采用獨(dú)立地網(wǎng)的變電站二次系統(tǒng)防雷測(cè)試分析

郭 強(qiáng)，李建明，田志崗，周文樂(lè)

(1.西華大學(xué)電氣信息學(xué)院，四川成都 610039;2.四川電力科學(xué)研究院，四川成都 610072;3.沙灣供電局，四川 樂(lè)山 614900)

0 引言

隨著變電站智能化程度和電壓等級(jí)的日益提高，投入了更多的二次設(shè)備對(duì)一次設(shè)備進(jìn)行精確監(jiān)控和保護(hù)［1］。在這些電子或微電子設(shè)備帶來(lái)方便的同時(shí)，其耐壓水平低也給變電站智能化帶來(lái)了新的問(wèn)題，尤其是當(dāng)雷擊變電站時(shí)，雷電流被引入地網(wǎng)散流，引起地網(wǎng)的電位升高從而對(duì)二次設(shè)備造成干擾甚至反擊。近年來(lái)，因雷擊造成變電站二次系統(tǒng)微機(jī)保護(hù)誤動(dòng)、監(jiān)控裝置死機(jī)甚至燒壞的事故時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重影響了變電站的正常運(yùn)行［2］。由于國(guó)內(nèi)大部分變電站全站設(shè)備共用一個(gè)接地網(wǎng)，變電站接地網(wǎng)的技術(shù)規(guī)范DL/T 621－1997《交流電氣裝置的接地》也規(guī)定廠(站)共用一個(gè)主接地網(wǎng)，所以國(guó)內(nèi)大部分針對(duì)變電站二次系統(tǒng)防雷保護(hù)的研究都是基于一、二次系統(tǒng)共用一個(gè)接地網(wǎng)的模型［3－8］。但隨著特高壓、大容量、遠(yuǎn)距離、多回路輸電的增多，發(fā)生雷擊、大電流接地等沖擊事件相應(yīng)增加，增大了變電站主地網(wǎng)的電位波動(dòng)，有些精密二次系統(tǒng)則采用獨(dú)立地網(wǎng)以隔離一次地網(wǎng)的干擾影響。目前，針對(duì)采用獨(dú)立地網(wǎng)的二次系統(tǒng)防雷保護(hù)研究相對(duì)較少，而采用獨(dú)立地網(wǎng)的二次系統(tǒng)并不意味著就徹底安全，從實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，依然會(huì)出現(xiàn)設(shè)備被擊壞甚至燒毀的事故，不得不引起重視。

下面分析了采用獨(dú)立地網(wǎng)的二次系統(tǒng)遭受雷擊的幾種典型情況，并通過(guò)采用模擬雷電流波形的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，測(cè)得獨(dú)立地網(wǎng)的電位升及電位差，給采用獨(dú)立地網(wǎng)的變電站二次系統(tǒng)防雷保護(hù)提供參考。

1 雷電侵入二次系統(tǒng)的途徑

盡管采用獨(dú)立地網(wǎng)能有效隔離雷電波的直接侵入，但并不等于二次系統(tǒng)就絕對(duì)安全。由于二次系統(tǒng)處于變電站復(fù)雜電磁環(huán)境中，通過(guò)電磁耦合、感應(yīng)以及站內(nèi)金屬導(dǎo)體的傳導(dǎo)，雷電波主要通過(guò)以下途徑侵入監(jiān)控系統(tǒng)。

1.1 低壓電源傳導(dǎo)

由于二次系統(tǒng)使用站內(nèi)低壓電源，而低壓電源來(lái)自遠(yuǎn)端高壓線路經(jīng)變壓器變換成二次設(shè)備所需電壓。當(dāng)雷擊高低壓線路或低壓線路接地裝置時(shí)，雷電波會(huì)通過(guò)低壓電源傳導(dǎo)到二次設(shè)備。雷電波經(jīng)低壓電源傳導(dǎo)進(jìn)而干擾二次系統(tǒng)，是最常見的干擾類型，往往造成二次系統(tǒng)電源模塊損壞［9－10］。如圖1所示，圖中點(diǎn)A、B、C分別為雷擊高、低壓線路及低壓線路接地裝置時(shí)的情形。

