變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)雷電過電壓防護(hù)

曲寶貴

【摘 要】變電站發(fā)生雷擊時(shí)，變電站電氣設(shè)備受到嚴(yán)重的破壞。據(jù)此，分析了變電站的雷電過電壓強(qiáng)度、入侵途徑，提出了在變電站應(yīng)采取的防雷保護(hù)措施，以確保變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)正常有效地工作。

【關(guān)鍵詞】變電站；綜合自動(dòng)化系統(tǒng)；雷電過電壓；防護(hù)措施；接地裝置

隨著工業(yè)微機(jī)自動(dòng)化和通信技術(shù)和制造水平的提高，以強(qiáng)大的微機(jī)計(jì)算控制技術(shù)和先進(jìn)的通信技術(shù)為基礎(chǔ)的變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)在電力系統(tǒng)得到了飛速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。該設(shè)備系統(tǒng)本質(zhì)是以大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路為核心的設(shè)備。由于工作電壓較低（通常芯片工作電源是直流24V），對(duì)電磁脈沖特別敏感，抗雷電過電壓的能力脆弱。雷電過電壓干擾是強(qiáng)電磁干擾，峰值電流高達(dá)幾百安培，上升時(shí)間僅數(shù)個(gè)微秒。它可以經(jīng)過各種途經(jīng)進(jìn)入變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)內(nèi)，輕者產(chǎn)生影響其準(zhǔn)確工作效果的噪聲干擾，引起系統(tǒng)誤動(dòng)作或拒動(dòng)；嚴(yán)重的可使系統(tǒng)局部損壞或整體癱瘓。因此，預(yù)防雷電過電壓，已成為變電站可靠性和安全性設(shè)計(jì)的組成部分。

1.變電站干擾源、雷電入侵的途徑及強(qiáng)度分析

1.1干擾源分析

變電站電磁干擾源通常分為兩類：一類是人為干擾源。包括電力系統(tǒng)的隔離開關(guān)、斷路器等產(chǎn)生的過電壓，高頻輻射的電磁干擾，以及來(lái)自通信網(wǎng)絡(luò)的干擾等；另一類是自然干擾源。包括雷電放電，及其它天體和氣象活動(dòng)干擾。其中雷電過電壓對(duì)變電站的危害極大，是主要干擾源。變電站遭受的雷電災(zāi)害主要有直擊雷和雷擊電磁脈沖損害。其中直擊雷擊中變電站的概率極小，通?？刹捎帽芾揍樆虮芾拙W(wǎng)的保護(hù)方式；而雷擊電磁脈沖對(duì)變電站的損害概率較大，需采用綜合防護(hù)措施。

1.2雷電入侵途徑分析

1.2.1變電站的組成

變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)主要由微機(jī)保護(hù)裝置、直流屏、電度表屏、消弧線圈控制裝置、GPRS、通信口、微機(jī)五防裝置和主控微機(jī)等組成。主控微機(jī)即監(jiān)控系統(tǒng)是用來(lái)接收?qǐng)?bào)文、數(shù)據(jù)等與調(diào)度遠(yuǎn)方的傳送，在變電所中起著重要的作用。

1.2.2雷電侵入的途徑

雷電電磁干擾主要通過傳導(dǎo)耦合和輻射耦合方式傳送到變電站，使其失效或損壞。一般來(lái)講，雷電入侵變電站的可能途徑有4條，分別為電源線、主控微機(jī)之間的通道及網(wǎng)絡(luò)通信線路，以及地電位的反擊電壓。其中以從電源線入侵的概率最大。

（1）電源線入侵。

變電站的電源由低壓線輸入室內(nèi)。雷電可沿配電線以行波的方式侵入電源，使電力線路失效或損壞。其中直擊雷擊中高壓線產(chǎn)生的過電壓經(jīng)過變壓器耦合后，到次級(jí)沿110V線路入侵室內(nèi)電源設(shè)備。另外，直擊雷也可能擊中變壓器到室內(nèi)的低壓線路，從而產(chǎn)生過電壓。同時(shí)，雷擊電磁脈沖也可能在110V的低壓線路上耦合產(chǎn)生過電壓，對(duì)變電站內(nèi)設(shè)備造成嚴(yán)重?fù)p害。

（2）通信線入侵。

當(dāng)變電站周圍直擊雷防護(hù)不力時(shí)，地面突出物或高層建筑物遭雷擊，雷電過電壓將地面土壤擊穿，可能擊穿網(wǎng)絡(luò)線和數(shù)據(jù)采集器到主控微機(jī)之間的電纜線的絕緣層，使暫態(tài)過電壓沿通信線直接入侵。若通信線路遭雷擊電磁脈沖襲擊時(shí)，會(huì)在線路上感應(yīng)出數(shù)千伏的過電壓入侵，導(dǎo)致數(shù)據(jù)系統(tǒng)整體的報(bào)廢。

（3）地電位反擊通過接地體入侵。

根據(jù)變電站建筑物防雷規(guī)范，把信息系統(tǒng)所在建筑物按需要保護(hù)的空間，由外到內(nèi)分為不同的雷電防護(hù)區(qū)，如：IPZOA、LPZOB、LPZl、……LPZn，變電站應(yīng)置于LPZOB區(qū)或更高級(jí)別防雷區(qū)內(nèi)。當(dāng)避雷針接閃、系統(tǒng)與引下線絕緣距離不夠時(shí)，強(qiáng)大的雷電泄流放大，會(huì)對(duì)變電站產(chǎn)生反擊，反擊電壓最高可達(dá)數(shù)萬(wàn)伏。該反擊電壓沿著接地引下線到達(dá)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)接地接口時(shí)，其衰減剩余幅值足以對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生破壞。

