论文部分内容阅读
摘要：本文针对雷电波侵入变电站二次设备途径的分析，结合电源及信号系统二次防雷工程实例，探讨变电站二次系统防雷措施，以提高综合自动化系统二次设备的防雷水平，确保系统的安全运行。
关键词：变电站；二次系统；防雷措施
Abstract: this paper ray into two waves substation equipment analysis of the way, combined with the power supply and signal system second lightning protection engineering example, discusses two times the lightning protection substation system, in order to improve the integrated automation system secondary equipment lightning protection level, to ensure the safe operation of the system.
Keywords: substation; Secondary system; Lightning protection measures
中图分类号：TU856文献标识码：A 文章编号：
雷电已经被列入对人类社会危害极大的八大自然灾害之一，雷击对电力系统的危害是非常巨大的，从形式上来讲，可分为直接雷击和感应雷击。直接雷击可以造成线路跳闸、断路器、电压互感器、电流互感器及其他一次设备故障、爆炸。随着电力设备自动化改造的不断深入，综合自动化变电站也随之增多，雷电对变电站二次系统设備的危害越发突出，容易造成二次系统设备的继电保护误动、拒动的事故，严重威胁电网的安全运行。因此对变电站二次设备必须采取严格有效的防雷保护措施，保证变电站自动化设备免受雷电、操作过电压和电磁干扰的损坏。
一、雷电侵入变电站二次设备途径分析
1．电源进线引入雷电过电压
雷电由于直击或电磁感应而产生雷电过电压，通过高压线路经站用变压器、低压线路和通信线路等侵入变电所，并传导至综合自动化系统二次设备。在雷电波传输过程中通过不同性质、参数的连接段时，波阻抗会发生变化，这将导致波阻抗突变处的电压升高。在过电压作用下，轻则由于累积作用使二次设备加速老化，重则引起综合自动化系统各功能模块的电压升高导致工作不正常，甚至损坏。需要着重说明的是，由于雷电过电压经过高压避雷器后仍带有一定残压，这个残压值对于高压设备来讲在安全范围内，但对于综合自动化系统的二次设备而言还是很高。
2．二次线路引入雷电过电压
直接与一次设备连接的二次线路，由于雷电电磁脉冲引起的感应过电压直接作用于保护或控制设备。
3．直流电缆引入雷电过电压
变电站内的测量、控制及保护等设备使用220 V(或110 V)直流电源，直流电缆从直流屏经电缆通道至控制室内的综合自动化系统设备柜。当雷电作用于变电站附近时，其周围会产生较强的电磁场。此时，如果柜具有良好的接地及屏蔽功能，则外部产生的电磁场对柜内的二次设备影响很小。电磁场的影响主要集中在电缆通道内电缆之间的相互感应作用。
4．电压互感器引入雷电过电压
电压互感器基本原理与变压器相似，并联在高压线路上的电压互感器实际上就相当于一台降压变压器，其引入雷电过电压的方式主要有两种：一是高压线路上的雷电过电压经电压互感器的一次线圈传到二次线圈，再经电压互感器二次电缆传导至二次设备；二是电压互感器的二次电缆与控制室综合自动化设备二次电缆之间产生感应电压，再由综合自动化设备二次电缆传导至二次设备。
5．通信线路引入雷电过电压
通信电缆与综合自动化系统设备直接连接，若其为架空线架设，则遭受直击雷的概率较大，感应雷过电压通过这些电缆侵入系统设备，其高电压直接加在二次设备上。若通信电缆与其他电缆在同一电缆通道内敷设，则相互之间产生感应电压的概率较大，感应电压使通信电缆与设备之间产生电位差并直接作用于通信端口。
6．接地系统不可靠
如发生雷击，经接闪器引下的雷电流会在变电站接地网形成散流，各接地支线上存在不同程度的雷电流和电位差。如果接地系统不可靠，不同接地点之间极易形成较高的电位差，若接地电阻阻值偏大，地电位升高，通过接地线，过电压将直接传导至二次设备。
二、变电站二次系统防雷措施
1．电源系统采用多级防护
电源线路的防雷是变电站二次系统防雷的一个重要环节，应遵循分级防护、逐级协调的原则。
