变电站二次系统防雷措施分析及防护措施研究
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2016年11月第l9卷第11期 2016, ̄o1.19,No.11 贵州电力技术 GUIZI-IOU ELECT R=IC P0WER TECHN0LoGY 电网科技 Power Grid Technology 变电站二次系统防雷措施分析及防护措施研究 毛先J乱,曾华荣,马晓红,代 洲 (贵州电网有限责任公司电力科学研究院,贵州贵阳550002) 摘 要:分析了雷电侵入对变电站二次系统的危害方式,阐述了目前变电站二次防雷的不足,并利用基于雷电能量 频谱的雷电流抑制装置和电子脱扣式浪涌保护器防雷装置,采用“疏”、“堵”结合的防雷策略,根据相关标准的防雷 分级原则对变电站二次电源系统和信号系统进行分级防雷,并给出了各级雷电防护采用的TSPD装置的残压和通 流容量参数,形成了有效的变电站二次设备雷电防护系统。 关键词:TSPD;变电站二次系统;多级防雷;地网反击 文章编号:1008—083X(2016)11—0o01—05中图分类号:TM63文献标志码:B 雷击发生时产生的强烈的电磁脉冲辐射,会给 面物体之间的放电,放电过程中伴随着光和热,其电 磁场效应导致其通道附近的设备产生静电感应电压 和电磁感应电压。地闪是雷电对地面物体危害的主 要方式。 变电站二次系统(指站用变提供电源的变电站二次 设备)的供电线路、信号传输线路设备造成电磁感 应形成线路浪涌,造成设备损坏。随着自动化技术、 计算机技术、通信技术的发展,变电站综合自动化技 术得到了迅速发展和广泛的应用。然而,这些以微 雷击侵入变电站主要有以下几种方式:①直击 雷,一方面雷电通过架空输电线路侵人变电站,但雷 电过电压较低,出线间隔避雷器不动作,特别是对从 站外引入10 kV或35 kV电源的站用变其危害更 大;另~方面雷电直击变电站避雷针等装置,雷电流 通过变电站地网泄放。②感应雷,雷电放电瞬间产 生高频率的电磁脉冲,在周围的电源线、信号线产生 电磁感应电压,产生的感应电压直接损坏系统设备 或沿电源系统侵入后续各级设备。 1.2雷电侵入对二次系统的危害方式 电子技术为基础的设备因其集成度高、工作电压低, 耐过电压、过电流和抗雷电电磁脉冲的能力差,在变 电站复杂的电磁环境下,很容易遭受雷电电磁脉冲 感应过电压及地网反击的危害。 近年来在电力系统中频繁发生因过电压和雷击 电磁脉冲等原因造成微机保护和综合自动化系统模 块损坏的事件。2010年8月20日南方电网110 kV 郭村变电站,35 kV联络线路郭文东线314因连续 遭受雷击造成全站失电,并造成该线路及站内相关 一变电站二次系统包括大量的微电子设备、计算 机设备,耐过电压水平要比一次系统低得多。如果 二次系统的防雷设施不完善,极易由于一次系统在 接闪雷电时,造成二次系统设备的损害。 雷击对变电站二次系统主要产生以下几方面的 、二次设备严重烧毁,导致直流系统瘫痪,控制保 护装置失电,后台主机失电,主控制室直流屏雷击顺 坏,直接影响到一级用户的正常供电 J。 随着近年来大量变电站二次系统雷击故障的发 生,变电站二次系统的防雷工作已经得到国家和各 行业主管部门的高度重视,虽然为此编制了较多的 标准,但变电站二次系统的防雷技术措施仍存在技 术手段单一、地电位反击防护薄弱、防雷装置稳定性 差等不足。 危害:①地电位反击,雷电流通过变电站的地网泻人 大地,由于接地电阻的存在,会在地网上产生几万伏 甚至几十万伏的冲击高电位,由于设备接地线都接 入地网,就有可能将冲击高电位引入设备,造成设备 的损坏。②近点感应过电压。变电站建筑物的外部 避雷装置在接闪雷电流并将雷电流引下入地时,雷 电流会在其泄放通道周围空间产生强大的暂态电磁 1 变电站二次系统雷电过电压的形成及危害 1.1雷电入侵通道 雷电分为地闪和云闪。