圖1 雷電波經(jīng)低壓電源傳導(dǎo)示意圖

當(dāng)雷擊高壓線路時(shí)，如圖1中點(diǎn)A所示，雷電波經(jīng)變壓器繞組間的互電容C12耦合到低壓線路，再傳導(dǎo)到二次系統(tǒng)的電源模塊。當(dāng)雷擊低壓線路或低壓線路接地體時(shí)，如圖1中點(diǎn)B、C所示，雷電波直接通過(guò)線路侵入低壓電源。

1.2 主接地網(wǎng)干擾

變電站主地網(wǎng)和獨(dú)立地網(wǎng)均埋設(shè)在站內(nèi)復(fù)雜土壤和電磁環(huán)境中，相互間距小，存在不可忽略的耦合關(guān)系，如圖2所示。變電站內(nèi)避雷針、避雷器及一次設(shè)備都與主地網(wǎng)用接地扁鋼作電氣連接，當(dāng)雷擊變電站內(nèi)避雷針或避雷器時(shí)，雷電流會(huì)通過(guò)站內(nèi)主接地網(wǎng)向大地散流，引起主地網(wǎng)的電位升，并在獨(dú)立地網(wǎng)上引起一定量的電位升，如電位升超過(guò)二次設(shè)備的耐壓極限，將導(dǎo)致對(duì)二次系統(tǒng)的反擊。如果變電站有獨(dú)立敷設(shè)接地體的避雷針，當(dāng)其遭受雷擊時(shí)，雷電流通過(guò)接地體依然會(huì)耦合到獨(dú)立地網(wǎng)中。

圖2 主接地網(wǎng)對(duì)獨(dú)立地網(wǎng)干擾示意圖

1.3 獨(dú)立地網(wǎng)傳導(dǎo)

當(dāng)雷擊獨(dú)立地網(wǎng)或與獨(dú)立地網(wǎng)相連的金屬管道等導(dǎo)體時(shí)，雷電流在獨(dú)立地網(wǎng)上散流會(huì)引起電位升，當(dāng)電位足夠高時(shí)，就會(huì)反擊二次設(shè)備。二次設(shè)備接地方式一般采用浮點(diǎn)接地，能有效降低地電位升產(chǎn)生的影響。

2 地電位干擾測(cè)量分析

2.1 測(cè)量回路及方法

本次現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試選取位于多雷區(qū)的某110 kV變電站為測(cè)試對(duì)象，該站位于生產(chǎn)廠區(qū)內(nèi)，附近敷設(shè)有大型復(fù)雜金屬管道等易引雷裝置，從該站近幾年運(yùn)行記錄反映出多次出現(xiàn)在雷雨后二次設(shè)備出現(xiàn)故障甚至燒壞事故。而該站主接地網(wǎng)接地電阻在雨季測(cè)試時(shí)基本符合0.5 Ω的標(biāo)準(zhǔn)，初步認(rèn)為事故是雷擊造成對(duì)二次設(shè)備的反擊所致。

以站內(nèi)避雷針接地體為沖擊電流注入點(diǎn)，與打在距離變電站3倍于主地網(wǎng)對(duì)角線長(zhǎng)度、0.7 m深的接地角鋼用電力電纜連接，構(gòu)成電流回路。用沖擊電流發(fā)生器對(duì)主地網(wǎng)注入沖擊電流，其波形接近標(biāo)準(zhǔn)雷電流(2.6/50 μs)，用以模擬雷擊避雷針時(shí)主地網(wǎng)發(fā)生沖擊電位升并影響二次系統(tǒng)的情形。在安放二次系統(tǒng)柜體的主控室分別測(cè)量主接地網(wǎng)接地母排、獨(dú)立地網(wǎng)接地端子及低壓電源中性點(diǎn)三者在沖擊電流作用下，相對(duì)避雷針接地體的電位，并折算到5/10 kA沖擊電流作用下產(chǎn)生的電位升，以及計(jì)算它們之間的電位差。