变电站二次系统的配电系统宜采用TN—S系统，中性线除了在站用变压器处单点接地外，在配电系统的其他地点严禁接地。
站用变压器低压侧至交流配电屏的三根相线，应在交流配电屏进线侧安装具有相对地、中性线对地保护模式的第一级(开关型)和第二级(限压型)组合型交流电源SPD，具耐受冲击电流不小于20 kA(10/350μs)。
独立的二次交流屏各段交流母线应安装具有相对地、中性线对地保护模式标称放电电流不小于10 kA(8/20μs)的第三级交流电源SPD。
直流屏的交流充电电源入口处应安装具有相对地、中性线对地保护模式标称放电电流不小于10 kA(8/20μs)的第三级交流电源SPD。直流屏的直流母线输出端宜安装具有正极对地、负极对地保护模式的标称放电电流不小于10 kA(8/20μs)的直流电源SPD。保护小室交流电源入口处应安装具有相对地、中性线对地保护模式标称放电电流不小于10 kA(8/20μs)的第三级交流电源SPD。保护小室直流电源入口处宜安装具有正极对地、负极对地保护模式的标称放电电流不小于10 kA(8/20μs)的直流电源SPD。
控制室内应使用限压型或组合型的具有能量自动配合功能的SPD，禁止在回路上加装退耦元件。所有电源SPD都应串联相匹配的联动空气开关以便于更换SPD和防止SPD损坏造成的短路，空气开关的额定电流应参考所接SPD的标称放电电流来选择。
变电站二次系统的雷电电磁脉冲防护设计，应对各防护区SPD进行合理的设置和选型，其限制电压应小于该防护区内被保护设备的耐压，以达到保护设备的目的。变电站内的电源SPD除第一级电源SPD可选用电压开关型和具有开关特性的组合型SPD外，其他的SPD应选用限压型和具有限压特性的组合型SPD。
通过逐级防护，可以有效地将雷电流最大限度地控制在综合自动化系统允许的耐受范围之内，以保证设备的安全稳定运行。
2．信号系统的防雷接地
变电站二次系统用信号SPD应符合被保护设备对传输协议、传输速率的要求，其在线阻抗、匹配阻抗、工作频率和衰减等电性能参数也必须符合站内相应设备的要求，不能影响被保护设备的正常工作。
在GPS主时钟的天线接口处应安装最大放电电流不小于15 kA(8/20μs)的相应的信号控制室远动屏至通信屏的语音线或RS 232等信号线，应在远动屏侧安装标称放电电流不小于2 kA(8/20μs)的相应信号SPD。变电站自动化系统与其他系统的通信线(如RS 232、RS 485等)应在两端安装标称放电电流不小于2 kA(8/20μs)的相应信号SPD。从场地引入的监控线应在监控屏内安装标称放电电流不小于5 kA(8/20μs)相应的信号SPD。从高压场地到控制室的通信线路(如RS 232、RS 485和CAN总线等)应在控制室相应柜处安装标称放电电流不小于5 kA(8/20μs)的信号SPD。
信号电涌保护器SPD应连接在被保护设备的信号端口上。其输出端与被保护设备的输入端口相连，且宜安装在柜内。信号电涌保护器SPD接地端宜采用截面积不小于2.5mm2的铜芯导线与柜内局部等电位接地端子板连接。GPS天线信号电涌保护器SPD的接地端应采用截面积不小于10 mm2的铜芯导线与柜内接地铜排连接。
3．合理选择电缆敷设路徑
为了减少二次系统电缆由于一次系统设备或电缆引起的感应耦合，二次电缆应尽可能地避开高压电缆、有可能存在暂态大电流的电缆以及暂态强电流入地点，并尽可能减小平行敷设的长度。高压电缆和避雷针是强干扰源，加大二次电缆与其之间的距离是减少电磁耦合的有效措施。若由于实际情况电缆通道不能保证足够间距，应做好不同类型、不同系统电缆之间的隔离和屏蔽防护工作。如根据当地多年运行资料，采用架空线路易受雷击，则应在进入变电站前改为直埋电缆，其金属外护层应在两端分别与主接地网可靠连接。采用非金属护套电缆时，埋地敷设应穿金属管，至少在金属管的两端应有可靠接地，并保证金属管全长保持电气连通。
4．接地系统应严格执行规范要求
变电站二次系统应采用联合接地方式，接地电阻应满足规范要求。联合接地可有效地解决地电位升高的问题，合格的地网是有效防雷的关键。联合接地网通常由建筑物基础接地、环形接地装置等组成。对于变电站综合自动化系统的防雷，接地系统的良好与否，直接关系到防雷的效果和质量。合格的接地网可以使雷电流快速泄放，缩短雷电流引起的过高电压的持续时间，以达到变电站综合自动化系统的防雷要求。
