變電站二次系統防雷保護分析

扈海澤，容展鵬，趙 軍，王 林，李臻奇

（長沙理工大學電氣與信息工程學院，長沙 410000）

隨著電力系統對雷電防護措施的不斷完善，一次系統的防雷基本上已經達到“安全性”和“可靠性”要求，不會出現大的雷擊事故。但是隨著電力經濟的快速發展，越來越多的微型電子儀器和計算機在電力系統的二次系統中得到應用。由于這些微型電子儀器和計算機的絕緣等級較差，耐壓水平較低，一旦發生雷電侵入事故就很容易出現侵入波過電壓而使得設備絕緣擊穿［1］。一旦這些設備發生故障就會導致一次系統出現故障，從而發生大的停電事故，使經濟遭受損失。因此，對二次系統防雷保護的研究，并對二次系統的防雷提出相應的措施是至關重要的。

1 雷電的影響

雷擊一般分為直擊雷和感應雷，由于變電站的進線段和出現段一般安裝了避雷線，而且變電站自身也安裝了避雷針，避雷線和避雷針能很好地防止直擊雷的危害［2］，基于變電站的雷害事故的防護主要是感應雷防護。防雷保護示意圖如圖1所示。

圖1 防雷保護示意圖

2 雷電入侵的途徑

變電站在一般情況下都是感應雷害事故，正常雷擊時首先會擊中避雷針和避雷線，可以對輸電線路進行保護，雷電流經接地引下線迅速流入大地［3］。但是由于雷電波峰值很高、陡度很大，會經過一次系統的母線，電流互感器、電壓互感器、耦合電容器等進入二次系統，從而使二次系統發生電感性耦合、電容性耦合，受到空間電磁輻射和導體耦合等干擾，由于二次系統屬于弱電系統很容易在這些干擾下損壞而發生誤動作或不動作。

感應雷過電壓和浪涌過電壓是變電站雷害事故的主要原因，而感應雷過電壓和浪涌過電壓入侵變電站主要通過以下3種方式：

（1）途徑一：經過弱電系統的電源線進入。當雷擊發生時，雷電侵入波首先到達變壓器，變壓器高壓側避雷器首先動作，迅速將雷電流引入大地，但是由于殘壓較大，變壓器的高壓側電壓Ug很大，設變比為K，那么低壓側電壓Ud（Ud=Ug／K）將會很大，則將損壞二次系統設備的絕緣水平。

（2）途徑二：經過弱電系統的信號控制入線進入。當雷電流由導線流進大地時，由于雷電流很大，會在周圍產生很強的電磁感應，并且在導線上產生不同的電壓降，而形成過電壓，以至于損壞二次系統的設備絕緣。

（3）途徑三：經過弱電系統的接地線進入。按照一般情況，當發生雷擊時首先是擊中避雷針或者避雷線，并由接地引下線把雷電流迅速引入大地［4-5］。由于大地泄流不是瞬間完成的，所以雷電流在大地中會有一個傳播的過程，并且大地存在一定的電阻，由雷電流引入點到不同點的電阻大小是不一樣的，又由于雷電流幅值很大，所以會產生很大的電位差，從而反擊變電站二次系統的弱電設備，輕微的是使弱電系統誤動作，嚴重可使其擊穿損壞。雷電侵入二次系統示意圖見圖2。

圖2 雷電侵入二次系統示意圖

3 雷擊對二次系統的危害

由于雷電流幅值高，范圍為幾十到幾百千安，一旦擊中弱點設備，將對弱點設備的絕緣產生損害［6］。雷電對電力系統的危害是各種各樣的，現在也沒有一種可以全面防護電力系統免遭雷電的危害方法，只能把雷害事故概率降低到最小化。隨著防雷意識的增強，在實踐中人們對電力系統的一次系統防雷措施已經很完善，但是對于配電系統的弱電系統的防雷還是比較薄弱，尤其是雷電浪涌過電壓對二次設備的損害意識還不夠強。

