關(guān)于變電站二次系統(tǒng)防雷問題的相關(guān)研究

鄧 橋

（中國大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司西北電力試驗(yàn)研究院，陜西西安 710005）

0 引言

近年來隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，社會用電負(fù)荷呈現(xiàn)出增長趨勢，給電力企業(yè)帶來更大的生產(chǎn)運(yùn)營管理壓力。與此同時，各類計(jì)算機(jī)、信息技術(shù)以及自動化控制技術(shù)在變電站中的應(yīng)用，推進(jìn)了智能變電站的建設(shè)與普及，提升了變電站的自動化和智能化運(yùn)行水平。但是，變電站大量應(yīng)用的電子設(shè)備，由于其具有內(nèi)部結(jié)構(gòu)高度集成化的特點(diǎn)，其耐壓和耐過電流的能力有所降低，導(dǎo)致運(yùn)行中容易受到雷擊危害。再加上變電站運(yùn)行中存在不同渠道的多種信號，使其二次設(shè)備抗雷電沖擊的能力下降。而變電站二次系統(tǒng)作為保障變電站安全運(yùn)行的最后一道屏障，起到對一次系統(tǒng)和設(shè)備的安全保護(hù)作用。因此需要做好對二次系統(tǒng)的防雷工作，保障其應(yīng)有作用的正常發(fā)揮。

1 雷電入侵變電站二次系統(tǒng)的途徑

變電站二次系統(tǒng)運(yùn)行中遭受的雷擊主要有直擊雷和感應(yīng)雷兩種，由于雷電在放電過程中會在短時間內(nèi)產(chǎn)生巨量的熱量和光并產(chǎn)生電磁效應(yīng)，導(dǎo)致在放電通道中的設(shè)備容易形成感應(yīng)電壓，這將會嚴(yán)重危害變電站中的地面事物。直擊雷就是雷電直接以二次系統(tǒng)的架空輸電線路為導(dǎo)線而擊中二次系統(tǒng)，而系統(tǒng)中的避雷針等設(shè)備不起作用且過電壓數(shù)值較低，尤其是變電站引入了35 kV 或10 kV 的外電源則更會加大此危害。在雷擊時的放電瞬間，感應(yīng)雷會在離放電位置比較近的信號線和電源線中形成電磁脈沖而產(chǎn)生感應(yīng)電壓，此電壓數(shù)值非常巨大，會直接破壞二次系統(tǒng)中的設(shè)備，影響其正常運(yùn)行。

由此可見，雷電入侵變電站二次系統(tǒng)主要通過接地線、電源線以及信號控制線等途徑。

（1）接地線。直接雷在擊中避雷針和避雷線等避雷裝置之后，會將雷電流通過接地引下線引入大地中，在雷電流通過此接地線向大地傳輸?shù)倪^程中，由于接地線存在一定的電阻，而且雷電流的波動峰值比較大，容易出現(xiàn)較大的電位差而影響二次系統(tǒng)中的弱電設(shè)備，甚至?xí)⒃O(shè)備擊穿而影響變電站的正常運(yùn)行。尤其是存在接地不規(guī)范的現(xiàn)象，更會加大不同接地點(diǎn)之間的電位差并出現(xiàn)電磁干擾問題，如果引入自動化系統(tǒng)中則會造成各種功能模塊的損壞。

（2）電源線。雷擊發(fā)生時雷光會先擊中避雷裝置并向大地引入，此時變壓器內(nèi)會存在較大的殘壓，引發(fā)變壓器高壓側(cè)與低壓側(cè)之間出現(xiàn)較大的變壓，并影響二次系統(tǒng)的絕緣設(shè)備等，引發(fā)變電站運(yùn)行故障。而且由于變電站中的自動化系統(tǒng)會通過電源線引入雷電流，也會對其各個功能模塊的正常運(yùn)行造成影響，甚至出現(xiàn)元器件燒壞的問題。

（3）雷電電磁場。由于在發(fā)生雷擊時會產(chǎn)生較大的雷電流，同時會引發(fā)較強(qiáng)的電磁感應(yīng)，此電磁場也主要在電纜溝、布線層以及電纜井內(nèi)。受到此電磁場的影響，會導(dǎo)致在導(dǎo)線上形成不同的電壓降，這就會導(dǎo)致過電壓的產(chǎn)生而損壞二次系統(tǒng)中的絕緣設(shè)備。

