變電站二次系統(tǒng)防雷保護(hù)

胡志彬

摘要：文章針對變電站二次系統(tǒng)防雷保護(hù)的相關(guān)信息，對其二次系統(tǒng)防雷保護(hù)的具體策略進(jìn)行研究。首先介紹雷電對變電站二次系統(tǒng)的影響，并分析雷電的入侵條件；其次介紹變電站二次系統(tǒng)防雷保護(hù)的具體措施；最后結(jié)合實(shí)際案例，對該案例中二次系統(tǒng)防雷保護(hù)的方法進(jìn)行研究。

關(guān)鍵詞：變電站；二次系統(tǒng)；防雷保護(hù)；電力系統(tǒng)；雷電入侵條件 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TM73 文章編號(hào)：1009-2374（2016）30-0125-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.30.061

目前，隨著我國電力系統(tǒng)不斷發(fā)展，系統(tǒng)對防雷保護(hù)能力提出了更高的要求。而從當(dāng)前我國電網(wǎng)防雷技術(shù)的發(fā)展來看，一次系統(tǒng)防雷基本達(dá)到了安全、可靠的目的，不會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的雷擊事故。但隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，以計(jì)算機(jī)、微型電子儀器為基礎(chǔ)的二次系統(tǒng)在電網(wǎng)中所占的比例越來越大，而這些設(shè)備由于耐壓水平低，一旦出現(xiàn)雷擊事故就可能出現(xiàn)損壞，對電網(wǎng)安全運(yùn)行產(chǎn)生嚴(yán)重影響。因此，需要重視對變電站二次系統(tǒng)防雷保護(hù)技術(shù)的研究，為推動(dòng)變電站平穩(wěn)運(yùn)行奠定基礎(chǔ)。

1 雷擊問題研究

雷擊主要可以劃分為感應(yīng)雷與直擊雷，由于當(dāng)前變電站出線段、進(jìn)線段都設(shè)有避雷針，因此其避雷線能有效規(guī)避雷擊危害。當(dāng)前常見的防雷保護(hù)結(jié)構(gòu)如圖1所示：

在一般情況下，變電站的主要雷擊事故類型為感應(yīng)雷害事故：在正常情況下雷擊先擊中避雷針，有助于保護(hù)輸電線路，而雷電會(huì)在引線的干預(yù)下快速流入大地；但在實(shí)際上，雷電存在陡度大、電波峰值高等特點(diǎn)，可能會(huì)經(jīng)過系統(tǒng)母線進(jìn)入二次系統(tǒng)，導(dǎo)致二次系統(tǒng)出現(xiàn)電容性耦合等，再加之二次系統(tǒng)自身具有特殊性，因此在雷擊作用下就會(huì)出現(xiàn)損壞或發(fā)出錯(cuò)誤動(dòng)作。

感應(yīng)雷過電壓、浪涌過電壓被認(rèn)為是導(dǎo)致變電站雷擊事故的主要原因，其入侵變電站主要分為以下三種方式：

方式一：經(jīng)過弱電系統(tǒng)信號(hào)控制入線進(jìn)入。若雷電流經(jīng)過導(dǎo)線而進(jìn)入大地，此時(shí)雷電流較大，因此往往會(huì)在周圍產(chǎn)生電磁感應(yīng)，致使導(dǎo)線上產(chǎn)生不同電壓降，最終形成過電壓。這種過電壓會(huì)影響二次系統(tǒng)設(shè)備，導(dǎo)致二次系統(tǒng)設(shè)備損壞。

方式二：經(jīng)過弱電系統(tǒng)電源線進(jìn)入。在發(fā)生雷擊過程中，雷電侵入波先到達(dá)變壓器，此時(shí)變壓器高壓側(cè)避雷器首先動(dòng)作，將入侵的雷電流引入大地。但在這個(gè)過程中，殘壓系數(shù)較大，電壓器高壓側(cè)電壓很大，則低壓側(cè)電壓也會(huì)處于較高水平。在這種情況下，第二次系統(tǒng)設(shè)備絕緣水平受到影響，可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)備損壞。

方式三：經(jīng)過弱電系統(tǒng)接地線進(jìn)入。在一般條件下，在雷擊發(fā)生時(shí)，雷電流會(huì)隨著地下引線進(jìn)入大地。但在實(shí)際上，雷電流進(jìn)入大地的過程不是一瞬間完成的，因此往往會(huì)存在一個(gè)傳播過程中。同時(shí)由于大地存在電阻，由雷電流引入點(diǎn)到不同點(diǎn)的電阻大小存在差異。雷電流幅值很大，因此往往會(huì)出現(xiàn)十分明顯的電位差，對變電站二次系統(tǒng)弱電設(shè)備產(chǎn)生反擊作用，導(dǎo)致設(shè)備損壞?？傮w而言，雷電侵入二次系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示：

