談談變電二次過電壓防護問題

卜光文

摘要:本文分析了變電站二次系統過壓防護問題，并提出相應的防護級數措施，僅供參考。

關鍵詞:變電站;二次設備;過電壓

1變電二次過電壓防護

近年來,變電站的通信、通信系統、繼電保護系統、后臺管理模塊經常發生過電壓損毀事件,究其原因主要是其相關系統和弱電產品過電壓防護水平較弱,甚至根本沒有過電壓防范技術措施,其后果對電網的安全運行帶來了較大負面影響。隨著綜合自動化系統和通信自動化系統等二次弱電系統在變電站的廣泛應用,這類電子系統(設備)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,輕則引起系統失靈,重則導致設備或其元器件永久性損壞。盡管雷電直擊電子系統(設備)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,或者由于靜電感應及電磁感應形成的沖擊過電壓,都有可能通過與之相連的電力線路、信號線路或接地系統,通過各種接口,以傳導、耦合、輻射等形式,侵入電子系統(設備)并釀成嚴重的干擾或事故。因此,加強和改進電子系統(設備)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,已成為當今解決的問題。

2過電壓保護設計

IEC(國際電工委員會)TC/81技術委員會將防雷分為外部防雷和內部防雷兩個部分,外部防雷是指避雷針(或避雷帶、避雷網)、引下線和接地系統,是被保護物體免受直接雷擊;內部防雷則是防止雷電和其他內部過電壓侵入設備造成的毀壞。一個完善的防雷及過電壓保護系統必須綜合運用泄流(分流)、均壓(等電位)、屏蔽(隔離)、接地、限壓(箝位)保護等各項技術,按照外部防雷和內部防雷的原則, 根據防護對象的特點,靈活應用,采取具體措施,構成一個完整的防護體系。變電站內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,這些過電壓以傳導或電磁感應的方式在線路及設備上形成危險的過電壓,特別是雷電過電壓,雷擊變電站時,會在低壓供電系統及弱電系統產生很強的感應過電壓,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備的反擊而損壞線路及設備的事件時有發生,因此,盡管變電站的外部防雷系統(避雷針引下線及接地裝置)符合國家及部頒標準的要求,且其綜合自動化和通信自動化等二次弱電系統也采取了諸如屏蔽、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造成的干擾和破壞,因此,變電站二次弱電系統內部防雷及過電壓也必須采取相應的防護措施,按照IEC內部防雷EMP的分區,對設備的電源線、信號線、數據線等加裝內部防雷及過電壓器件,防止雷電感應、雷電流沿線竄入、電壓反擊、浪涌過電壓等瞬間暫態過電壓造成系統故障及損壞電子設備。

浪涌過電壓保護器根據其接線方式分為串聯和并聯兩種,使用串聯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導致對傳輸信號有干擾的情況,特別是數據通信接口在串入浪涌過電壓防護器后,會產生數據無法正常通訊。因此,在數據通訊接口中串入浪涌過電壓防護器后,必須對數據的傳輸情況進行認真檢查,如發現數據無法正常傳輸,則有可能是由于不匹配的原因導致對傳輸信號的干擾,應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要求更高。

3變電站二次系統過電壓防護

3.1站用電系統過電壓防護

安裝在變電站內的通信調度自動化系統大多采用交流電源或直流電源為其設備供電,在其整流環節,一般有較大容量的濾波電容,對瞬態過電壓沖擊有一定的吸收作用,站用變壓器低壓側到站用饋電屏之間采用的是屏蔽電纜且設備都有良好的接地,運用現代防雷技術來分析,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備采用同一接地裝置,而且設備都處于LPZOB區,電磁脈沖強度相對較強,在站用變低壓側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,而且高壓側的殘壓高達幾千伏,因此必須對這些調度自動化設備的供電回路進行過電壓保護。

根據雷電防護區域的劃分原則,變電站內二次設備供電系統感應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,使過電壓減小到設備能耐受的水平。

電源系統的防護主要是抑制雷電及操作在電源回路上產生的浪涌和過電壓。根據變電站的現狀,對變電站的二次系統感應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雷電的襲擊,感應過電壓沿著電力線路和通信線路進入設備,從而將設備損壞,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IEC1312《雷電電磁脈沖的防護》中的雷電保護區域的劃分原則。避雷器的安裝位置應在不同保護區的交界處,對于此網絡即第一級防護應設在交流母線處。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) 。

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處。

3.2綜合自動化系統過電壓防護

防護位置:微機型綜合自動化系統承受過電壓的能力極低,幾百伏的過電壓就足以將設備損壞,因此必須對高壓側避雷器的殘壓(幾千伏)進行進一步的抑制,以滿足設備絕緣水平的需要,同時由于地電位升高而感應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處。

3.3不間斷電源設備(UPS) 過電壓防護

防護位置:由于內部計算機系統、集線器、監控設備、電能量計費系統等均經由UPS供電保護,為了保障以上微電子設備的安全,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供電系統相比,此回路對過電壓的敏感程度要高得多,且這些設備在有過電壓的情況下顯得非常脆弱,設備的絕緣耐受水平也相當低。與這些設備相連的有信號線、數據線、測量和控制線路,并且這些線路基本上是處于LPZOB 區域,也有穿過LPZOA區域的,線路上的感應過電壓相對較強,根據IEC的測試,當電磁場強度增大到0.07

GS時,微型計算機設備將產生誤動,丟失數據。而且這些回路運行的安全與否直接關系到一次系統設備的安全,因此須對重要回路的接口進行過電壓防護。

3.4.1微機遠動設備接口過電壓防護

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

安裝位置宜選擇在微機遠動裝置通信線路接口處。

3.4.2電能量計費系統信號過電壓保護

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。由于電能表與站內微機遠動設備的通信采用RS232的接口,其通信線路較長,又處在LPZOB區域,在變電站附近或變電站遭受直接雷擊時,將感應出較強的感應過電壓,為了防止設備的損壞,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(調制解調器)由電話線將數據傳送到遠端,由于電話線路從室外引入,線路上感應到的感應雷電流相對較強,容易將調制解調器設備的接口損壞,因此必須在調制解調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線電話出線端和外線電話的入線端。

3.4.3遠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、調節信號通過光纖、數據通信網絡或載波向遠方(省調、地調、集控站等)傳送數據。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區的通信線路將感應出較強的感應過電壓,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區并延伸到LPZOA區的通信線路(DDN、X.25)非常容易感應上雷電過電壓,也必須加裝浪涌過電壓保護器。

安裝位置宜選擇在遠動裝置通信線路接口處。

4結束語

綜上所述：變電站二次設備的過電壓保護是以電子信息系統為保護核心,為被保護設備構建一個均壓等電位系統,并通過各級過電壓浪涌保護器逐級把電流泄放入大地,使變電站二次設備安全和可靠地運行,加強對二次過電壓防護系統的同時規劃和設計,確保設備和電網的安全穩定運行。