采用獨立地網(wǎng)的變電站二次系統(tǒng)防雷測試分析

郭 強，李建明，田志崗，周文樂

(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 樂山 614900)

0 引言

隨著變電站智能化程度和電壓等級的日益提高，投入了更多的二次設(shè)備對一次設(shè)備進行精確監(jiān)控和保護［1］。在這些電子或微電子設(shè)備帶來方便的同時，其耐壓水平低也給變電站智能化帶來了新的問題，尤其是當(dāng)雷擊變電站時，雷電流被引入地網(wǎng)散流，引起地網(wǎng)的電位升高從而對二次設(shè)備造成干擾甚至反擊。近年來，因雷擊造成變電站二次系統(tǒng)微機保護誤動、監(jiān)控裝置死機甚至燒壞的事故時有發(fā)生，嚴(yán)重影響了變電站的正常運行［2］。由于國內(nèi)大部分變電站全站設(shè)備共用一個接地網(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)共用一個主接地網(wǎng)，所以國內(nèi)大部分針對變電站二次系統(tǒng)防雷保護的研究都是基于一、二次系統(tǒng)共用一個接地網(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，有些精密二次系統(tǒng)則采用獨立地網(wǎng)以隔離一次地網(wǎng)的干擾影響。目前，針對采用獨立地網(wǎng)的二次系統(tǒng)防雷保護研究相對較少，而采用獨立地網(wǎng)的二次系統(tǒng)并不意味著就徹底安全，從實際運行經(jīng)驗來看，依然會出現(xiàn)設(shè)備被擊壞甚至燒毀的事故，不得不引起重視。

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

1 雷電侵入二次系統(tǒng)的途徑

盡管采用獨立地網(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，雷電波會通過低壓電源傳導(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A、B、C分別為雷擊高、低壓線路及低壓線路接地裝置時的情形。

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，如圖1中點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，如圖1中點B、C所示，雷電波直接通過線路侵入低壓電源。

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，雷電流會通過站內(nèi)主接地網(wǎng)向大地散流，引起主地網(wǎng)的電位升，并在獨立地網(wǎng)上引起一定量的電位升，如電位升超過二次設(shè)備的耐壓極限，將導(dǎo)致對二次系統(tǒng)的反擊。如果變電站有獨立敷設(shè)接地體的避雷針，當(dāng)其遭受雷擊時，雷電流通過接地體依然會耦合到獨立地網(wǎng)中。

圖2 主接地網(wǎng)對獨立地網(wǎng)干擾示意圖

1.3 獨立地網(wǎng)傳導(dǎo)

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

2 地電位干擾測量分析

2.1 測量回路及方法

本次現(xiàn)場測試選取位于多雷區(qū)的某110 kV變電站為測試對象，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)接地電阻在雨季測試時基本符合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，與打在距離變電站3倍于主地網(wǎng)對角線長度、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量主接地網(wǎng)接地母排、獨立地網(wǎng)接地端子及低壓電源中性點三者在沖擊電流作用下，相對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，以及計算它們之間的電位差。

2.2 數(shù)據(jù)計算分析

為避免對運行中的變電站設(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，測得低壓電源中性點、主接地網(wǎng)及獨立地網(wǎng)三者電位升如表1所示。其中，各實測數(shù)據(jù)均為多次測量所取的平均值。

表1 中性點、主地網(wǎng)及獨立地網(wǎng)電位升

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

表2 三點中兩兩之間的電位差

由表2計算結(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，低壓電源中性點與主地網(wǎng)、低壓電源中性點與獨立地網(wǎng)之間電位差較大(大于2 kV)，應(yīng)引起運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 低壓電源干擾測量分析

3.1 測量方法

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

3.2 數(shù)據(jù)計算分析

獨立地網(wǎng)與主地網(wǎng)產(chǎn)生的電位如表3所示(各實測數(shù)據(jù)均為多次測量求取的平均值)。獨立地網(wǎng)與主地網(wǎng)之間電位差計算結(jié)果如表4所示。

表3 獨立地網(wǎng)與主地網(wǎng)的電位升

表4 獨立地網(wǎng)與主電位間的電位差

由表4計算結(jié)果可知，當(dāng)雷電波從低壓電源侵入時，變電站主地網(wǎng)與獨立地網(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，可測得接地系統(tǒng)中主地網(wǎng)、獨立地網(wǎng)及低壓電源中性點電位，并能方便地計算出三者兩兩之間電位差，此試驗方法能有效反映出二次系統(tǒng)是否容易遭受反擊，有助于評估和檢驗帶有獨立地網(wǎng)的變電站二次系統(tǒng)的防雷特性。

(2)通過理論分析、現(xiàn)場試驗及數(shù)據(jù)計算可知，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)重時可能會造成對二次設(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)的主控室或保護室接地系統(tǒng)中各接地點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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