变电所微机装置防雷保护.docx

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变电所微机装置防雷保护

变电所微机装置防雷保护

变电所微机装置防雷保护

摘要：

变电所的防雷随着微机保护的应用而日趋重要和复杂。

文章就是从变电所常规防雷和微机保护等弱电系统防雷这两个方面对35LV微机保护变电所的防雷做了分析论述。

关键词：

微机保护；防雷保护；直击雷；雷电波

如果变电所发生雷击事故，将会造成大面积的停电，给社会生产和人民生活带来不便，这就要求防雷措施必须十分可靠。

以前的变电所是电磁式继电保护的常规变电所，而现在更多的是微机保护变电所，此类变电所除了要求对所内一次设备进行防雷保护外，还要求对微机保护的自动化单元进行防雷保护，以下重点综述这两方面的防雷保护。

1 一次电力设备的防雷保护

   变电所遭受的雷是下行雷，主要来自两个方面，一是雷直击在变电所的电气设备上；二是架空线路的感应雷过电压和直击雷过电压形成的雷电波沿线路侵入变电所。

因此变电所的防雷主要从以上这两方面进行。

1．1 变电所的直击雷保护

   架设避雷针是变电所防止直击雷的常用措施，其作用是将雷电吸引到避雷针本身上来并安全地将雷电流引人大地从而保护了设备。

   对于35kV变电所必须安装独立避雷针，使所有所内设备都处于避雷针保护范围之内并满足不发生反击的要求。

雷击避雷针时的反击事故，是由于避雷针与被保护设备之间的空气间隙S，被击穿及避雷针接地装置和被保护设备接地装置之间S，在土壤中的间隙被击穿而造成的。

在一般情况下SK，不应小于5m，Sd，不应小于3m。

1．2 变电所对雷电侵入波的保护

   变电所必须装设避雷器以限制雷电波入侵时的过电压，这是变电所防雷保护的基本措施之一。

现在大部分35kV变电所已逐步用氧化锌避雷器取代了原来的阀型避雷器。

   为了保证变电所电气设备的安全运行，在装设避雷器时，一要限制避雷器的残压，也就是说必须限制流过避雷器的电流使之不大于5kA，同时还要把侵入波的陡度限定在一定值以内；二要使所有设备到避雷器的电气距离都在保护范围内。

相对于主变压器而言，此时，变压器与避雷器之间允许的最大距离lm为：

（公式）

   其中 Up一设备的冲击耐压强度；Ur--避雷器残压；

    α--雷电波陡度；

   μ--雷电波速度；

   Cr--变压器人口电容；

   Co--避雷器到变压器联线单位长度的电容。

   上述的公式只是适用于一路进线的变电站，对两路及以上变电站，一路来波可以从另外几路分流出一部分，此时lm为

（公式）

   式中K1>1，并且k1随着回路数的增加而增大。

   不过对于同杆架设的双回线有同时受雷击的可能，所以在决定Z值时该回线只按一路考虑。

   如果避雷器至主变压器的电气距离超过允许值时，应在变压器附近再增装一组避雷器才能保护主设备的安全。

   其它设备冲击耐压强度比变压器高，所以其它设备到避雷器的最大允许距离可以再增加35％。

1．3 变电所的进线段保护

   要使避雷器能可靠地保护电气设备，必须设法使避雷器的电流不超过5kA，而且必须保证来波陡度不超过一定的允许值。

一般我们对于35kV无避雷线的线路靠近变电所的1～2km进线上必须加装避雷线，对于35kV单避雷线的线路可考虑加装双避雷线，这样这一段雷绕击或反击于导线的机会就会大大减少，当在进线段以外落雷时，由于进线段导线的阻抗，从而使流过避雷器的电流受到限制，而且沿导线的来波陡度也将由于冲击电晕作用而大为降低。

此外导线及大地的电阻会对波的衰减变形有一定影响。

   对于一些35kV变电所，如进线段装设避雷线有困难或进线段杆塔接地电阻难以下降，不能达到要求的耐雷水平时，可在进线的终端杆上安装一组1000μH左右的电抗线圈来代替进线段，一般35kV线路避雷线不引到屋外配电装置的门型构架上，而是将避雷线终止在线路终端杆塔上。