对于接地系统，应遵守“共网不共线”的原则。二次系统的所有柜内应设置专用的接地铜排，其截面不得小于100 mm2且屏内的接地铜排应就近使用不小于100 mm2铜导线接到二次接地铜排上。各种SPD的接地线就近引接至屏内的接地铜排。所有柜内设备的金属外壳应可靠接地，柜的门等活动部分应与柜体良好连接。变电站的二次线缆应采用屏蔽电缆，屏蔽层应在两端接地，其余缆芯不允许出现两端接地情况。
三、电源及信号系统二次防雷工程实例
下面以一座35 kV区域变电站工程为例，简述电源系统和信号系统的二次防雷配置情况。
1．电源系统防护
1)在载波高频开关电源屏交流输入处，并联安装1台单相电源SPD作为单相供电系统雷电过电压的防护。额定放电电流(8/20μs)20 kA；最大放电电流(8/20μs)40 kA；响应时间25ns。
2)在载波室空调机电源侧安装三相电源SPD。额定放电电流(8/20μs)40 kA；最大放电电流(8/20μs)60 kA；响应时间25 ns。
3)站用变压器进线屏进线处安装三相电源SPD。额定放电电流(8/20μs)40 kA；最大放电电流(8/20μs)60 kA；响应时间100 ns。
4)在主控室直流屏直流输出母线负极处安装2台直流电源SPD。大放电电流(8/20μs)5 kA。
5)在值班台的UPS交流电源进线处安装电源SPD。额定放电电流(8/20μs)20 kA；最大放电电流(8/20μs)40 kA；响应时间25 ns。
6)在35 kV母线TV二次电压进线处安装电源SPD。额定放电电流(8/20μs)40 kA；最大放电电流(8/20μs)60 kA；响应时间100 ns。
7)在35 kV、10 kV电能表屏母线TV计量二次电压进线处安装电源SPD。额定放电电流(8/20μs)40 kA；最大放电电流(8/20μs)60 kA；响应时间100 ns。
2．信号系统防护
1)载波机柜高频电缆进线端信号控制线安装信号SPD。适用范围：SNPT、FAX和Modem租用电话线；接口类型为RJ45；额定放电电流(8/20μs)5 kA；响应时间1 ns。
2)在载波室载波机柜外线电话信号通信线路进线处安装信号SPD保护。适用范围：SNPT、FAX和Modem租用电话线；接口类型为RJ11；工作电压170 V；额定放电电流(8/20μs)5 kA；响应时间1 ns。
3)在故障录波屏的网络进线上安装信号SPD。适用范围：SNPT、FAX和Modem租用电话线。接口类型为RJ45；额定放电电流(8/20μs)5 kA；响应时间1 ns。
4)在辅助屏至监控后台机、保护屏通信线路安装信号SPD。适用范围：RS 422/485通信设备等；接口类型为CH端口；工作电压24 V；额定放电电流(8/20μs)5 kA；响应时间1 ns。
5)在班组管理微机网络口安装信号SPD。适用范围：SNPT、FAX和Modem租用电话线；接口类型为RJ45；额定放电电流(8/20μs)5 kA；响应时间1 ns。
6)在主控室载波电话机至载波机房的音频电缆安装信号SPD。适用范围：RS 422/485通信设备等；接口类型为CH端口；工作电压24 V；额定放电电流(8/20μs)5 kA；响应时间1 ns。
四、结束语
通过以上各种方式对各系统的保护，组成了一个从电源到信号的完整的高效防雷网络，通过使雷电电磁脉冲层层削弱的方式将雷击造成的危害降低到最小程度，从而较为可靠地保证了二次自动化设备的正常工作。
参考文献：
[1] 陆金凤，刘玉奎．综合自动化变电站二次系统防雷措施的探讨．《气象研究与应用》 2009年S1期．
关键词：变电站；二次系统；防雷措施
Abstract: this paper ray into two waves substation equipment analysis of the way, combined with the power supply and signal system second lightning protection engineering example, discusses two times the lightning protection substation system, in order to improve the integrated automation system secondary equipment lightning protection level, to ensure the safe operation of the system.
