变电站二次系统防雷保护分析

扈海泽，容展鹏，赵 军，王 林，李臻奇

（长沙理工大学电气与信息工程学院，长沙 410000）

随着电力系统对雷电防护措施的不断完善，一次系统的防雷基本上已经达到“安全性”和“可靠性”要求，不会出现大的雷击事故。但是随着电力经济的快速发展，越来越多的微型电子仪器和计算机在电力系统的二次系统中得到应用。由于这些微型电子仪器和计算机的绝缘等级较差，耐压水平较低，一旦发生雷电侵入事故就很容易出现侵入波过电压而使得设备绝缘击穿［1］。一旦这些设备发生故障就会导致一次系统出现故障，从而发生大的停电事故，使经济遭受损失。因此，对二次系统防雷保护的研究，并对二次系统的防雷提出相应的措施是至关重要的。

1 雷电的影响

雷击一般分为直击雷和感应雷，由于变电站的进线段和出现段一般安装了避雷线，而且变电站自身也安装了避雷针，避雷线和避雷针能很好地防止直击雷的危害［2］，基于变电站的雷害事故的防护主要是感应雷防护。防雷保护示意图如图1所示。

图1 防雷保护示意图

2 雷电入侵的途径

变电站在一般情况下都是感应雷害事故，正常雷击时首先会击中避雷针和避雷线，可以对输电线路进行保护，雷电流经接地引下线迅速流入大地［3］。但是由于雷电波峰值很高、陡度很大，会经过一次系统的母线，电流互感器、电压互感器、耦合电容器等进入二次系统，从而使二次系统发生电感性耦合、电容性耦合，受到空间电磁辐射和导体耦合等干扰，由于二次系统属于弱电系统很容易在这些干扰下损坏而发生误动作或不动作。

感应雷过电压和浪涌过电压是变电站雷害事故的主要原因，而感应雷过电压和浪涌过电压入侵变电站主要通过以下3种方式：

（1）途径一：经过弱电系统的电源线进入。当雷击发生时，雷电侵入波首先到达变压器，变压器高压侧避雷器首先动作，迅速将雷电流引入大地，但是由于残压较大，变压器的高压侧电压Ug很大，设变比为K，那么低压侧电压Ud（Ud=Ug／K）将会很大，则将损坏二次系统设备的绝缘水平。

（2）途径二：经过弱电系统的信号控制入线进入。当雷电流由导线流进大地时，由于雷电流很大，会在周围产生很强的电磁感应，并且在导线上产生不同的电压降，而形成过电压，以至于损坏二次系统的设备绝缘。

（3）途径三：经过弱电系统的接地线进入。按照一般情况，当发生雷击时首先是击中避雷针或者避雷线，并由接地引下线把雷电流迅速引入大地［4-5］。由于大地泄流不是瞬间完成的，所以雷电流在大地中会有一个传播的过程，并且大地存在一定的电阻，由雷电流引入点到不同点的电阻大小是不一样的，又由于雷电流幅值很大，所以会产生很大的电位差，从而反击变电站二次系统的弱电设备，轻微的是使弱电系统误动作，严重可使其击穿损坏。雷电侵入二次系统示意图见图2。

图2 雷电侵入二次系统示意图

3 雷击对二次系统的危害

由于雷电流幅值高，范围为几十到几百千安，一旦击中弱点设备，将对弱点设备的绝缘产生损害［6］。雷电对电力系统的危害是各种各样的，现在也没有一种可以全面防护电力系统免遭雷电的危害方法，只能把雷害事故概率降低到最小化。随着防雷意识的增强，在实践中人们对电力系统的一次系统防雷措施已经很完善，但是对于配电系统的弱电系统的防雷还是比较薄弱，尤其是雷电浪涌过电压对二次设备的损害意识还不够强。

