芻議電力系統(tǒng)變電站二次過電壓防護技術(shù)的應(yīng)用

孔令勻

（云南電網(wǎng)公司大理供電局，云南 大理 671000）

1 變電二次過電壓防護

隨著綜合自動化系統(tǒng)和通信自動化系統(tǒng)等二次弱電系統(tǒng)在變電站的廣泛應(yīng)用,這類電子系統(tǒng)(設(shè)備)元器件的集成度愈來愈高,信息存儲量愈來愈大,速度和精度不斷提高,而工作電壓只有幾伏,信息電流僅為微安級,因而對外界干擾極其敏感,特別對雷電等電磁脈沖和過電壓的耐受能力很低。當(dāng)雷電等過電壓和伴隨的電磁場達到某一閥值時,輕則引起系統(tǒng)失靈,重則導(dǎo)致設(shè)備或其元器件永久性損壞。盡管雷電直擊電子系統(tǒng)(設(shè)備)的可能性不大,但是雷擊附近大地、建筑物、交流供電線路和空中雷云放電時直接形成的,或者由于靜電感應(yīng)及電磁感應(yīng)形成的沖擊過電壓,都有可能通過與之相連的電力線路、信號線路或接地系統(tǒng),通過各種接口,以傳導(dǎo)、耦合、輻射等形式,侵入電子系統(tǒng)(設(shè)備)并釀成嚴(yán)重的干擾或事故。因此,加強和改進電子系統(tǒng)(設(shè)備)的防護,盡量減小其遭受雷電等沖擊干擾損害造成的直接損失和間接損失,已成為當(dāng)今亟待解決的問題。

2 過電壓保護設(shè)計

IEC(國際電工委員會)TC/81技術(shù)委員會將防雷分為外部防雷和內(nèi)部防雷兩個部分,外部防雷是指避雷針(或避雷帶、避雷網(wǎng))、引下線和接地系統(tǒng),是被保護物體免受直接雷擊;內(nèi)部防雷則是防止雷電和其他內(nèi)部過電壓侵入設(shè)備造成的毀壞。一個完善的防雷及過電壓保護系統(tǒng)必須綜合運用泄流(分流)、均壓(等電位)、屏蔽(隔離)、接地、限壓(箝位)保護等各項技術(shù),按照外部防雷和內(nèi)部防雷的原則，根據(jù)防護對象的特點,靈活應(yīng)用,采取具體措施,構(gòu)成一個完整的防護體系。變電站內(nèi)的過電壓形式主要有:雷電過電壓、工頻過電壓及諧振過電壓、操作過電壓等,這些過電壓以傳導(dǎo)或電磁感應(yīng)的方式在線路及設(shè)備上形成危險的過電壓,特別是雷電過電壓,雷擊變電站時,會在低壓供電系統(tǒng)及弱電系統(tǒng)產(chǎn)生很強的感應(yīng)過電壓,同時使變電站的地電位升高(例如:變電站的接地電阻為1Ω,雷電流為10kA,則地電位為10kV),因地電位升高造成對線路及設(shè)備的反擊而損壞線路及設(shè)備的事件時有發(fā)生,因此,盡管變電站的外部防雷系統(tǒng)(避雷針，引下線及接地裝置)符合國家及部頒標(biāo)準(zhǔn)的要求,且其綜合自動化和通信自動化等二次弱電系統(tǒng)也采取了諸如屏蔽、接地、隔離、濾波等措施,但卻不能完全避免強大的雷電過電壓及電壓反擊對系統(tǒng)造成的干擾和破壞，因此,變電站二次弱電系統(tǒng)內(nèi)部防雷及過電壓也必須采取相應(yīng)的防護措施,按照IEC內(nèi)部防雷EMP的分區(qū),對設(shè)備的電源線、信號線、數(shù)據(jù)線等加裝內(nèi)部防雷及過電壓器件,防止雷電感應(yīng)、雷電流沿線竄入、電壓反擊、浪涌過電壓等瞬間暫態(tài)過電壓造成系統(tǒng)故障及損壞電子設(shè)備。

浪涌過電壓保護器根據(jù)其接線方式分為串聯(lián)和并聯(lián)兩種,使用串聯(lián)浪涌過電壓保護器時,有可能存在由于傳輸信號不匹配的原因?qū)е聦鬏斝盘栍懈蓴_的情況,特別是數(shù)據(jù)通信接口在串入浪涌過電壓防護器后,會產(chǎn)生數(shù)據(jù)無法正常通訊。因此,在數(shù)據(jù)通訊接口中串入浪涌過電壓防護器后,必須對數(shù)據(jù)的傳輸情況進行認(rèn)真檢查,如發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)無法正常傳輸,則有可能是由于不匹配的原因?qū)е聦鬏斝盘柕母蓴_,應(yīng)更換相匹配的浪涌過電壓防護器。如果在使用浪涌過電壓防護器時采用并聯(lián)方式,基本上不存在上述情況,但這種接線方式對浪涌過電壓防護器的技術(shù)要求更高。