地闪为天空中雷云对地 场,从而在各种配电线路,通讯、远动、保护等通信线 路,以及与设备机房相连的金属管道、桥架上感应出 .1・ 贵州电力技术 第l9卷 暂态过电压并引人设备。感应过电压从几百伏到数 万伏不等,这就对变电站内的敏感的二次设备构成 了威胁。③远点雷电过电压传导。当变电站外发生 雷击或雷电击在连接到变电站二次设备的电力线 缆、通讯线缆(包括光纤中的金属芯)上时,会产生 雷电过电压,一样会将过电压从远处引入二次设备, 造成设备的损坏。 雷电产生时,设备与外界有联系大致分为三种, 即电源线、信号线及设备地线,无论瞬态电涌过电压 产生的方式如何,其最终会通过这三个途径中一种 或几种对设备放电,造成设备损坏。因此对于任何 一个需要保护的空间内的设备,只要截断该需要保 护的空间与外界瞬态电涌过电压的途径,即可达到 防护的要求。 2变电站二次系统防雷现状及不足 2.1 变电站二次系统防雷现状 根据相关标准 规定,目前变电站二次系 统防雷主要采用的方式为进行防雷保护分区,对 各分区采用不同的方法,对建筑物外部主要采用 避雷针、避雷带等引雷措施,将雷击通过地网引 入大地进行泄流,通过控制地网的接地电阻,并 在主控室通过建筑物屏蔽、采用等电位连接等方 式防止二次系统遭受雷击 』。同时在站用变一 次侧安装金属氧化物避雷器、二次系统电源线安 装SPD等方式进行泄流,从而形成变电站二次系 统雷电防护网。 事实证明,单靠传统的避雷针、避雷带、地网 等外部避雷设施已不足以防护雷电或开关过电 压对微电子设备的冲击,内部系统的防高压反击 抑制保护和各电源、信号线路加装电涌保护器及 对变电站防雷系统进行智能化监控是迫切的和 必须的。由于相关标准未强制要求,目前较多变 电站二次系统未安装相应的电源、信号电涌保护 器、地网反击抑制保护系统和电涌保护器及智能 化雷电监测系统,因而变电站二次系统的雷击隐 患仍然存在。 2.2变电站二次系统电源防护不足 目前我国大部分电力变电站二次系统雷电防护 存在单一性(简单安装SPD)、不可靠性、不匹配性 等问题,变电站二次系统中以下几类设备的防雷仍 然存在隐患。 .2. 2.2.1 变电站10 kV/400 V站用变压器 由于变电站10 kV/400 V站用变压器在一次 系统与二次系统连接的最后一级,普遍认为雷电 入侵机率较小,雷电对站用变电站的损坏存在概 率性和不普遍性,故在变电站二次系统配电系统 中,多数变电站10 kV/400 V站用变压器高低压端 均无保护措施。另外,部分变电站站用变高压侧 直接从外部输电线路引入电源,一般也仅按照相 关防雷标准在高压侧安装避雷器,低压侧多无防 雷保护措施。 一方面,当站用变雷电过电压侵入高压侧时,雷 电流通过高压侧避雷器放电人地,接地电流在接地 电阻上产生压降。这个压降作用在低压侧中性点 上,而低压侧出线此时相当于经电阻接地,低压绕组 受雷电过电压电位抬升。此时该过电压以变比升高 至高压侧,并叠加于高压绕组的相电压上,致使高压 绕组出现过电压而导致绝缘击穿。这种由于高压侧 遭受雷击,作用于低压侧,通过电磁感应又变换到高 压侧,引起高压绕组过电压从而击穿高压绕组导致 变压器损坏,这属于正变换过电压损坏。由于配电 变压器的低压侧绝缘裕度高于高压侧,所以配电变 压器雷击故障常发生在高压侧,尤其是中性点附近。 另一方面,当雷电过电压出现在低压侧时,雷击 电流侵入低压绕组经中性点接地装置人地,接地电 流在接地电阻上产生压降,该压降使得低压侧中性 点电位急剧升高,危及低压绕组。同时,该过电压通 过高低压绕组按变比升高至高压侧,与高压绕组的 相电压叠加,致使高压绕组出现危险的过电压。