雷电对电力系统的二次系统的危害主要有以下几种：直击雷过电压的危害、感应雷过电压的危害、雷电浪涌过电压危害、地反击过电压的危害、雷电电磁场过电压的危害。

对于变电站二次系统的防雷归根于对直击雷和感应雷的防护，而一般直击雷事故的发生概率较低，所以我们侧重于对变电站二次系统感应雷的防护。

4 现有变电站二次系统的防雷措施及不足

虽然目前避雷针、引雷保护设备以及接地性能都完好，但是还是发生了很多雷电事故，分析雷击事故原因发现，大部分是由于二次雷击造成的。目前防雷保护一般分为3种保护。

1）外部保护。雷击发生时将大部分雷电流迅速引入大地。

2）内部保护。在外部保护后还存在一定的雷电入侵波，防止这种雷电波通过一次系统和二次系统的连接设备而进入，对二次设备进行损坏。

3）过电压保护。限制二次设备的两端电压不超过设备允许的最高电压幅值。

目前采用的防雷措施主要是以下2方面。

1）直击雷的防护。主要由接闪器，引下线和接地网组成，三者在直接雷防护中缺一不可，而且要相互配合，满足GB 50057—1994建筑物防雷设计规范中的标准。

2）感应雷电的防护，包括以下几个方面：

（1）通信系统。通信信号线是实现与外界通信的主要途径，通常这些信号线会与变电站机房的终端设备连接在一起，要是这些通信信号线是架空铺设，一旦发生雷击，感应雷电的概率很大，从而沿着信号线损坏变电站机房终端的设备。这样就缺少安全有效的感应雷保护措施，使变电站二次系统受到损害。

（2）交流采样，开关量回路。电流互感器和电压互感器都是直接在高压处引入到变电站主控室的二次设备，一旦发生雷击事故很容易被一次系统感应雷电。还有就是开关、刀闸、重合闸等开关量在监控中使用时很容易感应雷电，也需要一定的雷电保护措施。

（3）地电位差大而反击。由于设备接地线的接地点和其他接地线的接地点不同，在两个中间可能会产生很大的电位差，而使设备发生反击，损坏设备。

（4）空间感应电磁场。当雷击建筑物或者树木等时，会在雷击点产生很强的空间电磁场，由于电磁感应效应，在电磁场中的导线会感应很强的感应电流，对二次设备产生损害。因此，对空间的电磁感应磁场的防护主要是对变电站设备做良好接地处理。

5 变电站二次系统防雷措施

5.1 防止经电源线侵入变电站二次系统的措施

当雷击变电站进线端时，首先动作的是变压器高压侧避雷器，由于高压使得避雷器导通，迅速将雷电流泄入大地。由于避雷器上存在很高的残压，使得变压器低压侧的感应电压也很高，低压侧的电压可以直接传入到弱电系统的电子设备中，并对电子设备造成一定的损坏［5］。

其入侵方式有以下几种。

（1）雷电直接击中输电线路。由于一般输电线路较长，所以发生雷击输电线路的概率很高，同时由于雷电流的幅值很大，所以一旦经变压器传送到二次系统，对二次系统设备的危害很大。

（2）雷击杆塔或者避雷线使输电线感应雷击。雷击杆塔或者避雷线而在输电线路上产生感应电流概率很高，但是感应电流一般不是很大，一般在进线段高压侧避雷器的作用下可以做到防护。

（3）变电站内部线路受引下线电磁感应而产生强感应电流。（4）变电站内部线路受附近落雷而感应电流。（5）变电站线路间的相互感应而产生干扰电流。

防止经电源线侵入变电站二次系统的措施具体如下。

（1）电源的入口端装设浪涌保护器（SPD）。SPD能有效防止雷电浪涌过电压的入侵，防止通过电源入侵到变电站的二次系统［6］。

（2）对于弱电系统的电源严格实行3级防雷保护（见图3）。

（3）对变压器的高低压侧都安装避雷器，并把他们接地端同一点接地。

（4）在避雷器两端并联接入保护间隙。

图3 电源系统三级防雷保护

5.2 地电位反击变电站二次系统防护措施

对于电力系统的一次系统，接地可靠性直接关系到电力设备的绝缘水平。同时，良好的接地能够迅速地将雷电流引入大地泄流，从而避免雷击事故的发生［7］。对于二次系统来说，正确的接地能够很大程度上降低电磁干扰，能够强有力的保证二次系统设备的正常运行。

变电站中的二次系统都是由电缆和二次设备组成，基本上所有的二次设备之间的连接都是用电缆。由于电缆的一端处于一次设备的高压环境中，容易受到操作过电压，雷电过电压，电磁辐射等影响，从而影响到二次设备的绝缘。