（4）信號控制線。由于變電站二次系統(tǒng)通過多種不同的通信線路進(jìn)行連接，一旦這些通信線路遭受雷擊，就會將過電壓向設(shè)備傳輸而加速設(shè)備及其絕緣老化或造成設(shè)備損壞。例如，變電站二次系統(tǒng)中的電話音頻與MODEM（調(diào)制解調(diào)器）連接線、RS-485、RJ45 網(wǎng)線、GPS（Global Positioning System，全球定位系統(tǒng)）及微波載波等通信線路，都會成為引入雷電的通道。

2 變電站二次系統(tǒng)防雷保護(hù)現(xiàn)狀

目前變電站的二次系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，在其系統(tǒng)中包含的計(jì)算機(jī)設(shè)備、電子設(shè)備以及微電子設(shè)備數(shù)量和種類較多，其通常具有較低的過電壓抵抗能力，在遭受雷擊時容易造成地電位反擊、近點(diǎn)感應(yīng)過電壓以及遠(yuǎn)點(diǎn)雷電過電壓等危害。

（1）地電位反擊危害。在二次系統(tǒng)遭受雷擊危害時會通過接地網(wǎng)將雷電流引入大地，但是在此過程中會在接地網(wǎng)上產(chǎn)生巨大的沖擊高電位，如果此高電位被引入二次系統(tǒng)則會損害設(shè)備。

（2）近點(diǎn)感應(yīng)過電壓。在上述將雷電流引入地下的過程中還會形成強(qiáng)烈的電磁場，受到此電磁場的影響會在二次系統(tǒng)的配電線路以及金屬管道上形成感應(yīng)過電壓，此電壓數(shù)值不固定但是易對系統(tǒng)設(shè)備造成危險。

（3）遠(yuǎn)點(diǎn)雷電過電壓。二次系統(tǒng)設(shè)備線路或?qū)Ь€金屬芯在遭受雷擊之后會形成雷電過電壓，這就會將遠(yuǎn)處的過電壓引入二次系統(tǒng)的設(shè)備或其他裝置，進(jìn)而影響設(shè)備的正常運(yùn)行或損傷設(shè)備。

為避免上述危害，目前變電站普遍采取以下防雷保護(hù)措施。

（1）直接雷。通常采取接閃器、引下線以及接地網(wǎng)組成的防護(hù)系統(tǒng)，三者之間相互依靠和協(xié)作來起到對直接雷的有效防護(hù)。

（2）感應(yīng)雷。首先是重點(diǎn)做好對通信系統(tǒng)的防護(hù)，也就是連接變電站的機(jī)房終端設(shè)備和通信信號線來確保其與外界的有效通信。其次，電壓互感器和電流互感器，二者與變電站主控室連接且均是在高壓位置引入，這樣來應(yīng)對一次系統(tǒng)感應(yīng)雷電。再次是防護(hù)空間感應(yīng)電磁場，由于在雷電擊中建筑物或者樹木時會形成強(qiáng)烈的電磁場，使得二次系統(tǒng)中的導(dǎo)線等感應(yīng)到較強(qiáng)的電流，對二次設(shè)備造成損壞。為此要做好對二次系統(tǒng)設(shè)備的接地處理工作。最后，如果接地線的接地點(diǎn)與其他接地點(diǎn)的位置存在較大差異，也會在受到感應(yīng)雷影響時產(chǎn)生較大的電位差而出現(xiàn)設(shè)備反擊問題，引發(fā)設(shè)備故障，為此要統(tǒng)一規(guī)劃和設(shè)置接地點(diǎn)。

常用的防雷保護(hù)方式主要有外部保護(hù)和內(nèi)部防護(hù)、過電壓保護(hù)等類型。其中，外部防護(hù)就是通過避雷裝置的設(shè)置，在發(fā)生雷擊危害時可以將雷電流及時引入大地；內(nèi)部防護(hù)就是對上述避雷裝置向大地中引入雷電流時無法徹底排除的雷電波，通過一次系統(tǒng)和二次系統(tǒng)的連接，在系統(tǒng)內(nèi)部來預(yù)防雷擊危害；過電壓保護(hù)就是預(yù)防雷電引發(fā)的過電壓會對設(shè)備兩端電壓造成影響而導(dǎo)致電壓差較大，影響系統(tǒng)正常運(yùn)行的危害起到預(yù)防作用。