这 种由于低压绕组遭受雷击过电压,通过电磁感应变 换到高压侧,引起高压绕组过电压从而击穿高压绕 组导致变压器损坏,这种叫逆变换过电压损坏。 因此,站用变的防雷保护不应只在高压侧安装 避雷器,应在低压侧也安装适当绝缘配合的避雷器, 防止雷电侵入时的正变换和逆变换过电压损坏。 2.2.2 变电站二次系统交直流电源线路 (1)电源线路防雷应该按照多级分流、限幅、限 压为目的,在电源线路安装多级防雷保护装置,将线 路中的过电压限制在设备的安全承受范围内。 由于变电站二次系统设备的采购到安装由不同 的部门和厂家完成,完善的防雷系统在变电站二次 系统中未普遍实施,部分机柜里只有一级防雷模块, 防雷手段单一无法形成完善、系统的防雷体系,无法 第11期 毛先胤,等:变电站二次系统防雷措施分析及防护措施研究 实现多级分流、限幅、限压为目的,末端设备雷击安 全隐患严重。 (2)传统防雷装置受到机械脱扣失效、级间线 缆距离、防雷装置空开与防雷装置、主回路断路器的 配合问题造成防雷装置故障起火或系统跳闸。 传统的防雷装置在实际使用中均在前级安装断 路器,目的是当防雷装置故障短路或维护更换时起 到断电操作。但该方法会导致防雷装置的后备断路 器不能和防雷装置及主回路空开协调、配合,残压 高,耐冲击能力差。由于配电系统的短路器配置与 防雷设备内的断路器选型由两个部分(厂家)分割 完成,防雷装置前级的断路器无法耐受大雷电流的 冲击,故防雷装置断路器限制了防雷装置的放电电 流能力,没有将防雷装置的作用发挥到最大。传统 SPD有故障短路或起火,SPD发热,SPD表面的热通 过传热点(点传热效率低下)使低温焊锡融化脱扣。 弹力脱扣机构受弹性机构易失效、卡滞、熔点温度、 制造工艺等因素影响无法正常脱扣,引起工频短路, 引起火灾等隐患。此种脱扣技术无法同时解决SPD 故障脱扣/起火、故障负载跳闸要求。 (3)地电位反击无法得到有效防护。按照传统 意义理解,地电位为参考零电位,但当外部防雷装 置、避雷器引入雷击电流后,瞬间将地电位抬高对设 备形成电压差,瞬间的冲击电流冲击至设备或机壳。 根据IEC分流模型,当外部建筑物遭受雷击后,有 50%雷击电流反击至电源系统、信号系统、金属管道 等系统,造成设备反击损坏_4 J。传统的方法是尽可 能的将系统接地电阻降低,尽快散流,减小冲击电 阻,将设备与地网实现等电位连接。但由于线缆之 间有感性阻抗,在大电流冲击作用下会形成压差,该 方法无法解决地电位反击。 2.3 变电站二次系统信号线路设备保护不足 当雷电感应电磁场或感应过电压达到一定程度 时,就会导致设备的不正常工作或损坏。普通PC 机在电源线和I/0线均屏蔽的条件下,在频率达 MHz级,脉冲磁场强度达20A/m的环境中可不受干 扰,正常运行。当雷电电磁脉冲(LEMP)强度超过 一定值时就会引起微机失效或扰乱他们的正常工 作,或出现信息上的差错;达到一定程度时甚至造成 集成电路、还有磁记录设备永久性损坏 一 。 由于存在雷电电磁脉冲对机房内信号线路进行 感应可能,应在各信号传输设备信号端口安装相应 的信号防雷设备,防止信号电路雷电过压对设备的 损坏。但目前大多数变电站二次系统如计算机通信 系统、RS一232、RS一485、以太网、通讯线等信号线 路均无安装过压保护装置。 3变电站二次系统防雷技术措施 3.1 变电站二次系统防雷思想 雷电防护应根据雷电防护区的划分而进行有针 对性的防护,形成雷电防护网络。雷电防护区的划分 应根据需要保护和控制雷击电磁脉冲的具体环境,从 外部到内部划分为不同的雷电防护区。根据雷电防 护区划分采用多级防雷策略,对具体则采取针对性措 施,即对地网反击隐患设备材料“堵”的防雷策略、对 雷电过电压侵入隐患设备采用“疏”的防雷策略。 