二次系統(tǒng)防雷接地特性現(xiàn)場測試方法研究

田志崗 李建明 文 麗 郭 強

（1.西華大學，成都 610039；2.四川電力科學研究院，成都 610072； 3.樂山電業(yè)局，四川 樂山 614000）

雷電流侵入變電站時，會導致接地點與遠端零電位處電壓的不平衡，若此時的二次系統(tǒng)直接與一次地網(wǎng)相連，很有可能對二次設備構成較大危害，尤其在大電網(wǎng)、大容量的系統(tǒng)中，故障時的入地電流最大可達到幾kA，導致在接地點產(chǎn)生上百伏的電壓。

隨著科技的發(fā)展，大規(guī)模集成電路廣泛應用于變電站二次設備，系統(tǒng)集成度越高，電路越復雜，電子元件工作電壓就越低，對工作環(huán)境要求就越高[1-2]。近年來，不斷有標準對二次系統(tǒng)安全運行進行規(guī)范，綜合雷電防護系統(tǒng)也不斷完善，采取了各種過電壓保護措施[3]。對于二次保護電子設備由于其集成化、網(wǎng)格化、自動化程度高，特別是對電子和微電子裝置，其耐壓水平和抗干擾能力都比較弱[4]。因二次設備接地不良或不符合要求而引起的事故屢見不鮮，所以對二次系統(tǒng)接地情況的測量與檢查工作不容忽視。根據(jù)DL/T 266—2012 接地裝置沖擊接地參數(shù)測試導則對沖擊反擊電位的測試要求，本文對二次系統(tǒng)接地有效性和合理性進行了評價，詳細闡述了測量及試驗方法，對二次系統(tǒng)安全運行有重要意義。

1 二次系統(tǒng)接地分析

要對二次系統(tǒng)接地特性進行評價，首先要了解造成二次系統(tǒng)及設備損壞的主要原因，以及二次系統(tǒng)的接地特點，從而找到正確的測試方法，得出可靠、有說服力的依據(jù)。

在DL/T 621—1997 標準中規(guī)定了二次系統(tǒng)的三大類接地形式，即TN、TT、IT。這幾種接地方式均是考慮電源線接入作用，不僅本身具有不足之處，同時也忽略了通信電纜的引入。

如圖1所示，在TN 系統(tǒng)中，一次設備與二次設備共用一個接地網(wǎng)，會對二次系統(tǒng)造成嚴重干擾[5]。當雷電流或系統(tǒng)故障電流侵襲時，接地點電位迅速升高，使設備外殼呈現(xiàn)高電位，不僅危害人身安全，還會造成二次設備的損壞。因此，在實際工程中大多不采用這種方式。

圖1 TN 系統(tǒng)

如圖2所示的TT 系統(tǒng)，較TN 系統(tǒng)抗沖擊強度有所增強，能降低地網(wǎng)電位大幅波動情況，符合《〈國家電網(wǎng)公司十大項電網(wǎng)重大反事故措施〉繼電保護專業(yè)重點實施要求》將接地移至控制室的規(guī)定[6]。但在實際廠站的敷設過程中，均按自己的理解執(zhí)行，隨意性較大，導致各廠、站之間千差萬別。

圖2 TT 系統(tǒng)

近年來，一些研究及實施情況融合了TT 系統(tǒng)和TN 系統(tǒng)的接地方式，即在二次控制室及保護室等地方敷設等電位接地網(wǎng),，構成等電位面，最后再與主地網(wǎng)相連的銅排可靠連接，或是與主地網(wǎng)在電纜豎井處一點連接。

由于二次系統(tǒng)本身的特點，一般不會直接發(fā)生雷擊接閃，且二次系統(tǒng)供電容量較小，不會發(fā)生像一次那樣的大接地電流，因此將二次系統(tǒng)的接地從一次系統(tǒng)分離出來，為重要設備單獨建立接地網(wǎng)已成為一種較有效的阻斷干擾與入侵雷電的措施。

總的來說，對于二次系統(tǒng)，一方面要防止雷電擊中避雷針、輸電線路等高壓系統(tǒng)時，地面電位瞬時升高，對二次設備造成反擊；另一方面雷電直接擊中埋設于遠方的通信、電源線纜或在其上產(chǎn)生感應雷時，將會在設備信號線、電源線與設備外殼之間產(chǎn)生很高的暫態(tài)電壓，造成設備損壞[7-8]。

2 測試研究

2.1 試驗裝置

采用小功率沖擊電流發(fā)生器產(chǎn)生電流幅值為20～50A，波頭時間低于10μs，放電時間為30～70μs的沖擊電流對二次系統(tǒng)進行沖擊接地試驗。

沖擊電流法測量接地點電位升是把沖擊電流發(fā)生器產(chǎn)生的模擬雷電流作為測試電流注入接地體（或接地網(wǎng)），然后經(jīng)數(shù)據(jù)采集裝置得到接地體電壓、電流信號，并經(jīng)串口傳輸?shù)絇C 軟件分析平臺進行計算分析，最后將信號波形FFT 變換到頻域，采用頻譜法計算出被測點的對地電壓[9-11]。

圖3 沖擊電流測量原理框圖

沖擊電流發(fā)生器采用交流220V 電源供電，經(jīng)倍壓整流電路對脈沖電容充電，電容上電壓測量裝置及可控硅分別控制放電能量和電路的導通，輸出電壓可調，最高至2kV，調節(jié)可調電阻和電感可以得到所需要的沖擊電流波形；分壓電阻和分流電阻采用無感電阻以增強裝置的抗干擾能力。

