變電站二次系統(tǒng)防雷的等電位技術

［摘要］根據(jù)規(guī)程要求，地網電阻超過規(guī)定值會造成二次系統(tǒng)反擊事故。文章分析研究由于雷擊變電站引起地網電位的升高所致二次系統(tǒng)反擊、倒灌的原理，并介紹采取電源系統(tǒng)等電位技術解決地網反擊問題的措施與實施方法。

［關鍵詞］變電站；防雷；等電位技術

［作者簡介］潘嵩，廣西大學電氣工程學院，研究方向：電力系統(tǒng)工程及電保護，廣西南寧，530004；王巨豐，廣西大學電氣工程學院教授，博士，碩士生導師，研究方向：高電壓技術及防雷，廣西南寧，530004

［中圖分類號］ TM645［文獻標識碼］ A［文章編號］ 1007-7723（2008）10-0049-0003

一、引言

變電站雷擊產生高電壓，首先是雷電通過避雷針或線路入侵變電站，然后使避雷器動作并通過地網下地，最后引起變電站地網電位升高。由于水平地網對雷電的壓降，導致變電站各設備對地電位不相等，形成地網電位差，該電位差通過電源中性點相當于接地，形成回路，導致反擊過電壓引起設備損壞。

通過線路避雷器的一級保護后可以利用等電位技術在電源點減小或消除地網電位差對設備的傷害，保護二次系統(tǒng)運行。

二、雷擊中地網電位差、反擊倒灌的產生及危害分析

（一）地網電位差的產生

二次設備電源是由變電站所用變壓器供給，在正常沒有雷擊的時候，各二次設備為電源供給的電壓。當發(fā)生雷擊的時候，由于各二次設備分布在不同位置，且設備外殼就近接地，其接地點與雷擊點產生水平距離，由于各自距離的不同，各分布點的電位則不同，二次設備接地點與電源點的電位差也不同，這就導致地網電位差的產生，如圖1所示。

假設雷擊點電位u 0=100kV

A、B、C、D設備L1、L2、L3、L4距離分別是10m、20m、30m、40m。

水平地網下降率n =1kV/m

雷擊中二次設備接地點會產生比電源點高的電位，而且距離電源點越遠電位差越高。

另外，雷電襲擊建筑物避雷針、金屬頂面、女兒墻的避雷帶時，由引下線將雷電流引入大地。由于大地電阻的存在，雷電電荷不能快速全部地與大地負電荷中和，同樣也會引起局部地電位升高。

（二）地網電位差產生反擊倒灌

雷電襲擊避雷針，由引下線將雷電流引入大地，必然引起局部地網電位升高，使地網通過二次設備向電源產生反擊倒灌，并通過電源影響到全站二次設備，使得二次設備內部絕緣被擊穿。二次設備本體在高電壓下?lián)舸瑢е露卧O備損壞。

如圖2所示，假設雷電入侵100kV，入侵點到設備處L（20m），根據(jù)水平地網下降率計算設備外殼電位80kV，而電源輸出60kV，設備外殼與設備電源部分電位差達20kV，造成反擊倒灌。

三、等電位技術的原理

解決變電站地網電位差的方法是共用接地系統(tǒng)。在同一建筑物內，將所需接地系統(tǒng)連到一個地網上，或者把各系統(tǒng)原來的接地網通過地下或地上的金屬連接起來，使它們之間形成為電氣相通的統(tǒng)一接地網。當發(fā)生雷擊時，雷電流在各系統(tǒng)上產生的高電壓將同時存在各系統(tǒng)的接地線上，這樣就使各接地線之間不存在高電位差，基本清除了系統(tǒng)之間的擊穿問題（各系統(tǒng)電位相同，兩點間沒有電流，電位差為零）。共用接地系統(tǒng)是將交流工作地、直流工作地、安全保護地、防靜電地、防雷接地等共用一組接地裝置。但是共用接地系統(tǒng)不能解決由于雷擊產生的瞬時高電壓帶來的地網電位差，便引出等電位技術解決雷擊情況下地網電位差。

等電位技術就是把變電站內所有的金屬物，如設備、地網、電力系統(tǒng)的零線、自來水管及其金屬屏蔽層，用電氣連接的方法連接起來（含截獲可靠的導線連接），使整個變電站成為一個良好的等電位網絡。電氣和電子設備的金屬外殼、機柜、機架、計算機直流地、防靜電接地、屏蔽線外層、安全保護地及各種SPO（浪涌保護器等）接地端均應以最短的距離就近與等電位網絡可靠連接。等電位連接的目的就是為了防止設備與設備之間、系統(tǒng)與系統(tǒng)之間危險的電位差，確保設備和操作人員的安全。

四、電源系統(tǒng)使用隔離變壓器消除反擊

（一）隔離變壓器原理

隔離變壓器的原理和普通變壓器的原理是一樣的，都是利用電磁感應原理，通過磁場來傳遞能量。隔離變壓器一般是指1∶1的變壓器。初級和次級完全分開（隔離），而且次級不和地相連。次級任一根線與地之間沒有電位差，都是等電位。