雷電對電力系統的二次系統的危害主要有以下幾種：直擊雷過電壓的危害、感應雷過電壓的危害、雷電浪涌過電壓危害、地反擊過電壓的危害、雷電電磁場過電壓的危害。

對于變電站二次系統的防雷歸根于對直擊雷和感應雷的防護，而一般直擊雷事故的發生概率較低，所以我們側重于對變電站二次系統感應雷的防護。

4 現有變電站二次系統的防雷措施及不足

雖然目前避雷針、引雷保護設備以及接地性能都完好，但是還是發生了很多雷電事故，分析雷擊事故原因發現，大部分是由于二次雷擊造成的。目前防雷保護一般分為3種保護。

1）外部保護。雷擊發生時將大部分雷電流迅速引入大地。

2）內部保護。在外部保護后還存在一定的雷電入侵波，防止這種雷電波通過一次系統和二次系統的連接設備而進入，對二次設備進行損壞。

3）過電壓保護。限制二次設備的兩端電壓不超過設備允許的最高電壓幅值。

目前采用的防雷措施主要是以下2方面。

1）直擊雷的防護。主要由接閃器，引下線和接地網組成，三者在直接雷防護中缺一不可，而且要相互配合，滿足GB 50057—1994建筑物防雷設計規范中的標準。

2）感應雷電的防護，包括以下幾個方面：

（1）通信系統。通信信號線是實現與外界通信的主要途徑，通常這些信號線會與變電站機房的終端設備連接在一起，要是這些通信信號線是架空鋪設，一旦發生雷擊，感應雷電的概率很大，從而沿著信號線損壞變電站機房終端的設備。這樣就缺少安全有效的感應雷保護措施，使變電站二次系統受到損害。

（2）交流采樣，開關量回路。電流互感器和電壓互感器都是直接在高壓處引入到變電站主控室的二次設備，一旦發生雷擊事故很容易被一次系統感應雷電。還有就是開關、刀閘、重合閘等開關量在監控中使用時很容易感應雷電，也需要一定的雷電保護措施。

（3）地電位差大而反擊。由于設備接地線的接地點和其他接地線的接地點不同，在兩個中間可能會產生很大的電位差，而使設備發生反擊，損壞設備。

（4）空間感應電磁場。當雷擊建筑物或者樹木等時，會在雷擊點產生很強的空間電磁場，由于電磁感應效應，在電磁場中的導線會感應很強的感應電流，對二次設備產生損害。因此，對空間的電磁感應磁場的防護主要是對變電站設備做良好接地處理。

5 變電站二次系統防雷措施

5.1 防止經電源線侵入變電站二次系統的措施

當雷擊變電站進線端時，首先動作的是變壓器高壓側避雷器，由于高壓使得避雷器導通，迅速將雷電流泄入大地。由于避雷器上存在很高的殘壓，使得變壓器低壓側的感應電壓也很高，低壓側的電壓可以直接傳入到弱電系統的電子設備中，并對電子設備造成一定的損壞［5］。

其入侵方式有以下幾種。

（1）雷電直接擊中輸電線路。由于一般輸電線路較長，所以發生雷擊輸電線路的概率很高，同時由于雷電流的幅值很大，所以一旦經變壓器傳送到二次系統，對二次系統設備的危害很大。

（2）雷擊桿塔或者避雷線使輸電線感應雷擊。雷擊桿塔或者避雷線而在輸電線路上產生感應電流概率很高，但是感應電流一般不是很大，一般在進線段高壓側避雷器的作用下可以做到防護。

（3）變電站內部線路受引下線電磁感應而產生強感應電流。（4）變電站內部線路受附近落雷而感應電流。（5）變電站線路間的相互感應而產生干擾電流。

防止經電源線侵入變電站二次系統的措施具體如下。

（1）電源的入口端裝設浪涌保護器（SPD）。SPD能有效防止雷電浪涌過電壓的入侵，防止通過電源入侵到變電站的二次系統［6］。

（2）對于弱電系統的電源嚴格實行3級防雷保護（見圖3）。

（3）對變壓器的高低壓側都安裝避雷器，并把他們接地端同一點接地。

（4）在避雷器兩端并聯接入保護間隙。

圖3 電源系統三級防雷保護

5.2 地電位反擊變電站二次系統防護措施

對于電力系統的一次系統，接地可靠性直接關系到電力設備的絕緣水平。同時，良好的接地能夠迅速地將雷電流引入大地泄流，從而避免雷擊事故的發生［7］。對于二次系統來說，正確的接地能夠很大程度上降低電磁干擾，能夠強有力的保證二次系統設備的正常運行。

變電站中的二次系統都是由電纜和二次設備組成，基本上所有的二次設備之間的連接都是用電纜。由于電纜的一端處于一次設備的高壓環境中，容易受到操作過電壓，雷電過電壓，電磁輻射等影響，從而影響到二次設備的絕緣。