2 防護(hù)措施研究

對于電力系統(tǒng)二次部分的電磁干擾防護(hù)控制，相關(guān)人員可以從控制干擾源與敏感設(shè)備耦合程度等措施進(jìn)行針對性處理。

2.1 改變二次系統(tǒng)接地方法

變電站接地是保證電氣設(shè)備運(yùn)行水平的主要技術(shù)措施，對于二次系統(tǒng)接地可分為危機(jī)保護(hù)裝置交流電源接地、防雷接地等，其中接地是其中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，無論是感應(yīng)雷還是直擊雷，都需要通過接地網(wǎng)進(jìn)入大地。因此可以判斷，有效的接地方式能避免電涌電壓對二次設(shè)備造成損害，保證二次系統(tǒng)安全。目前變電站地網(wǎng)主要采用聯(lián)合地網(wǎng)，當(dāng)期工作頻率高于300kHz或采用長接地電纜的接地方式過程中，相關(guān)人員可以采用多點(diǎn)接地方式，以更好地保證二次系統(tǒng)安全。在具體操作過程中，多點(diǎn)接地設(shè)備內(nèi)部電路主要以機(jī)殼為參考點(diǎn)，而不同設(shè)備機(jī)殼也主要以地為參考點(diǎn)。在經(jīng)過這種方式優(yōu)化后，有助于為接地結(jié)構(gòu)提供更強(qiáng)的接地阻抗。這是因?yàn)樵诙帱c(diǎn)接地方法的影響下，不同接地線長度較短，并且在多根導(dǎo)線并聯(lián)的影響下，導(dǎo)體總電感得到有效控制，這有助于避免高頻狀態(tài)下接地系統(tǒng)駐波效應(yīng)。同時(shí)多點(diǎn)接地方法能將所有到電梯進(jìn)行接地，并建立一個(gè)統(tǒng)一的接地網(wǎng)（包括防雷接地、交流接地等），這種方法有助于進(jìn)一步強(qiáng)化接地體性能，以更好地滿足二次系統(tǒng)防雷要求。在防護(hù)地點(diǎn)為干擾過程中，其接地技術(shù)不論在控制干擾源或在小于干擾源之間都發(fā)揮著重要作用，有助于避免雷電流干擾耦合導(dǎo)致敏感設(shè)備的程度，提高相關(guān)設(shè)備的抗干擾能力，均具有良好的應(yīng)用價(jià)值。

2.2 安裝電涌保護(hù)器

對二次系統(tǒng)而言，安裝電涌保護(hù)器也是實(shí)現(xiàn)防雷保護(hù)的主要措施，是當(dāng)前電子設(shè)備防雷保護(hù)中重要的裝置設(shè)備，簡稱為SPD。從應(yīng)用效果來看，在安裝電涌保護(hù)器后，能有效地將信號(hào)傳輸線、竄入電力線的瞬時(shí)過電壓限制在系統(tǒng)所能承受的范圍內(nèi)，最終保證系統(tǒng)不會(huì)受到?jīng)_擊而發(fā)生破壞。電涌保護(hù)器的工作機(jī)理為（圖3）：在出現(xiàn)過電壓時(shí)，瞬變電壓抑制二極管作為速度最快的元件，開始泄放電流，并在泄放電流的同時(shí)，將輸出鉗位在其截止電壓上。這種方法有助于控制過電壓對設(shè)備的損害。而施加在TVS上的放電電流會(huì)隨著幅值上升而出現(xiàn)變化，使GDT（充氣式放電器）兩端電壓超過其點(diǎn)火電壓，之后GDT產(chǎn)生工作，同樣開始泄放電流。當(dāng)GDT泄放電流后，會(huì)處于低阻狀態(tài)，兩端電壓僅維持在10～20V的水平內(nèi)，有助于避免因?yàn)殡妷簠?shù)過高而導(dǎo)致TVS燒毀，最終達(dá)到保證二次系統(tǒng)的目的。

2.3 完善二次系統(tǒng)屏蔽技術(shù)