Keywords: substation; Secondary system; Lightning protection measures
中图分类号：TU856文献标识码：A 文章编号：
雷电已经被列入对人类社会危害极大的八大自然灾害之一，雷击对电力系统的危害是非常巨大的，从形式上来讲，可分为直接雷击和感应雷击。直接雷击可以造成线路跳闸、断路器、电压互感器、电流互感器及其他一次设备故障、爆炸。随着电力设备自动化改造的不断深入，综合自动化变电站也随之增多，雷电对变电站二次系统设備的危害越发突出，容易造成二次系统设备的继电保护误动、拒动的事故，严重威胁电网的安全运行。因此对变电站二次设备必须采取严格有效的防雷保护措施，保证变电站自动化设备免受雷电、操作过电压和电磁干扰的损坏。
一、雷电侵入变电站二次设备途径分析
1．电源进线引入雷电过电压
雷电由于直击或电磁感应而产生雷电过电压，通过高压线路经站用变压器、低压线路和通信线路等侵入变电所，并传导至综合自动化系统二次设备。在雷电波传输过程中通过不同性质、参数的连接段时，波阻抗会发生变化，这将导致波阻抗突变处的电压升高。在过电压作用下，轻则由于累积作用使二次设备加速老化，重则引起综合自动化系统各功能模块的电压升高导致工作不正常，甚至损坏。需要着重说明的是，由于雷电过电压经过高压避雷器后仍带有一定残压，这个残压值对于高压设备来讲在安全范围内，但对于综合自动化系统的二次设备而言还是很高。
2．二次线路引入雷电过电压
直接与一次设备连接的二次线路，由于雷电电磁脉冲引起的感应过电压直接作用于保护或控制设备。
3．直流电缆引入雷电过电压
变电站内的测量、控制及保护等设备使用220 V(或110 V)直流电源，直流电缆从直流屏经电缆通道至控制室内的综合自动化系统设备柜。当雷电作用于变电站附近时，其周围会产生较强的电磁场。此时，如果柜具有良好的接地及屏蔽功能，则外部产生的电磁场对柜内的二次设备影响很小。电磁场的影响主要集中在电缆通道内电缆之间的相互感应作用。
4．电压互感器引入雷电过电压
电压互感器基本原理与变压器相似，并联在高压线路上的电压互感器实际上就相当于一台降压变压器，其引入雷电过电压的方式主要有两种：一是高压线路上的雷电过电压经电压互感器的一次线圈传到二次线圈，再经电压互感器二次电缆传导至二次设备；二是电压互感器的二次电缆与控制室综合自动化设备二次电缆之间产生感应电压，再由综合自动化设备二次电缆传导至二次设备。
5．通信线路引入雷电过电压
通信电缆与综合自动化系统设备直接连接，若其为架空线架设，则遭受直击雷的概率较大，感应雷过电压通过这些电缆侵入系统设备，其高电压直接加在二次设备上。若通信电缆与其他电缆在同一电缆通道内敷设，则相互之间产生感应电压的概率较大，感应电压使通信电缆与设备之间产生电位差并直接作用于通信端口。
6．接地系统不可靠
如发生雷击，经接闪器引下的雷电流会在变电站接地网形成散流，各接地支线上存在不同程度的雷电流和电位差。如果接地系统不可靠，不同接地点之间极易形成较高的电位差，若接地电阻阻值偏大，地电位升高，通过接地线，过电压将直接传导至二次设备。
二、变电站二次系统防雷措施
1．电源系统采用多级防护
电源线路的防雷是变电站二次系统防雷的一个重要环节，应遵循分级防护、逐级协调的原则。
变电站二次系统的配电系统宜采用TN—S系统，中性线除了在站用变压器处单点接地外，在配电系统的其他地点严禁接地。
站用变压器低压侧至交流配电屏的三根相线，应在交流配电屏进线侧安装具有相对地、中性线对地保护模式的第一级(开关型)和第二级(限压型)组合型交流电源SPD，具耐受冲击电流不小于20 kA(10/350μs)。
独立的二次交流屏各段交流母线应安装具有相对地、中性线对地保护模式标称放电电流不小于10 kA(8/20μs)的第三级交流电源SPD。