从线路终端杆塔到屋外配电装置架构之间线路的直击雷保护，应在屋外配电装置的直击雷保护范围之内。

 1．4 变电所的防雷接地

   变电所内布置的统一接地网一般能满足防雷接地的要求，对于独立避雷针而言，则要求其接地电阻不大于10Ω。

 2微机保护单元的防雷保护

   以上讨论是常规变电所一次主设备的防雷保护，但随着变电所综合自动化改造的进行，变电所已逐渐用微机保护取代了原来的电磁式继电保护。

由于常规的电磁式保护装置的元器件多为单元件的电阻、电容和电感线圈等，耐热容量大，对尖峰脉冲的耐受能力也比较强，所以能承受低能量、高电压的冲击暂态过程，对于使用超大规模集成电路，运行电压只有数伏，信号电流仅为P-A级的微机装置来说，就不一定能经受得住，因此对于自动化变电所必须另外采取措施以防止雷电波的侵害。

2．1 微机保护系统受雷害侵入途径

（1）雷电波通常是通过变电所临近的10kV线路侵入10kV母线，再经过10kV所用变压器高、低压绕组间的静电和电磁耦合，闯入低压出线，途中经过了10kV线路避雷器，母线避雷器等多级削峰，再经过所用变低压出线的乎波作用，电压幅值大为下降。

但由于雷电波的波峰幅值和能量很大，虽然雷电波在经过上述避雷器后，大部分能量得以消除，但仍有部分雷电波以幅值相对很高且作用时间很短的低能量尖峰脉冲的形式通过所用变压器的低压出线，加到变电所内所有的380V交流回路中。

（2）由于变电所的通信电缆出线较长，如厂所端没装设任何防雷设备，当变电所和沿线附近落雷时很容易在电缆中感应出很高的雷击过电压并通过电缆直接加到设备上，造成设备的击穿损坏。

即使现已采取了带有屏蔽层的通信电缆，且屏蔽层两端已接地，但仍会产生雷击事故。

  （3）当变电所或线路遭受雷击后，雷电流会经避雷装置流人接地网，如果接地网的接地电阻偏大或接地网的均压效果不好时，在强大的雷电流作用下，会使接地网的局部电位显著抬高，并由此导致电地位对设备反击而损坏设备。

根据我国有关规范规定：

对于不接地系统的常规变电所的接地网电阻R≤120/I（I-经接地网流人地中的短路电流，A），但对于不接地系统的综合自动化变电所，为保证自动化设备的正常运行，其接地电阻应不大于1Ω。

2．2 微机保护单元的防雷措施

   根据以上3条雷电波入侵途径，应采取以下3条防雷措施：

（1）在所用变低压侧出线端加装氧化物避雷 器。

使得从线路进入的雷电波在经过线路避雷器和母线避雷器的削峰作用后，再经所用变避雷器的进一步衰减，以减少雷电波的幅值。

如有可能，可在所用屏电源进线处再加装金属氧化物低压防雷装置，以进一步衰减雷电波。

（2）经通信电缆而对微机保护造成损坏的雷电波的防护，是自动化防雷保护的重点。

一般可以采取三级保护：

第一级采用气体放电管。

气体放电管是耐用的通断型元件，其优点是能承受数百微秒内数千安培瞬态雷电流冲击。

其缺点是气体电离过程需要时间，其响应为微秒（10-6s）级。

第二级采用压敏电阻。

压敏电阻具有较好的非线性，有很大的吸收能量的能力，受到瞬态高能量冲击时，它能以10-9s量级的速度，将其两极间的高阻抗变为低阻抗，吸收高达数千瓦的浪涌功率。

第三级采用半导体放电管。

其工作状态如同一个开关。

在断开状态下，其漏电流IDRM极小（<5/μA），不会影响与其并联的被保护电路的正常工作。

当瞬间过电压超过其断态峰值电压VDRM时，产生瞬间雪崩效应，一旦瞬间电流超过开关电流IS，其电压即降为导通电压VT（<5V），大量的瞬间浪涌电流就此旁路，因而保护了并联的敏感电子元器件。