地电位反击变电站二次系统防护措施如下：

（1）二次系统要和一次系统用电缆连接到同一个接地网。

（2）变电站所有的二次设备需要接地的必须用电缆连接，严格按照“一点接地”原则，在接地网的同一接地点接入电网，严禁实行两点接地或者多点接地。

（3）变电站内部铺设等电位连接排，对地网进行均压优化。

5.3 感应电磁场过电压和电磁耦合侵入变电站二次系统防护措施

当雷击变电站避雷针、雷击附近建筑物或者落泪点在变电站附近时，雷击点将产生很强的电磁场，由于电磁感应将会在电缆或者二次设备上产生强电流进而产生强大电压，从而对二次弱电设备带来损害。另外，由于变电站里面设备的连接，通信基本上都是由电缆组成，电缆之间会有一定的电磁耦合，从而相互干扰和影响。

感应电磁场过电压和电磁耦合侵入变电站二次系统防护措施具体如下：

（1）在二次系统的设备电源入口端并联避雷器，线路加装SPD。

（2）在变电站内部用屏蔽电缆铺设，并实行屏蔽层双端接地。

（3）二次系统设备连接的电缆尽量排开一定距离，而且要尽量远离避雷针或者避雷线的接地引下线。

（4）二次系统设备的工作接地或者安全接地点必须远离雷电流引入接地点。

6 结语

针对变电站二次系统雷击事故，从雷电的入侵途径方式和原有的防雷措施不足入手，从不同角度对变电站二次系统防雷提出相应的优化措施。分析了雷电波的直接入侵，电磁感应过电压，电磁耦合干扰，地电位反击干扰等危害，并且针对每种危害提出了相应的防护措施，各项防雷保护措施构成一套完整的防雷系统，从而起到对整个变电站的防雷保护。

［1］ 相龙阳，彭春华，刘 刚.500kV变电站雷电过电压的仿真研究［J］.电力科学与工程，2011（2）：30-35.XIANG Long-yang，PENG Chun-hua，LIU Gang.Simulation research on lightning over-voltage of 500kV substation［J］.Power Science and Engineering，2011，27（2）：30-35.

［2］ 郭创新，陆海波，俞 斌，等.电力二次系统安全风险评估研究综述［J］.电网技术，2013（1）：112-118.GUO Chuang-xin，LU Hai-bo，YU Bin，et al.A survey of research on security risk assessment of secondary sys-tem［J］.Power System Technology，2013，37（1）：112-118.

［3］ 曹 斌，付文光，梁高源，等.基于ATP-EMTP的变电站二次系统雷电过电压仿真［J］.高压电器，2012（12）：86-91.CAO Bin，FU Wen-guang，LIANG Gao-yuan，et al.Simulation of lightning overvoltage in substation secondary system based on ATP-EMTP［J］.High Voltage Apparatus，2012（12）：86-91.

［4］ 仇 炜，李景禄，马 福，等.变电站二次系统防雷措施的探讨［J］.电瓷避雷器，2009（2）：27-31.QIU Wei，LI Jing-lu，MA Fu，et al.Discussion of lightning protective measures of transformer substation secondary system［J］.Insulators and Surge Arresters，2009（2）：27-31.

［5］ 刘 玮，刘 源，王伟平，等.韶关变电站二次系统防雷研究［J］.电瓷避雷器，2011（5）：94-99.LIU Wei，LIU Yuan，WANG Wei-ping，et al.Research of lightning protection for secondary system of Shaoguan substation［J］.Insulators and Surge Arresters，2011（5）：94-99.

［6］ 李宏博，李卫国，李景禄，等.变电站二次系统雷电侵入波的防护［J］.电瓷避雷器，2008（4）：33-35，38.LI Hong-bo，LI Wei-guo，LI Jing-lu，et al.Protection against lightning surge invasion into secondary system of substation［J］.Insulators and Surge Arresters，2008：33-35，38.

［7］ 牛文楠.电力变电站二次系统防雷接地的探讨［J］.电力学报，2008（2）：155-156，169.NIU Wen-nan.A discussion on earthing of lightning arrestor in the secondry system of transformer substation［J］.Journal of Electric Power，2008，23（2）：155-156，169.