直流屏的交流充电电源入口处应安装具有相对地、中性线对地保护模式标称放电电流不小于10 kA(8/20μs)的第三级交流电源SPD。直流屏的直流母线输出端宜安装具有正极对地、负极对地保护模式的标称放电电流不小于10 kA(8/20μs)的直流电源SPD。保护小室交流电源入口处应安装具有相对地、中性线对地保护模式标称放电电流不小于10 kA(8/20μs)的第三级交流电源SPD。保护小室直流电源入口处宜安装具有正极对地、负极对地保护模式的标称放电电流不小于10 kA(8/20μs)的直流电源SPD。
控制室内应使用限压型或组合型的具有能量自动配合功能的SPD，禁止在回路上加装退耦元件。所有电源SPD都应串联相匹配的联动空气开关以便于更换SPD和防止SPD损坏造成的短路，空气开关的额定电流应参考所接SPD的标称放电电流来选择。
变电站二次系统的雷电电磁脉冲防护设计，应对各防护区SPD进行合理的设置和选型，其限制电压应小于该防护区内被保护设备的耐压，以达到保护设备的目的。变电站内的电源SPD除第一级电源SPD可选用电压开关型和具有开关特性的组合型SPD外，其他的SPD应选用限压型和具有限压特性的组合型SPD。
通过逐级防护，可以有效地将雷电流最大限度地控制在综合自动化系统允许的耐受范围之内，以保证设备的安全稳定运行。
2．信号系统的防雷接地
变电站二次系统用信号SPD应符合被保护设备对传输协议、传输速率的要求，其在线阻抗、匹配阻抗、工作频率和衰减等电性能参数也必须符合站内相应设备的要求，不能影响被保护设备的正常工作。
在GPS主时钟的天线接口处应安装最大放电电流不小于15 kA(8/20μs)的相应的信号控制室远动屏至通信屏的语音线或RS 232等信号线，应在远动屏侧安装标称放电电流不小于2 kA(8/20μs)的相应信号SPD。变电站自动化系统与其他系统的通信线(如RS 232、RS 485等)应在两端安装标称放电电流不小于2 kA(8/20μs)的相应信号SPD。从场地引入的监控线应在监控屏内安装标称放电电流不小于5 kA(8/20μs)相应的信号SPD。从高压场地到控制室的通信线路(如RS 232、RS 485和CAN总线等)应在控制室相应柜处安装标称放电电流不小于5 kA(8/20μs)的信号SPD。
信号电涌保护器SPD应连接在被保护设备的信号端口上。其输出端与被保护设备的输入端口相连，且宜安装在柜内。信号电涌保护器SPD接地端宜采用截面积不小于2.5mm2的铜芯导线与柜内局部等电位接地端子板连接。GPS天线信号电涌保护器SPD的接地端应采用截面积不小于10 mm2的铜芯导线与柜内接地铜排连接。
3．合理选择电缆敷设路徑
为了减少二次系统电缆由于一次系统设备或电缆引起的感应耦合，二次电缆应尽可能地避开高压电缆、有可能存在暂态大电流的电缆以及暂态强电流入地点，并尽可能减小平行敷设的长度。高压电缆和避雷针是强干扰源，加大二次电缆与其之间的距离是减少电磁耦合的有效措施。若由于实际情况电缆通道不能保证足够间距，应做好不同类型、不同系统电缆之间的隔离和屏蔽防护工作。如根据当地多年运行资料，采用架空线路易受雷击，则应在进入变电站前改为直埋电缆，其金属外护层应在两端分别与主接地网可靠连接。采用非金属护套电缆时，埋地敷设应穿金属管，至少在金属管的两端应有可靠接地，并保证金属管全长保持电气连通。
4．接地系统应严格执行规范要求
变电站二次系统应采用联合接地方式，接地电阻应满足规范要求。联合接地可有效地解决地电位升高的问题，合格的地网是有效防雷的关键。联合接地网通常由建筑物基础接地、环形接地装置等组成。对于变电站综合自动化系统的防雷，接地系统的良好与否，直接关系到防雷的效果和质量。合格的接地网可以使雷电流快速泄放，缩短雷电流引起的过高电压的持续时间，以达到变电站综合自动化系统的防雷要求。