浪涌之后，当电流降到最小维持电流入值之下时，半导体放电管自然恢复，回到其阻断状态其响应时间为10-12s，不过其吸收的能量相对于气体放电管和压敏电阻要小一点。

   （3）各35kV综合自动化变电所的接地电网电阻要控制在1Ω以下。

对于原接地电阻大于1Ω的接地网要进行整改，力争达到要求。

   相信只要在35kV微机保护变电所防雷保护设计中考虑以上诸点，就定能够将变电所的雷害降低到最低程度，从而保证其可靠运行和对社会的正常供电。

变电所微机装置防雷保护

黄春潮广东省潮州电力工业局

1前言

随着科学技术的日新月异，微机保护和自动化装置以其高度的灵敏性，速动性和维护管理的方便性，在电力系统中得到了飞速的发展和广泛的应用。

但微机系统越是先进，芯片的集成度就越高，电路越复杂，工作电压越低，对环境稳定性的要求也越高。

抗干扰和耐冲击始终是微机系统在电力工业恶劣电磁环境下应用中的两大薄弱环节。

而雷击事件由于其极高的电压幅值和不可预测性更是微机系统的“天敌”。

它极大的威胁着现代化变电所的运行安全，应该引起我们足够的重视。

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2问题的提出

潮州110kV城东变电所地处粤东丘陵地带。

属台风雷害比较严重的区域。

该所始建于80年代，由于原来是按常规所设计，标准比较低。

近年引进一些微机装置后，雷害现象频频发生。

比较严重的就先后发生了三次由于雷电波通过所用变低压侧和两路引出的通信电缆入侵，致使载波机电源、远动柜的电源插件、RTU信号插件、UPS和后台监控微机都受到了不同程度的损坏。

1998年底我们专门组织了技术力量，在上级部门的支持下对该所进行了有针对性的防雷整改。

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为了有针对性和客观性地分析问题，我们搜集了近几年本地区几起雷害事故进行比较研究，在研究中我们发现了几个值得注意的现象：

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（1）该所虽屡遭雷害，使远动和微机装置多次烧毁，但该所的电磁式保护回路却未发生任何雷害事件。

（2）距离该所仅8km的220kV潮州变电所在1998年发生了一起雷电波侵入，引起了新改造的微机线路保护装置的电源和部分输入模块烧坏的事故，而其他的常规的电磁式保护和自动装置却完好无损。

（3）距离该所5km的110kV春光变电所，全所使用全套微机保护、监控及自动装置，投产5年从未发生过类似的雷害事故。

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3原因分析

（1）雷电波的侵入过程：

雷电波通常是通过变电所临近的10kV线路侵入10kV母线，再经过10kV所用变压器高、低压绕组间的静电和电磁耦合，闯入低压出线。

途中经过了10kV线路阀式避雷器、母线阀式避雷器和所用变阀式避雷器3级削峰，再经过所用变低压出线的平波作用，电压幅值大为下降。

但由于雷电波的电压、能量极高，且阀式避雷器等设备技术上的局限性，虽然绝大部分的雷电能量都能在到达设备之前得以消除，但雷电波仍可能以幅值相对很高，但作用时间很短的低能量尖峰脉冲的形式，通过所用变压器的低压出线，加到变电所内所有的220V交流回路中。

