变电站二次系统防雷电涌措施探讨

陈 洋

（国网四川电力公司宜宾供电公司）

0 引言

变电站二次系统是一种低电压、小电流的控制、调节、保护和监测系统，对于电力系统的安全生产、可靠供电以及经济运行有着重要作用。雷电对于变电站的安全运行有非常大的威胁性，为此变电站防雷非常关键，本文着重就变电站的二次系统防电涌进行一番探讨。

1 变电站二次系统防雷必要性

雷电是一种在短时间内持续强放电的自然现象。从大量雷击事件的统计数据来看，绝大多数雷击事件都是雷云上的负电荷放电所导致的，极少部分是正电荷放电，但正电荷放电的雷击要猛烈许多。

变电站二次系统中大量的电子信息设备被应用于对一次系统的调节、控制、监测等，这些自动化设备效率高、体积小，给变电站的运维提供了非常大的帮助，但是自动化设备的大量应用也带来一个非常显著的问题，即如何针对变电站二次系统进行防雷。因为在现有技术条件下，一次系统的防雷体系已很完善。当变电站发生雷击，一次系统的防雷体系会将雷电流引入大地，保证一次设备的安全，但是对于二次系统的低压、小电流、高精度自动化设备来说，雷电流的危害非常大，由于二次系统的自动化设备是高度集成的装置，耐电压水平低，往往只有几伏的耐压能力，只要产生过电压必然就会出现问题，而且二次系统有相对独立的通信装置和信号线路，这给雷电波入侵提供了很多通道。

具体而言变电站二次系统中有很多设备主要是依靠集成电路芯片运行，芯片在正常运作时工作电压一般在5～12V，如果防雷系统不完善，哪怕是1公里以外打雷，这些弱电系统就会感应到雷电的感应电流，在强大的脉冲电磁场下，极易烧毁整个电子设备，尤其是高集成度的微电子设备。所以针对变电站二次系统防雷进行讨论具有显著的现实意义。

2 二次系统雷击危害机理分析

雷击事故并不一定就是雷云放电直接击中设备，还可能是因为感应雷或者电磁脉冲对设备产生影响，事实上由于存在完善的外部防雷体系，变电站二次系统一般情况下不会遭遇直击雷，一般微电子系统有80%的雷击事故来自于感应雷和电磁脉冲，其中又有极大部分是通过电源线路和通讯线路导致的。当二次系统线缆感应到雷电会产生瞬时过电压，轻则设备损坏，重则系统瘫痪。

例如，主控楼有一套监视设备，而继电室有一套控制设备，二者相互独立又通过线缆进行连接。当主控楼的接闪器遭遇直击雷时，会在接地电阻上产生瞬间高达数百千伏的电压差，这种电压差足够让线缆外部出现闪络，此时就发生了阻性耦合，雷电电涌就会经过等电位连接进入主控楼的监控设备，并顺着线缆影响继电室的控制设备，而且接闪器的接地电阻越大，这种现象越严重。

同样以上述例子来说，当雷电击中接闪器或者是在附近击中大地，在接地电阻上会出现电势差，而且会使界山或者雷电通道电压上升至数百千伏，雷电通道或者接闪与设备之间的线缆就会发生容性耦合，此时线缆成为一个电容并且被充电，主控楼和继电室的设备会遭遇约10A左右的电流注入，并最后传入大地，这个过程中设备的正常运行会受到注入电流的强烈干扰。

主控楼和继电室二次设备通过线缆连接后经过等电位连接接入接地电阻，此时二次设备与大地就会形成一个感应回路，当主控楼或者继电室遭遇雷击，防雷装置会瞬时产生大电流并形成铰链磁场，感应回路当中的电压会瞬时升高，进而击穿设备的对地绝缘。

3 二次系统防雷电涌措施探讨

雷电电涌对于变电站二次系统的影响非常大，为保证二次设备的正常运行，避免雷电电涌产生的过电压对设备产生影响，为达到这样的目标，目前常用SPD（防浪涌保护器）和等电位连接来实现。

3.1 SPD的选择问题

SPD，防浪涌保护器，或者防雷器，它是一种用于保护用电设备避免出现雷电电磁脉冲或者过电压破坏的一种防雷装备，它可以限制瞬时过电压并且快速泄放电涌电流，其中泄放电涌电流主要依靠的是一个或者多个非线性电阻或者开关元件，对于变电站二次系统来说，安装SPD是最为直接且有效的措施。

