction of HVDC and UHVDC transmission lines is also growing faster, and the status of substations in power system has become increasingly important. So the safe and reliable operation of substation influences the overall safe operation of power system, but lightning is always the main factor affecting the safe operation of substation, especially the impact of overvoltage caused by lightning where the impact on secondary system is more serious. In order to ensure the safe operation of substation, there is a need to enhance the lightning protection for secondary systems in substation so as to improve the safety and reliability of power system.

lightning; substation; lightning protection; surge protector

TM83

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1003-6954(2015)03-0058-04

2015-04-07)