还有一种情况，就是感应雷电波通过调度远动系统的RTU设备和信号采集的二次电缆入侵，以很高的电压直接加到远动系统的信号和传送端上，造成接收和发送端模块烧坏。

（2）微机设备屡遭雷害的原因：

变电所的保护和合闸电源直流系统的整流充电系统设计容量都比较大，电压耐受能力也比较好。

而且由于大容量电池组吸收尖峰脉冲的作用，和整流回路的平波作用，加到保护装置上的脉冲电压大大降低。

再加上常规的电磁式保护装置的元器件多为单元件的电阻、电容和电感线圈等，耐热容量大，对尖锋脉冲的耐受能力也比较强，所以能安全度过低能量、高电压的冲击暂态过程。

但对于使用超大规模集成电路，运行电压只有数伏，信号电流仅为μA级的微机装置来说，就不一定能经受得住。

这就是造成微机装置损坏而常规保护装置却能安全运行的关键原因。

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（3）远动载波系统受雷害特别严重的原因：

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首先是电源方面：

调度的远动载波系统多由独立的小容量UPS供电，而这些UPS最多的是使用压敏电阻保护。

在防雷和限幅能力都比较有限，保护UPS本身尚且不够，更不用说保护后接的电子设备了。

实际运用中也屡屡发生UPS雷击烧毁现象，所以单从提高UPS质量方面入手难以从根本上解决问题。

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其次是信号端方面：

该所有两路RTU出线比较长，且没采用屏蔽电缆，又地处雷电多发区，厂所端也没装设任何防雷设备，变电所和沿线附件落雷都很容易在电缆中感应出很高的雷电压并通过电缆直接加到设备上，造成设备的击穿损坏。

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相比之下，较晚设计投产的110kV春光变电所，由于为微机化防雷按较高标准设计，包括远动通讯，信号和弱电部分全部使用屏蔽电缆并且屏蔽层两端可靠接地；调度远动系统厂家已预置了防雷保护模块；在保护和载波、远动电源处加装了高质量的雷盾（OBOV20-C）金属氧化物低压防雷装置。

长期以来运行情况良好。

4采取措施

（1）把上述两条RTU电缆换成屏蔽电缆，屏蔽层两端接地。

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（2）在RTU端加装压敏电阻和防雷模块两级防雷保护，并在RTU微机电源处加装“雷盾”（OBOV20-V）带保险的金属氧化物低压防雷装置。

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（3）将原来的不带防雷功能的后备式UPS换成带防雷功能的智能在线式UPS。

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（4）在中控载波室的低压电源（兼供调度后台监控微机电源）处加装“雷盾”（OBOV20-C）三相四线式带保险的金属氧化物低压防雷装置。

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（5）在所用变压器低压出线端加装普通陶瓷氧化物低压避雷器。

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（6）结合广东省电力局关于全面推广使用金属氧化物避雷器的要求，把全所（包括10kV母线）的10kV阀式避雷器全部更换为高质量的金属氧化物低压避雷器。

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通过整改，形成了对雷电波的多级拦截和防护体系。

经两年多的运行实践，至今未发生一起与雷电有关的故障，系统运行情况大有改善。

在此期间，该所安装的“雷盾”金属氧化物避雷器虽熔丝熔断而系统仍能安全正常运行，避雷效果相当明显。

5教训与收获。

雷害对采用微机系统的现代化变电所是一个极大威胁，变电所微机系统的防雷问题不可忽视。

雷电波主要是通过通讯、信号采样电缆和电源部分两条途径入侵。

特别是低压电源的防雷保护，尤其应该引起足够的重视。

（1）引到开关场的电缆使用屏蔽电缆，屏蔽层两端可靠接地。

（2）新建的微机系统要向厂家深入了解该系统防雷方面的设计，信号和数采部分一般都要求有光电隔离装置。

（3）必要时可在设备的接口处加装压敏电阻、TVS管或专用的防雷模块构成的单级或多级保护。

对于电源部分，难以用单一级的避雷装置一步到位地解决问题。

而应该采用多级防护的手段，逐步把雷电压降低到允许的范围之内。

对于微机化变电所，所用变低压侧装设金属氧化物避雷器是必不可少的。

在防雷设计方面，要用发展的眼光，从高标准的微机化所角度出发，遵循“整体防御、综合治理、多重保护”的方针，通盘考虑。

特别应该重视近设备端的保护，这在改造工程中往往也能起到立竿见影的效果。

防雷设施是属预防性的投资，在事故发生之前人们往往觉得可有可无，可少则少。

等到事故发生后才发现得不偿失、后悔莫及。

通过这次整改，我们深刻体会到以小投资保证大投资的安全才是明智之举，防雷设施省不得，这是我们最大的收获。