在二次系統(tǒng)保護(hù)中，屏蔽技術(shù)主要是將雷電電磁脈沖在空間感應(yīng)入侵通道將其阻斷，在實(shí)際操作過程中，通過屏蔽材料能有效阻斷、減少電磁能量在空間傳輸中所產(chǎn)生的干擾。同時(shí)在變電站二次設(shè)備中存在大量采用集成電路、半導(dǎo)體設(shè)備，這些元件在高電壓條件下十分脆弱，因此需要采用屏蔽方式保證設(shè)備安全性。例如，需要加強(qiáng)對變電站電磁屏蔽的建設(shè)，避免在雷電活動(dòng)過程中產(chǎn)生的靜電會(huì)干擾磁場，最終對計(jì)算機(jī)系統(tǒng)造成影響；也可以采用屏蔽電纜，避免雷電活動(dòng)時(shí)會(huì)在二次回路上產(chǎn)生感應(yīng)過電壓而影響二次設(shè)備安全。

3 實(shí)例分析

3.1 背景介紹

A變電站為500kV變電站，是當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)的重要樞紐，承擔(dān)該地區(qū)與周圍地區(qū)功率轉(zhuǎn)換、連接的重要工作，對當(dāng)?shù)啬酥猎撌〉碾娋W(wǎng)運(yùn)行安全產(chǎn)生重要影響。該變電站自建成以來，出現(xiàn)多次雷擊事故，造成了巨大的損失。例如，某日A變電站在檢查設(shè)備過程中，發(fā)現(xiàn)兩處開關(guān)跳閘，中調(diào)、地調(diào)自動(dòng)化系統(tǒng)未發(fā)生報(bào)警記錄。后經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，上述開關(guān)跳閘期間變電站附近雷電頻繁，開關(guān)跳閘時(shí)距變電站1km位置發(fā)生雷擊，雷電流幅值約為62kA。

3.2 具體措施分析

以電源系統(tǒng)防雷措施為例，對A變電站二次系統(tǒng)防雷保護(hù)措施進(jìn)行研究。A變電站相關(guān)人員認(rèn)為，電源防雷系統(tǒng)的關(guān)鍵，就是防止雷電波通過電源線路，避免雷電流對計(jì)算機(jī)及相關(guān)設(shè)備造成損害，因此A變電在電源系統(tǒng)防雷措施研究中，通過對市場上國內(nèi)外各種品牌的性能、價(jià)格等進(jìn)行詳細(xì)的調(diào)查研究后，選用德國PHOENIX電氣集團(tuán)所生產(chǎn)的防雷產(chǎn)品，該集團(tuán)防雷產(chǎn)品的主要優(yōu)點(diǎn)是帶有自解耦功能，且支持兩種防雷器聯(lián)合使用，有助于進(jìn)一步控制雷電流殘壓。

首先，在A變電高壓室的1號(hào)、2號(hào)站用屏交流僅限端各自添加一套電源一、二級防雷保護(hù)裝置，每套一級4值FLTPLUSCTRL-0.9/I模塊，同時(shí)還需要在防雷器前設(shè)置100A熔斷器，以進(jìn)一步發(fā)揮過流保護(hù)的作用；其次，在A變電站通信方電源各設(shè)置1套浪涌抑制器作為防雷保護(hù)的第三級，其主要型號(hào)為VALMS-230。與上文研究內(nèi)容一樣，還需要在防雷器前設(shè)置80A熔斷器，以發(fā)揮過流保護(hù)作用；最后，在A變電站直流母線系統(tǒng)防雷保護(hù)中，在充分考慮其直流母線的工作狀態(tài)，在防雷保護(hù)中為了避免雷電流通過（+）、（-）母線侵入到站內(nèi)，因此在防雷保護(hù)中需要在（+）、（-）直流屏雙回路交流進(jìn)線側(cè)設(shè)置一套浪涌抑制器，其型號(hào)為VALMS-230，以切實(shí)保證直流母線系統(tǒng)防雷性能，保證系統(tǒng)安全。

4 結(jié)語

本文主要研究了變電站二次系統(tǒng)防雷保護(hù)的相關(guān)內(nèi)容，并從多個(gè)角度對變電站二次系統(tǒng)防雷保護(hù)的具體策略進(jìn)行研究。總體而言，變電站二次系統(tǒng)防雷保護(hù)是一個(gè)復(fù)雜的工作，其技術(shù)要求水平高、涉及面廣，這就要求相關(guān)人員在實(shí)際工作中能充分了解不同技術(shù)的應(yīng)用范圍與操作要點(diǎn)，在了解本電站二次系統(tǒng)防雷保護(hù)的基礎(chǔ)上，制定出相應(yīng)的防雷保護(hù)措施，為全面提高變電站運(yùn)行質(zhì)量奠定基礎(chǔ)。

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