1.3雷電入侵強(qiáng)度分析

雷電從各途徑入侵變電站的強(qiáng)度，是變電站防雷保護(hù)的基本參數(shù)，決定了雷電防護(hù)的設(shè)計(jì)。目前，根據(jù)防雷設(shè)計(jì)使用的各種電漏保護(hù)器的防護(hù)水平（Up），均要滿足或配合被保護(hù)設(shè)備的耐壓水平。當(dāng)無(wú)法準(zhǔn)確獲取被保護(hù)設(shè)備耐壓水平值時(shí)，可參照下列實(shí)際經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行設(shè)計(jì)：220/380V三相系統(tǒng)中，電源處的設(shè)備為6kV，配電線路和最后分支線路的設(shè)備為4kV，用電設(shè)備為25kV，特殊需要保護(hù)的設(shè)備為15kV，通訊設(shè)備預(yù)期耐壓模沖擊過電壓值為10kV。

2.變電站防護(hù)雷電的措施

2.1接地

接地是防雷的基礎(chǔ)。接地可分為：微機(jī)保護(hù)裝置交流電源接地、直流工作接地、安全保護(hù)接地以及防雷接地。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，對(duì)變電站而言，從降低反擊電壓來(lái)看，應(yīng)建立聯(lián)合的共地運(yùn)行方式。在正常情況下，電源接地、通信線接地、數(shù)據(jù)采集通道接地以及保護(hù)接地，可采用統(tǒng)一的單點(diǎn)接地與防雷接地系統(tǒng)分開，以防止低頻雜散電流的干擾。雷電期間，在建筑物底層麗接地系統(tǒng)中，應(yīng)通過低壓金屬氧化鋅避雷器相連，以防止閃絡(luò)對(duì)變電站反擊的發(fā)生。對(duì)于戶外連接站內(nèi)的傳輸電纜，宜采用全屏蔽線，并采用多點(diǎn)接地。為了加強(qiáng)保護(hù)，可在電纜上方約30cm處鋪設(shè)2根與電纜平行的接地金屬導(dǎo)體。

2.2防護(hù)系統(tǒng)

對(duì)于變電站來(lái)說(shuō)，除須采取統(tǒng)一的接地措施以外，還必須針對(duì)供電電源、通信線路等進(jìn)行具體的保護(hù)。

2.2.1低壓電源的保護(hù)

（1）單級(jí)保護(hù)。

為了防止110V的低壓線被雷擊，或雷擊電磁脈沖所產(chǎn)生的過電壓對(duì)電源系統(tǒng)的破壞，一般在用戶進(jìn)線側(cè)加裝低壓電漏保護(hù)器或放電器。根據(jù)雷電入侵電線的強(qiáng)度，選擇通流量為3～5kA，最多10kA，沖擊放電電壓低于電源的絕緣沖擊電壓的電漏保護(hù)器。

（2）多級(jí)保護(hù)。

單級(jí)保護(hù)簡(jiǎn)單，但可靠性相對(duì)差些，因此可采取更有效的多級(jí)保護(hù)電源措施：第一級(jí)采用氣體放電管，將幅值大的雷電流限制在后級(jí)可忍受的范圍內(nèi)。第二級(jí)壓敏電阻、三級(jí)雪崩二極管將輸出電壓鉗制在規(guī)定范圍內(nèi)，Ll、L2對(duì)高頻的過電壓具有很大的抑制作用。這樣導(dǎo)線雖受雷擊，但經(jīng)過多級(jí)保護(hù)，電源及其后續(xù)主控微機(jī)等能夠得到很好的保護(hù)。當(dāng)然也可通過加裝MOA及削平電容器，將雷電過電壓限制在可接受的水平上。

2.2.2通信線的保護(hù)

在變電站內(nèi)，監(jiān)控機(jī)和微機(jī)保護(hù)上都需裝設(shè)保護(hù)器，如：防雷通道保護(hù)器，以及每一傳輸線路提供對(duì)地有效保護(hù)。根據(jù)傳輸線路上可能出現(xiàn)的感應(yīng)過電壓幅值，以及采集裝置的峰值沖擊電壓耐量，考慮對(duì)Rs-232接口的兼容性，可選擇瞬態(tài)功率為600W、工作電壓為l8V的雙向TVS作為保護(hù)器件。對(duì)PSTN線路終端的保護(hù)，考慮到網(wǎng)絡(luò)上可能出現(xiàn)的感應(yīng)過電壓幅值，可采用非破壞通流量達(dá)5kA以上的氣體放電管，作大電流限幅保護(hù)器件，并以瞬態(tài)功率達(dá)1.5W的TVS器件作為快速箝位之用。這種模式也是國(guó)際上比較標(biāo)準(zhǔn)的保護(hù)方式，可為線路終端設(shè)備提供較為可靠的防雷擊電磁脈沖保護(hù)。

3.結(jié)語(yǔ)

微機(jī)保護(hù)和自動(dòng)化裝置憑其高度的可靠性，靈敏性和速動(dòng)性而應(yīng)用于電力系統(tǒng)中。但由于芯片的耐壓強(qiáng)度較低，對(duì)周圍的環(huán)境要求就越高?？垢蓴_和防過壓始終是微機(jī)系統(tǒng)存在的薄弱環(huán)節(jié)。而雷擊事件由于高電壓幅值和不可預(yù)測(cè)性更是微機(jī)系統(tǒng)的“天敵”。它極大威脅著變電所的運(yùn)行安全，一旦發(fā)生事故，則難以處理。因此，我們?cè)谧冸娬究傮w設(shè)計(jì)中就予以充分的考慮，配置可靠有效的防治設(shè)備和措施。