2.2 試驗方法與測量回路設計

由于采用獨立地網(wǎng)的二次系統(tǒng)直接遭受雷擊的可能性很小，所以測試時根據(jù)雷電傳播的兩個主要途徑依次進行試驗，即主要考慮沖擊電流從低壓電源中性點侵入和一次地網(wǎng)引下體侵入的情況。對攀鋼電動鼓風站二次系統(tǒng)進行了現(xiàn)場測試，該站接地網(wǎng)在建設時地網(wǎng)結構復雜，地下管線較多，并且旁邊有放散塔等較大的管線，其接地系統(tǒng)如圖4所示。其中，G1為低壓電源中性點，G2為該站主接地網(wǎng)，G3為站內二次系統(tǒng)獨立小接地網(wǎng)。試驗時首先以地網(wǎng)外圍為沖擊電流注入點，分別測量G1、G2、G3對地電壓，探討高電位升來自遠方時對二次系統(tǒng)的影響，然后以主地網(wǎng)為沖擊電流注入點，再次測量沖擊下G1、G2、G3對地電壓，探討一次地網(wǎng)對二次系統(tǒng)的影響。

圖4 攀鋼電動鼓風站接地系統(tǒng)

采用平行法測量，其中P 極和C 極用角鋼打在鼓風站大門外草坪，兩極相隔50m。測量對地電壓時，大門外兩接地極不變，電流流出極C2接接地極P 極、C1接C 極、電壓輸出極P2與C2極連接、P1分別與G1、G2、G3的引下線連接。試驗時用沖擊電流發(fā)生器加壓到500V，經(jīng)過放電和數(shù)據(jù)處理后可由示波器觀測接地電阻值和沖擊電流作用下接地裝置上的電流和電壓波形。同一試驗條件下進行多次試驗，取數(shù)值大小居中數(shù)據(jù)的平均值作為該條件下接地網(wǎng)沖擊試驗的有效測量值，每次試驗后應讓整個充、放電回路放電完全。

2.3 試驗結果分析

以該站內北放散塔為電流注入點，與打在遠處的電流極構成電流回路，并以北放散塔為電位參考點，分別測量G1、G2、G3對此塔接地體的電位升，計算它們之間的電位差，折算到5kA 和10kA 時的電壓如表1所示。

表1 電流從一次系統(tǒng)入侵時的電位差

從表1中可以看出，低壓電源中性點與地網(wǎng)的電位差較大（大于5000kV）。也就是說，當雷電擊中避雷針、輸電線路后，雷電流過避雷針、引下體，經(jīng)一次地網(wǎng)散流時，易發(fā)生電壓反擊，對二次系統(tǒng)中的電源設備造成損壞。

為了進一步探討該站二次系統(tǒng)防雷及抗干擾性能，改換低壓電源中性點為沖擊電流注入點，與打在遠處的接地極共同構成電流回路，分別測量近端接地極、主地網(wǎng)、獨立地網(wǎng)三者對中性點的電位，計算彼此之間的電位差，并折算到5kA 和10kA 時的電壓如表2所示。

表2 電流從中性點入侵時的電位差

根據(jù)表2計算數(shù)據(jù)所示，當雷電擊中遠方的電源線或在其上產(chǎn)生感應雷時，會引起主地網(wǎng)與獨立地網(wǎng)的電位差較大，此暫態(tài)電壓足以對二次設備構成損壞。而主地網(wǎng)、獨立地網(wǎng)與近端接地極的電位差很大，正說明地網(wǎng)的泄流作用，以保證站外人員的安全。

3 技術整改方向

針對該站的測試及結果分析，就技術整改方向提出幾點建議。

1）在日常管理中，進行供電系統(tǒng)、各獨立接地點及各獨立接地點之間的過電壓檢測，對站內地網(wǎng)結構性、有效性、安全性、合理性進行相關的技術論證分析和保護裝置承受過電壓損壞的絕緣能力校核。

2）對于電源系統(tǒng)和信號系統(tǒng)要合理選擇保護器及其安裝位置和數(shù)量，以達到有效較低設備上的過電壓目的。

3）在主控室、保護室和配電室等安裝保護裝置的場所，以及開關場端子箱、PLC 柜、配電柜、保護用結合濾波器和電纜溝道等敷設二次電纜的地點，應使用水平接地體不小于40mm×4mm 熱鍍鋅扁鋼敷設二次系統(tǒng)等電位接地網(wǎng)。

4 結論

1）本文從接地角度，探討了二次系統(tǒng)采用獨立地網(wǎng)時，防雷與抗干擾性能測試的方法，通過測量各接地裝置之間的暫態(tài)電壓，有助于綜合評定，進而采取對策措施，以達到預防事故，減少危害的目的。

2）從以上分析可得，該電動鼓風站接地網(wǎng)設備節(jié)點電位差偏大，存在受雷電過電壓侵襲的安全隱患。在發(fā)生雷擊的情況下，主電網(wǎng)和獨立小地位與中性點之間的電位差較大；電源接地體之間的電位差超過了二次設備的耐壓水平。這樣，使得二次系統(tǒng)在雷電流等高頻作用下，容易發(fā)生反擊。

3）站所在管理運行中，應做好過電壓檢測工作，才能有備無患；其次，有針對地增加電源系統(tǒng)和通信系統(tǒng)的防雷性能，以及整改有缺陷的接地裝置和不完善的地網(wǎng)，才能保證站所的安全運行。

4）采用沖擊電流模擬雷電流測量接地電阻的方法，不僅在測量接地網(wǎng)沖擊電阻行之有效，便于工程應用，也同樣適用于二次系統(tǒng)的測試工作。

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