变电站综合自动化系统雷电过电压防护

曲宝贵

【摘 要】变电站发生雷击时，变电站电气设备受到严重的破坏。据此，分析了变电站的雷电过电压强度、入侵途径，提出了在变电站应采取的防雷保护措施，以确保变电站综合自动化系统正常有效地工作。

【关键词】变电站；综合自动化系统；雷电过电压；防护措施；接地装置

随着工业微机自动化和通信技术和制造水平的提高，以强大的微机计算控制技术和先进的通信技术为基础的变电站综合自动化系统在电力系统得到了飞速的发展和广泛的应用。该设备系统本质是以大规模和超大规模集成电路为核心的设备。由于工作电压较低（通常芯片工作电源是直流24V），对电磁脉冲特别敏感，抗雷电过电压的能力脆弱。雷电过电压干扰是强电磁干扰，峰值电流高达几百安培，上升时间仅数个微秒。它可以经过各种途经进入变电站综合自动化系统内，轻者产生影响其准确工作效果的噪声干扰，引起系统误动作或拒动；严重的可使系统局部损坏或整体瘫痪。因此，预防雷电过电压，已成为变电站可靠性和安全性设计的组成部分。

1.变电站干扰源、雷电入侵的途径及强度分析

1.1干扰源分析

变电站电磁干扰源通常分为两类：一类是人为干扰源。包括电力系统的隔离开关、断路器等产生的过电压，高频辐射的电磁干扰，以及来自通信网络的干扰等；另一类是自然干扰源。包括雷电放电，及其它天体和气象活动干扰。其中雷电过电压对变电站的危害极大，是主要干扰源。变电站遭受的雷电灾害主要有直击雷和雷击电磁脉冲损害。其中直击雷击中变电站的概率极小，通常可采用避雷针或避雷网的保护方式；而雷击电磁脉冲对变电站的损害概率较大，需采用综合防护措施。

1.2雷电入侵途径分析

1.2.1变电站的组成

变电站综合自动化系统主要由微机保护装置、直流屏、电度表屏、消弧线圈控制装置、GPRS、通信口、微机五防装置和主控微机等组成。主控微机即监控系统是用来接收报文、数据等与调度远方的传送，在变电所中起着重要的作用。

1.2.2雷电侵入的途径

雷电电磁干扰主要通过传导耦合和辐射耦合方式传送到变电站，使其失效或损坏。一般来讲，雷电入侵变电站的可能途径有4条，分别为电源线、主控微机之间的通道及网络通信线路，以及地电位的反击电压。其中以从电源线入侵的概率最大。

（1）电源线入侵。

变电站的电源由低压线输入室内。雷电可沿配电线以行波的方式侵入电源，使电力线路失效或损坏。其中直击雷击中高压线产生的过电压经过变压器耦合后，到次级沿110V线路入侵室内电源设备。另外，直击雷也可能击中变压器到室内的低压线路，从而产生过电压。同时，雷击电磁脉冲也可能在110V的低压线路上耦合产生过电压，对变电站内设备造成严重损害。

（2）通信线入侵。

当变电站周围直击雷防护不力时，地面突出物或高层建筑物遭雷击，雷电过电压将地面土壤击穿，可能击穿网络线和数据采集器到主控微机之间的电缆线的绝缘层，使暂态过电压沿通信线直接入侵。若通信线路遭雷击电磁脉冲袭击时，会在线路上感应出数千伏的过电压入侵，导致数据系统整体的报废。

（3）地电位反击通过接地体入侵。

根据变电站建筑物防雷规范，把信息系统所在建筑物按需要保护的空间，由外到内分为不同的雷电防护区，如：IPZOA、LPZOB、LPZl、……LPZn，变电站应置于LPZOB区或更高级别防雷区内。当避雷针接闪、系统与引下线绝缘距离不够时，强大的雷电泄流放大，会对变电站产生反击，反击电压最高可达数万伏。该反击电压沿着接地引下线到达综合自动化系统接地接口时，其衰减剩余幅值足以对系统产生破坏。

1.3雷电入侵强度分析

雷电从各途径入侵变电站的强度，是变电站防雷保护的基本参数，决定了雷电防护的设计。目前，根据防雷设计使用的各种电漏保护器的防护水平（Up），均要满足或配合被保护设备的耐压水平。当无法准确获取被保护设备耐压水平值时，可参照下列实际经验值进行设计：220/380V三相系统中，电源处的设备为6kV，配电线路和最后分支线路的设备为4kV，用电设备为25kV，特殊需要保护的设备为15kV，通讯设备预期耐压模冲击过电压值为10kV。

2.变电站防护雷电的措施

2.1接地

接地是防雷的基础。接地可分为：微机保护装置交流电源接地、直流工作接地、安全保护接地以及防雷接地。经分析发现，对变电站而言，从降低反击电压来看，应建立联合的共地运行方式。在正常情况下，电源接地、通信线接地、数据采集通道接地以及保护接地，可采用统一的单点接地与防雷接地系统分开，以防止低频杂散电流的干扰。雷电期间，在建筑物底层丽接地系统中，应通过低压金属氧化锌避雷器相连，以防止闪络对变电站反击的发生。对于户外连接站内的传输电缆，宜采用全屏蔽线，并采用多点接地。为了加强保护，可在电缆上方约30cm处铺设2根与电缆平行的接地金属导体。

2.2防护系统

对于变电站来说，除须采取统一的接地措施以外，还必须针对供电电源、通信线路等进行具体的保护。

2.2.1低压电源的保护

（1）单级保护。

为了防止110V的低压线被雷击，或雷击电磁脉冲所产生的过电压对电源系统的破坏，一般在用户进线侧加装低压电漏保护器或放电器。根据雷电入侵电线的强度，选择通流量为3～5kA，最多10kA，冲击放电电压低于电源的绝缘冲击电压的电漏保护器。

（2）多级保护。

单级保护简单，但可靠性相对差些，因此可采取更有效的多级保护电源措施：第一级采用气体放电管，将幅值大的雷电流限制在后级可忍受的范围内。第二级压敏电阻、三级雪崩二极管将输出电压钳制在规定范围内，Ll、L2对高频的过电压具有很大的抑制作用。这样导线虽受雷击，但经过多级保护，电源及其后续主控微机等能够得到很好的保护。当然也可通过加装MOA及削平电容器，将雷电过电压限制在可接受的水平上。

2.2.2通信线的保护

在变电站内，监控机和微机保护上都需装设保护器，如：防雷通道保护器，以及每一传输线路提供对地有效保护。根据传输线路上可能出现的感应过电压幅值，以及采集装置的峰值冲击电压耐量，考虑对Rs-232接口的兼容性，可选择瞬态功率为600W、工作电压为l8V的双向TVS作为保护器件。对PSTN线路终端的保护，考虑到网络上可能出现的感应过电压幅值，可采用非破坏通流量达5kA以上的气体放电管，作大电流限幅保护器件，并以瞬态功率达1.5W的TVS器件作为快速箝位之用。这种模式也是国际上比较标准的保护方式，可为线路终端设备提供较为可靠的防雷击电磁脉冲保护。

3.结语

微机保护和自动化装置凭其高度的可靠性，灵敏性和速动性而应用于电力系统中。但由于芯片的耐压强度较低，对周围的环境要求就越高。抗干扰和防过压始终是微机系统存在的薄弱环节。而雷击事件由于高电压幅值和不可预测性更是微机系统的“天敌”。它极大威胁着变电所的运行安全，一旦发生事故，则难以处理。因此，我们在变电站总体设计中就予以充分的考虑，配置可靠有效的防治设备和措施。