二次設備用電源通過1∶1隔離變壓器向二次設備供電，使被保護對象的各部位盡可能構成等電位，從而杜絕電位差對電子設備造成的損害。如圖3所示：

（二）隔離變壓器的作用

1.電位浮動：二次設備用電源通過1∶1隔離變壓器向二次設備供電。實現(xiàn)二次設備局部地網電位“浮動”，利用“水漲船高”原理消除反擊。

2.雷電波隔離：通過隔離變壓器初、次級開路的原理對沿電源入侵的雷電波實現(xiàn)隔離，被隔離的雷電能量經隔離變初、次級的避雷器入地。

（三）隔離變壓器的安全保護功能

圖4中隔離變壓器T的一、二次繞組和二次繞組對地間有高度的絕緣，二次回路的兩根帶電導體則是對地絕緣的。用電設備M的金屬外殼允許與“地”接觸，但不允許與變壓器一次側的PE線連接或與單獨的接地極連接而人為接地。這樣就實現(xiàn)了完善的變壓器一、二次之間的電氣隔離。如圖4所示，當M的帶電導線L1發(fā)生碰外殼短路時，故障電流Id沒有返回電源T的金屬通道，它只能經非故障導線L2對地的微量電容返回電源，這樣Id幾乎可忽略不計。設M與地面間的接觸電阻為RE，其值大約為數(shù)百歐姆，則M對地的故障電壓即人體的預期接觸電壓Ut＝Id×RE＜＜UL（其中，UL為接觸電壓限制，干燥場所為50V，潮濕場所為25V），電擊事故將無法發(fā)生。

PE線將可能傳導來自別處的危險故障電壓而在用電設備處發(fā)生電擊事故，但在圖4所示的電氣分隔回路中，由于M不接其他回路的PE線，這類電擊事故也無從發(fā)生。如果圖4中L1碰外殼故障尚未排除，另一導線L2又發(fā)生碰外殼故障，這時形成的兩根導線間金屬性短路將使線路首端的過電流保護器（如圖4的熔斷器）瞬間切斷電源，其后果是設備停止工作而非電擊事故。當發(fā)生碰外殼接地故障時，RCD能瞬間切斷故障，使人免于一死，但人體難免有電擊的痛楚。最好的防間接接觸電擊措施不是在設備回路安裝RCD，而是采用電氣分隔防電擊措施，遇到這類故障，人體連麻電的感覺都沒有，故它比裝RCD更為安全、可靠。

五、隔離變壓器的工程應用及效果分析

110kV旺田綜合自動化變電站位于海拔高度1000米處，最濕月平均相對濕度為90％，設備位于變電站主控樓二樓，分為主控室、通信機房、載波室，總配電屏位于主控樓的一樓，工作環(huán)境溫度為－40～+70℃，相對濕度小于95％，設備的工作頻率為40～60HZ。

根據(jù)等電位技術要求，機房內的所有正常不帶電的金屬導體（如電纜屏蔽層、金屬管道、金屬門窗、設備金屬外殼等金屬件）采用金屬導線作電氣連接，達到減小各個金屬體之間電位差的目的，使機房內所有設備處于一個整體性的等電位系統(tǒng)之中。同時主控樓地網電阻接地已符合通信機房的接地電阻的規(guī)范要求。

旺田變主控室是3層樓高，隔離變壓器安裝在主控室逆變電源整流柜和各盤柜之間，電源和各盤柜的距離在10～20m左右。在沒有加上隔離變壓器前，根據(jù)對地網電位差的分析、計算結果得到30kV到20kV的電位差，可以直接損壞二次設備。在加上隔離變壓器后，根據(jù)隔離變的性能，二次繞組的兩端電壓同時升高，達到地網點位差的高電壓。按照等電位的原理，這將不會產生高電流，只會有隔離變壓器一次繞組傳遞過來的220V低電壓，受保護的二次設備可以承受其電壓，這樣就保護好二次設備不會在雷擊時由于地網電位升高而對二次設備產生反擊倒灌，保護設備自身完整無缺，保證變電站安全運行和節(jié)約設備的維護經費。

六、結論

本文通過對變電站二次系統(tǒng)設備防雷等電位技術的研究，結合對變電站二次系統(tǒng)防雷存在的問題的分析，提出了“利用等電位技術（隔離變壓器）消除避雷器倒灌與反擊”的安全防雷理念。在強調現(xiàn)有變電站二次設備的接地和屏蔽的重要性的同時又突出現(xiàn)代防雷設備在綜合自動化系統(tǒng)防雷上的應用，措施是有效的，提高了綜合自動化系統(tǒng)二次設備的防雷水平。

隨著變電站二次設備電子元件的大規(guī)模使用，雷電造成的危害越來越嚴重。電力系統(tǒng)的防雷工程是一個系統(tǒng)工程，防雷必須結合現(xiàn)場實際，將雷電流侵入電力系統(tǒng)的各個通道切斷或者削弱。應從防直擊雷、防感應雷電波侵入、防雷電電磁感應、防地電位反擊等多方面作系統(tǒng)綜合考慮，確保電力系統(tǒng)的安全運行。

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