2.2 數(shù)據(jù)計(jì)算分析

為避免對(duì)運(yùn)行中的變電站設(shè)備產(chǎn)生干擾影響，沖擊電流發(fā)生器的放電電壓設(shè)置為500 V，測(cè)得低壓電源中性點(diǎn)、主接地網(wǎng)及獨(dú)立地網(wǎng)三者電位升如表1所示。其中，各實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)均為多次測(cè)量所取的平均值。

表1 中性點(diǎn)、主地網(wǎng)及獨(dú)立地網(wǎng)電位升

由表1可以看出，三點(diǎn)均產(chǎn)生一定的電位升，當(dāng)其中兩點(diǎn)之間電位差大到一定程度時(shí)，便會(huì)擊穿二次設(shè)備內(nèi)的絕緣或電容等裝置。由表1計(jì)算數(shù)據(jù)計(jì)算三點(diǎn)中兩兩之間的電位差，如表2所示。

表2 三點(diǎn)中兩兩之間的電位差

由表2計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)雷擊變電站內(nèi)避雷針或其他與主地網(wǎng)相連的設(shè)備時(shí)，低壓電源中性點(diǎn)與主地網(wǎng)、低壓電源中性點(diǎn)與獨(dú)立地網(wǎng)之間電位差較大(大于2 kV)，應(yīng)引起運(yùn)行人員的注意并采取相應(yīng)措施，避免二次設(shè)備遭受反擊。

3 低壓電源干擾測(cè)量分析

3.1 測(cè)量方法

以低壓電源中性點(diǎn)為電流注入點(diǎn)，與打在距離變電站3倍于主地網(wǎng)對(duì)角線長(zhǎng)度、0.7 m深的接地角鋼用電力電纜連接，構(gòu)成電流回路。以低壓電源中性點(diǎn)為電位參考點(diǎn)，分別測(cè)量主地網(wǎng)與獨(dú)立地網(wǎng)產(chǎn)生的電位，并折算到5/10 kA時(shí)計(jì)算兩者的電位差。

3.2 數(shù)據(jù)計(jì)算分析

獨(dú)立地網(wǎng)與主地網(wǎng)產(chǎn)生的電位如表3所示(各實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)均為多次測(cè)量求取的平均值)。獨(dú)立地網(wǎng)與主地網(wǎng)之間電位差計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表3 獨(dú)立地網(wǎng)與主地網(wǎng)的電位升

表4 獨(dú)立地網(wǎng)與主電位間的電位差

由表4計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)雷電波從低壓電源侵入時(shí)，變電站主地網(wǎng)與獨(dú)立地網(wǎng)間的電位差大于2 kV，必須引起足夠的重視，采取必要的措施。

4 結(jié)論

(1)以沖擊電流模擬雷電流沿雷電流入侵途徑注入，可測(cè)得接地系統(tǒng)中主地網(wǎng)、獨(dú)立地網(wǎng)及低壓電源中性點(diǎn)電位，并能方便地計(jì)算出三者兩兩之間電位差，此試驗(yàn)方法能有效反映出二次系統(tǒng)是否容易遭受反擊，有助于評(píng)估和檢驗(yàn)帶有獨(dú)立地網(wǎng)的變電站二次系統(tǒng)的防雷特性。

(2)通過(guò)理論分析、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及數(shù)據(jù)計(jì)算可知，該變電站二次系統(tǒng)在遭受雷擊的情況下，接地系統(tǒng)存在不可忽略的電位差，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)造成對(duì)二次設(shè)備的反擊，必須引起足夠的重視和采取必要的措施，如裝設(shè)電涌保護(hù)器等。

(3)鑒于在雷擊情況下，安放二次系統(tǒng)的主控室或保護(hù)室接地系統(tǒng)中各接地點(diǎn)間存在超出安全范圍的電位差，應(yīng)盡可能降低主地網(wǎng)、獨(dú)立地網(wǎng)的接地電阻，提高其散流能力，并優(yōu)化接地網(wǎng)在站內(nèi)的分布。

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