对于接地系统，应遵守“共网不共线”的原则。二次系统的所有柜内应设置专用的接地铜排，其截面不得小于100 mm2且屏内的接地铜排应就近使用不小于100 mm2铜导线接到二次接地铜排上。各种SPD的接地线就近引接至屏内的接地铜排。所有柜内设备的金属外壳应可靠接地，柜的门等活动部分应与柜体良好连接。变电站的二次线缆应采用屏蔽电缆，屏蔽层应在两端接地，其余缆芯不允许出现两端接地情况。
三、电源及信号系统二次防雷工程实例
下面以一座35 kV区域变电站工程为例，简述电源系统和信号系统的二次防雷配置情况。
1．电源系统防护
1)在载波高频开关电源屏交流输入处，并联安装1台单相电源SPD作为单相供电系统雷电过电压的防护。额定放电电流(8/20μs)20 kA；最大放电电流(8/20μs)40 kA；响应时间25ns。
2)在载波室空调机电源侧安装三相电源SPD。额定放电电流(8/20μs)40 kA；最大放电电流(8/20μs)60 kA；响应时间25 ns。
3)站用变压器进线屏进线处安装三相电源SPD。额定放电电流(8/20μs)40 kA；最大放电电流(8/20μs)60 kA；响应时间100 ns。
4)在主控室直流屏直流输出母线负极处安装2台直流电源SPD。大放电电流(8/20μs)5 kA。
5)在值班台的UPS交流电源进线处安装电源SPD。额定放电电流(8/20μs)20 kA；最大放电电流(8/20μs)40 kA；响应时间25 ns。
6)在35 kV母线TV二次电压进线处安装电源SPD。额定放电电流(8/20μs)40 kA；最大放电电流(8/20μs)60 kA；响应时间100 ns。
7)在35 kV、10 kV电能表屏母线TV计量二次电压进线处安装电源SPD。额定放电电流(8/20μs)40 kA；最大放电电流(8/20μs)60 kA；响应时间100 ns。
2．信号系统防护
1)载波机柜高频电缆进线端信号控制线安装信号SPD。适用范围：SNPT、FAX和Modem租用电话线；接口类型为RJ45；额定放电电流(8/20μs)5 kA；响应时间1 ns。
2)在载波室载波机柜外线电话信号通信线路进线处安装信号SPD保护。适用范围：SNPT、FAX和Modem租用电话线；接口类型为RJ11；工作电压170 V；额定放电电流(8/20μs)5 kA；响应时间1 ns。
3)在故障录波屏的网络进线上安装信号SPD。适用范围：SNPT、FAX和Modem租用电话线。接口类型为RJ45；额定放电电流(8/20μs)5 kA；响应时间1 ns。
4)在辅助屏至监控后台机、保护屏通信线路安装信号SPD。适用范围：RS 422/485通信设备等；接口类型为CH端口；工作电压24 V；额定放电电流(8/20μs)5 kA；响应时间1 ns。
5)在班组管理微机网络口安装信号SPD。适用范围：SNPT、FAX和Modem租用电话线；接口类型为RJ45；额定放电电流(8/20μs)5 kA；响应时间1 ns。
6)在主控室载波电话机至载波机房的音频电缆安装信号SPD。适用范围：RS 422/485通信设备等；接口类型为CH端口；工作电压24 V；额定放电电流(8/20μs)5 kA；响应时间1 ns。
四、结束语
通过以上各种方式对各系统的保护，组成了一个从电源到信号的完整的高效防雷网络，通过使雷电电磁脉冲层层削弱的方式将雷击造成的危害降低到最小程度，从而较为可靠地保证了二次自动化设备的正常工作。
参考文献：
[1] 陆金凤，刘玉奎．综合自动化变电站二次系统防雷措施的探讨．《气象研究与应用》 2009年S1期．