地電位反擊變電站二次系統防護措施如下：

（1）二次系統要和一次系統用電纜連接到同一個接地網。

（2）變電站所有的二次設備需要接地的必須用電纜連接，嚴格按照“一點接地”原則，在接地網的同一接地點接入電網，嚴禁實行兩點接地或者多點接地。

（3）變電站內部鋪設等電位連接排，對地網進行均壓優化。

5.3 感應電磁場過電壓和電磁耦合侵入變電站二次系統防護措施

當雷擊變電站避雷針、雷擊附近建筑物或者落淚點在變電站附近時，雷擊點將產生很強的電磁場，由于電磁感應將會在電纜或者二次設備上產生強電流進而產生強大電壓，從而對二次弱電設備帶來損害。另外，由于變電站里面設備的連接，通信基本上都是由電纜組成，電纜之間會有一定的電磁耦合，從而相互干擾和影響。

感應電磁場過電壓和電磁耦合侵入變電站二次系統防護措施具體如下：

（1）在二次系統的設備電源入口端并聯避雷器，線路加裝SPD。

（2）在變電站內部用屏蔽電纜鋪設，并實行屏蔽層雙端接地。

（3）二次系統設備連接的電纜盡量排開一定距離，而且要盡量遠離避雷針或者避雷線的接地引下線。

（4）二次系統設備的工作接地或者安全接地點必須遠離雷電流引入接地點。

6 結語

針對變電站二次系統雷擊事故，從雷電的入侵途徑方式和原有的防雷措施不足入手，從不同角度對變電站二次系統防雷提出相應的優化措施。分析了雷電波的直接入侵，電磁感應過電壓，電磁耦合干擾，地電位反擊干擾等危害，并且針對每種危害提出了相應的防護措施，各項防雷保護措施構成一套完整的防雷系統，從而起到對整個變電站的防雷保護。

［1］ 相龍陽，彭春華，劉 剛.500kV變電站雷電過電壓的仿真研究［J］.電力科學與工程，2011（2）：30-35.XIANG Long-yang，PENG Chun-hua，LIU Gang.Simulation research on lightning over-voltage of 500kV substation［J］.Power Science and Engineering，2011，27（2）：30-35.

［2］ 郭創新，陸海波，俞 斌，等.電力二次系統安全風險評估研究綜述［J］.電網技術，2013（1）：112-118.GUO Chuang-xin，LU Hai-bo，YU Bin，et al.A survey of research on security risk assessment of secondary sys-tem［J］.Power System Technology，2013，37（1）：112-118.

［3］ 曹 斌，付文光，梁高源，等.基于ATP-EMTP的變電站二次系統雷電過電壓仿真［J］.高壓電器，2012（12）：86-91.CAO Bin，FU Wen-guang，LIANG Gao-yuan，et al.Simulation of lightning overvoltage in substation secondary system based on ATP-EMTP［J］.High Voltage Apparatus，2012（12）：86-91.

［4］ 仇 煒，李景祿，馬 福，等.變電站二次系統防雷措施的探討［J］.電瓷避雷器，2009（2）：27-31.QIU Wei，LI Jing-lu，MA Fu，et al.Discussion of lightning protective measures of transformer substation secondary system［J］.Insulators and Surge Arresters，2009（2）：27-31.

［5］ 劉 瑋，劉 源，王偉平，等.韶關變電站二次系統防雷研究［J］.電瓷避雷器，2011（5）：94-99.LIU Wei，LIU Yuan，WANG Wei-ping，et al.Research of lightning protection for secondary system of Shaoguan substation［J］.Insulators and Surge Arresters，2011（5）：94-99.

［6］ 李宏博，李衛國，李景祿，等.變電站二次系統雷電侵入波的防護［J］.電瓷避雷器，2008（4）：33-35，38.LI Hong-bo，LI Wei-guo，LI Jing-lu，et al.Protection against lightning surge invasion into secondary system of substation［J］.Insulators and Surge Arresters，2008：33-35，38.

［7］ 牛文楠.電力變電站二次系統防雷接地的探討［J］.電力學報，2008（2）：155-156，169.NIU Wen-nan.A discussion on earthing of lightning arrestor in the secondry system of transformer substation［J］.Journal of Electric Power，2008，23（2）：155-156，169.