SPD有三种类型，包括电压限制型SPD，当出现瞬时过电压时，其响应时间一般都在25ns以内；开关型SPD，这种类型的SPD一般响应时间在100ns以内，还有一种类型是组合型SPD。一般SPD防护需要安装多级SPD直到将雷电电涌的能量泄放在安全范围内为止，安装通过Ⅰ级分类的SPD作为第一级保护，对直击雷电流进行泄放，或者当线路遭受直接雷击时，将传导的巨大能量进行泄放。

但是当线路当中存在多个SPD时，需要考虑SPD的配合问题，而在SPD的选型中很多时候根据的是SPD的最大持续运行电压和限制电压两个参数来进行选择，是想逐级降低电涌电流。但是因为一条线路当中一般不会出现型号参数完全一直的SPD，这种情况下SPD之间的动作会出现相互影响，这样就会出现一个问题，就是可能从第一级SPD通过的电涌电流不一定达到第二级SPD的要求，也就可能会导致不会出现依次降低电涌电流的状况，所以在布置SPD时，首要考虑线路最高运行电压要比SPD的电压保护水平低，而SPD的电压保护水平又不能高于被保护设备的耐受电压。

因为SPD只有有限的保护距离范围，一旦超出这个范围SPD就很难保证设备的安全。在SPD与被保护设备之间的线路距离之间会产生一个距离效应，当这个线路的长度越长，设备与SPD之间的电压差就会越大，对于SPD的限制电压 （即电压保护水平）来说必须要比设备的耐受电压低，而且要有足够的裕度才能保证保护有效。

3.2 多级SPD防电涌

以一个简单的简化后的两级SPD（分别以A、B相称）配合保护设备为例进行分析。A设置于电源系统线路入口，B靠近被保护设备。A、B两个SPD为限压型，其非线性元件为金属氧化物压敏电阻，A最大持续电压280V，保护电压1300V，B最大持续电压和保护电压分别为280V和700V，连接用的线缆为3×4mm2的氯乙烯绝缘电缆。为验证A、B两个SPD的保护距离，选取实际低压系统中比较常规的负载参数来进行仿真模拟试验，分别取电阻负载 10Ω、100Ω、 1000Ω， 电 容 负 载 0.05μF、0.5μF、5μF，电感负载 2H、20H、200H，据此参数检测负载过电压最大值，雷电波取值8μs和20μs，试验设备额定电压220V。

出于对有效保护距离的考虑，先假设B与设备之间的线路长度为1m，此时A与B之间的线缆随机在1～50m内进行选择，经试验后发现由于B与设备之间线路距离只有1m，大小不一的阻性负载在电路当中都不会产生震荡现象。不过A与B之间线缆长度越长，A两端的电压值就会越大，三个电阻负载下，电压值的变化曲线基本一致。但是观察在不同长度下的电压变化时，发现当线缆长度在10～50m之间电压一般都在1200V～1250V之间，但是在1～10m以内电压会出现陡升现象，约5m左右时开始减缓。事实上当A与B之间的线路长度越短，线路之间会产生一个比较大的感应电压降，B两端电压和该电压降的和与A两端的电压相当，不过由于大多数时候，这个电压降不足使电涌电流通过A，而是有很大部分会流过B，造成B的损坏，所以在实际操作中可能需要安装一个解耦器来提高A与B之间的电感值。此后分别针对电容负载、电感负载进行实验后得出A、B之间的线缆长度会在电容负载方面产生显著影响，A与B之间的线缆不能过短也不能太长，经试验后得出在30m左右较为合适，但是调整B与设备之间线缆长度后发现，该线缆越短越好，在试验中只有10Ω负载的情况下，线路越长负载两端电压都不会超过B的限制电压，其他情况下均会超出。所以就两级SPD来说，第一级与第二级SPD之间线缆长度应在30m以内最好，第二级SPD与设备之间的线路长度最好在1m以内效果最佳，同时要考虑二次系统主要负载的性质，尽可能地避免负载上出现振荡。

基于上述分析，在具体变电站二级系统的防雷电涌中可以采取两级SPD进行防护，在具体的布置中第一级选用的SPD应选用放电电流较大的，这样可以将绝大部分雷电能量泄放出去，以保证通过第二级SPD的能量尽可能的小，而第二级的SPD一般其限制电压比较低，流通容量小，是直接保护二次设备的关键。

4 结束语

变电站由于大量自动化装置的应用，使得原有的防雷体系出现了漏洞，作为变电站正常运维的关键，以自动化装置为主的二次系统的防雷问题必须受到充分关注，除了原有成熟的防雷体系外，要形成综合防雷体系，这里关键就是要合理地利用SPD来限制雷电电涌给二次系统带来的危害。本文对此进行了简单的探讨，可能存在不足，但希望有一定的参考价值。