3 變電站二次系統(tǒng)過電壓防護

3.1 站用電系統(tǒng)過電壓防護

安裝在變電站內(nèi)的通信調(diào)度自動化系統(tǒng)大多采用交流電源或直流電源為其設(shè)備供電,在其整流環(huán)節(jié),一般有較大容量的濾波電容,對瞬態(tài)過電壓沖擊有一定的吸收作用,站用變壓器低壓側(cè)到站用饋電屏之間采用的是屏蔽電纜且設(shè)備都有良好的接地,運用現(xiàn)代防雷技術(shù)來分析,必須增加回路的分流措施,因為其工作接地、保護接地都與其它電氣設(shè)備采用同一接地裝置,而且設(shè)備都處于LPZOB區(qū),電磁脈沖強度相對較強,在站用變低壓側(cè)雖然有防止線路侵入波的避雷器,但殘壓高,因此在變電站遭受雷擊時,通過線路耦合和地電位升高而造成的反擊過電壓依然存在,而且高壓側(cè)的殘壓高達幾千伏,因此必須對這些調(diào)度自動化設(shè)備的供電回路進行過電壓保護。

根據(jù)雷電防護區(qū)域的劃分原則,變電站內(nèi)二次設(shè)備供電系統(tǒng)感應(yīng)雷電過電壓的防護可以按兩級(B、C級)來進行分流保護。B級防雷一般采用具有較大通流容量的防雷裝置,可以將較大的雷電流泄散入地,從而達到限流的目的,同時將過電壓減小到一定的程度,C級防雷采用具有較低殘壓的防雷裝置,可以將回路中剩余的雷電流泄散入地,達到限制過電壓的目的,使過電壓減小到設(shè)備能耐受的水平。電源系統(tǒng)的防護主要是抑制雷電及操作在電源回路上產(chǎn)生的浪涌和過電壓。根據(jù)變電站的現(xiàn)狀,對變電站的二次系統(tǒng)感應(yīng)雷及操作過電壓采用兩級防護。

由于變電站多建在較為空曠的區(qū)域,電磁強度相對較強,電力線路和通信電纜是很容易遭受到感應(yīng)雷電的襲擊,感應(yīng)過電壓沿著電力線路和通信線路進入設(shè)備,從而將設(shè)備損壞,因此,交流母線處加裝第一級電源防護(B級)是為了保證整個控制室的安全,并且將80%的過電壓泄散到大地,起到初級保護的作用,但在交流饋線上仍有部分過電壓和B級電源防雷的殘壓加在線路上,因此必須在重要的交流饋線處(直流充電屏、UPS等)進行C級電源防護,從而將過電壓抑制到后端用電設(shè)備能夠耐受的水平。

3.1.1 第一級防護處理措施

防護位置:據(jù)IEC1312《雷電電磁脈沖的防護》中的雷電保護區(qū)域的劃分原則。避雷器的安裝位置應(yīng)在不同保護區(qū)的交界處,對于此網(wǎng)絡(luò)即第一級防護應(yīng)設(shè)在交流母線處。在兩根母線上各加裝一個同型號的B級三相電源浪涌過電壓保護器。安裝位置:交流母線(機柜內(nèi))。

3.1.2 第二級防護處理措施

對于較為重要的交流饋線上的設(shè)備,此處為直流充電屏,加裝C級三相電源避雷器。由于直流充電屏是兩路交流供電,所以在直流充電屏處加裝兩個同型號的C級三相電源浪涌過電壓保護器。安裝位置宜選擇在直流充電屏交流電源空氣開關(guān)處。

3.2 綜合自動化系統(tǒng)過電壓防護

防護位置:微機型綜合自動化系統(tǒng)承受過電壓的能力極低,幾百伏的過電壓就足以將設(shè)備損壞,因此必須對高壓側(cè)避雷器的殘壓(幾千伏)進行進一步的抑制,以滿足設(shè)備絕緣水平的需要,同時由于地電位升高而感應(yīng)到電源回路零線的過電壓也高達上千伏,因此必須在采用交流綜合自動化系統(tǒng)的交流回路上加裝C級單相浪涌過電壓保護器。安裝位置宜選擇在綜合自動化屏交流電源空氣開關(guān)處。

3.3 不間斷電源設(shè)備(UPS)過電壓防護

防護位置:由于內(nèi)部計算機系統(tǒng)、集線器、監(jiān)控設(shè)備、電能量計費系統(tǒng)等均經(jīng)由UPS供電保護,為了保障以上微電子設(shè)備的安全,故在UPS電源裝置前端加裝C級浪涌過電壓保護器。選用型號:選用(UPS為單相電源輸入時)C級單相電源浪涌過電壓保護器或 (UPS為三相電源輸入時)的C級三相電源浪涌過電壓保護器。安裝位置宜選擇在UPS電源進線前端。