3 變電站二次系統(tǒng)防雷措施

3.1 針對電源線侵入系統(tǒng)的防雷措施

由于變電站運(yùn)行中線路相互之間會由于感應(yīng)而產(chǎn)生干擾電流，或者是內(nèi)部線路受到附近落雷的影響而產(chǎn)生感應(yīng)電流，以及由于引下線電磁感應(yīng)而出現(xiàn)感應(yīng)電流，還可能會由于較長的輸電線路在受到雷擊影響時產(chǎn)生較大的電流，并向二次系統(tǒng)輸送、對二次系統(tǒng)造成危害。此外，由于避雷線或桿塔遭受雷擊時會使得輸電線路受到感應(yīng)雷擊的影響，這就可能會增加輸電線路中的感應(yīng)電流，需要在進(jìn)線段高壓側(cè)采取避雷措施加以防護(hù)。針對上述問題，需要通過三級防雷的方式做好對弱電系統(tǒng)的防雷工作，而且將避雷裝置安裝在變壓器兩側(cè)，且在同一個位置進(jìn)行接地點(diǎn)的設(shè)置，還要將浪涌保護(hù)器設(shè)置在電源入口的位置。

3.2 針對地電位反擊的防雷措施

針對雷擊可能造成的地電位反擊危害，可以采取正確的接地方式來減少電磁干擾，保障二次系統(tǒng)及其設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。也就是將等電位連接排鋪設(shè)在變電站內(nèi)部，還要對地網(wǎng)的電壓進(jìn)行優(yōu)化，還可以采取利用電纜在相同的接地網(wǎng)上進(jìn)行一次系統(tǒng)和二次系統(tǒng)連接的防雷方式。

3.3 針對感應(yīng)電磁場過電壓和電磁耦合侵入系統(tǒng)的防雷措施

由于在雷擊危害到建筑物、樹木以及避雷裝置時可能會產(chǎn)生強(qiáng)烈的磁場并引發(fā)較大的電磁感應(yīng)，進(jìn)而形成過電壓而危害二次系統(tǒng)中的設(shè)備。此外，由于電纜相互之間存在電磁耦合也會相互影響和干擾。為此就需要將SPD（浪涌保護(hù)器）安裝在線路上來預(yù)防電磁感應(yīng)帶來的危害。

3.4 針對通信部分的防雷措施

目前的變電站二次系統(tǒng)中存在較多的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等自動化設(shè)備，它們相互之間需要通過網(wǎng)絡(luò)或電話線等進(jìn)行局域網(wǎng)、廣域網(wǎng)連接，應(yīng)將信號電涌保護(hù)器安裝在通信線路兩端。此類保護(hù)器中還設(shè)置有音頻電涌保護(hù)器來保護(hù)電話線，以及使用RJ45 型電涌保護(hù)器來保護(hù)網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備等，還可以將此保護(hù)器安裝在通信設(shè)備的電源位置，并且可以使用等電位連接器來應(yīng)對地電位反擊危害，全面保護(hù)網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)。

3.5 其他防雷措施

對于監(jiān)控柜視頻信號來說，采取過電壓保護(hù)也就是針對同軸電纜連接監(jiān)控柜內(nèi)的視頻信號時容易引發(fā)雷擊危害的情況，將防雷器安裝在視頻信號接口位置，并用35 mm DIN 導(dǎo)軌固定以及串聯(lián)安裝的方式。對于GPS 衛(wèi)星時鐘接口所采取的過電壓保護(hù)，就是針對主控室遠(yuǎn)動屏上的GPS 單元與建筑物頂部的衛(wèi)星天線采取同軸電纜連接時容易引發(fā)的雷擊危害，需要將防雷器安裝在GPS 單元接口位置，用采用串聯(lián)安裝的方式。

4 結(jié)束語

變電站二次系統(tǒng)容易受到雷擊危害而影響其正常運(yùn)行，主要有直擊雷和感應(yīng)雷兩種危害方式，通過電源線、接地線、信號控制線侵入系統(tǒng)和設(shè)備。因此，不僅要基于目前在變電站二次系統(tǒng)中所采取的外部防護(hù)、內(nèi)部防護(hù)以及過電壓保護(hù)等防雷策略，還要重點(diǎn)做好對電源線侵入、感應(yīng)電磁長過電壓和電磁耦合侵入系統(tǒng)的雷擊危害的防護(hù)措施，以及對地電位反擊危害以及通信部分等位置的防雷措施，以提升變電站二次系統(tǒng)的防雷擊能力，有效保障系統(tǒng)的安全與穩(wěn)定運(yùn)行。