3.4 通信接口過電壓防護

通信接口過電壓防護同電網(wǎng)供電系統(tǒng)相比,此回路對過電壓的敏感程度要高得多,且這些設(shè)備在有過電壓的情況下顯得非常脆弱,設(shè)備的絕緣耐受水平也相當(dāng)?shù)汀Ｅc這些設(shè)備相連的有信號線、數(shù)據(jù)線、測量和控制線路,并且這些線路基本上是處于LPZOB區(qū)域,也有穿過LPZOA區(qū)域的,線路上的感應(yīng)過電壓相對較強,根據(jù)IEC的測試,當(dāng)電磁場強度增大到0.07GS時,微型計算機設(shè)備將產(chǎn)生誤動,丟失數(shù)據(jù)。而且這些回路運行的安全與否直接關(guān)系到一次系統(tǒng)設(shè)備的安全,因此須對重要回路的接口進行過電壓防護。

3.4.1 微機遠(yuǎn)動設(shè)備接口過電壓防護

防護位置:由于變電站微機遠(yuǎn)動裝置采用分布分散式結(jié)構(gòu),由遙信模塊、智能遙測模塊、智能遙控模塊、智能遙調(diào)模塊組成。各單元模塊都裝設(shè)在不同的自動化屏內(nèi),模塊之間通過RS232接口或現(xiàn)場總線進行通信,這些接口線路都處在室內(nèi),設(shè)備接口線路的距離較短,因此不會感應(yīng)到較強的過電壓,但是各自動化設(shè)備與其它二次設(shè)備(測量單元、計算機等)有電氣連接,當(dāng)其它二次設(shè)備感應(yīng)到很強的感應(yīng)過電壓時,將會反擊到這些自動化設(shè)備的通信接口上,從而使設(shè)備接口電路損壞,因此有必要在這些設(shè)備的接口上加裝RS232的浪涌過電壓保護器。安裝位置宜選擇在微機遠(yuǎn)動裝置通信線路接口處。

3.4.2 電能量計費系統(tǒng)信號過電壓保護

防護位置一:變電站采用多功能電子電能表進行電能量采集,電子電能表承受過電壓的水平極低。由于電能表與站內(nèi)微機遠(yuǎn)動設(shè)備的通信采用RS232的接口,其通信線路較長,又處在LPZOB區(qū)域,在變電站附近或變電站遭受直接雷擊時,將感應(yīng)出較強的感應(yīng)過電壓,為了防止設(shè)備的損壞,在靠近電子電能表的RS232端口加裝RS232的浪涌過電壓保護器。安裝位置宜選擇在靠近電子電能表的RS232端口處。

防護位置二：電子電能表采集的信息通過集中采集器的MODEM(調(diào)制解調(diào)器)由電話線將數(shù)據(jù)傳送到遠(yuǎn)端,由于電話線路從室外引入,線路上感應(yīng)到的感應(yīng)雷電流相對較強,容易將調(diào)制解調(diào)器設(shè)備的接口損壞,因此必須在調(diào)制解調(diào)器的電話線路接口處加裝一個接口浪涌過電壓保護器。安裝位置宜選擇在內(nèi)線電話出線端和外線電話的入線端。

3.4.3 遠(yuǎn)方通信接口過電壓保護

防護位置:由于變電站基本采用無人值守,對一次回路的各種保護、測量、控制、調(diào)節(jié)信號通過光纖、數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)或載波向遠(yuǎn)方(省調(diào)、地調(diào)、集控站等)傳送數(shù)據(jù)。如果采用載波,由于載波機與微機自動化裝置的信號連接線路相對較長,在變電站附近或變電站遭受直接雷擊時,處在LPZOB區(qū)的通信線路將感應(yīng)出較強的感應(yīng)過電壓,因此必須在靠近微機自動化裝置的信號接口端加裝信號避雷器,同時處在LPZOB區(qū)并延伸到LPZOA區(qū)的通信線路(DDN、X.25)非常容易感應(yīng)上雷電過電壓,也必須加裝浪涌過電壓保護器。安裝位置宜選擇在遠(yuǎn)動裝置通信線路接口處。

4 結(jié)束語

變電站二次系統(tǒng)過電壓防護問題是近年來提出的一個課題,以上僅是結(jié)合本單位相關(guān)現(xiàn)場實際情況對防護技術(shù)措施的初步探討,還需在不斷吸取實際運行經(jīng)驗進行總結(jié)分析和不斷完善,希望在今后新建變電站或者對老舊變電站進行綜合自動化改造時,加強對二次過電壓防護系統(tǒng)的同時規(guī)劃和設(shè)計,確保設(shè)備和電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。

[1]二次過電壓是事故的隱蔽原因.電瓷避雷器.1991-08-29.