依据《建筑物防雷设计规范》(GB 50057—2010) 规定,进入建筑物大楼的电源线和通讯线应在LPZ0 与LPZ1、LPZ1与LPZ2区交界处,以及终端设备的前 端安装上电源类SPD,以及通讯网络类SPD,此为疏 导策略;对可能发生地网反击的设备,如站用变二次 侧地电位抬升反击,可串联过电压隔离装置。 3.2变电站二次系统防雷装置选型 3.2.1 基于雷电能量频谱的雷电流抑制装置 相关研究表明,典型雷电脉冲(如8/201,zs)能量集 中了99%以上集中在i00 Hz~1 MHz 。利用该原理 研究开发具有带阻滤波器性质的雷电同步隔离装置, 可以同步隔离100 Hz~1 MHz的雷电能量特性,即可 阻断99%的地电位高压反击能力,实现对地电位反击 的保护。该装置具有如下图1的频率一阻抗特性。 ktl : :聃 : :一 :/; 蛆 /; j \ : ; … … : :.. _ 、 _龟 棚日撬. … .. \\ …≥ 0… ’ 。 … ≮ 图l 基于雷电能量频谱的雷电流抑制装置 频率一阻抗特性曲线 Fig.1 Frequency—impedance characteristic curve of lightning current suppression device based on lighthing energy spectmm ・3・ 贵州电力技术 第19卷 3.2.2 电子式脱扣的新型SPD 《建筑物防雷设计规范》(GB 50057—2010)主 张在各级雷电防护区安装SPD,但传统SPD如上文 分析具有其缺陷,使用电子脱扣式浪涌保护器 (TSPD)能解决传统SPD的缺陷。 如图2所示,新型TSPD的每片金属氧化物阀 片(MOV)主回路串联合金型温度保险丝(F1),由 一只贴合在压敏电阻器上的状态监测功能温度保 险丝(F2)和一只贴合在压敏电阻器上的温度监测 的(NTC)热敏电阻器组成监控电路并引出焊接引 脚,实时对MOV和温度保险丝的工作状态进行监 控,并输出模拟信号至报警机构。通过贴合封装 工艺环氧灌封在一个具有阻燃特性的塑料壳内, 形成一个电子式过流、过压、过热脱扣功能的智能 防雷保护器件,能防止MOV起火或者短路引起的 电源系统故障。通过配置不同规格的MOV压敏 电阻控制TSPD的残压、通流能力、持续运行电压 等参数,封装完成的新型TSPD装置具有三个 TSPD单元,冗余配置2套,大大提高装置的可靠 性和使用寿命。 (a)渠蠢 TSPD结构单兀 (b)新型TSPD结构 图2电子式脱扣的新型SPD结构示意图 Fig.2 Schematic model of SPD structure of electronic tripping 3.3变电站二次系统防雷措施 3.3.1 变电站二次系统电源防雷 根据《建筑物防雷设计规范》(GB 50057— 2010)相关条款规定,对变电站二次系统按防雷防 护区划分采用多级防雷措施,各级之间对TSPD的 参数进行配合。如下图3所示为变电站二次电源系 统的防雷保护区划分。 在1级防护位置主要防止地电位反击,该处 安装雷电流抑制装置,装置最大工作电压为交流 400 V,最大放电电流为100 kA(8/20 US),残压 不大于2.5 kV,可消除本文上述站用变雷电防护 的不足。 ・4・ 图3变电站二次电源系统的防雷保护区划分 Fig.3 Lightning protection zone division of the secondary power supply system in substation 在2、3、4、5级安装的TSPD防雷装置主要参数 如下表所示,并将防雷装置之间的所有接线用 16 mm 股铜线连接,地线用25 mm 多股铜线连接, 保证接线阻抗导致的压降。从而实现变电站二次系 统的多级雷电防护。 表变电站二次电源系统防雷用TSPD主要参数 Tab.1 Main parameter of TSPD lihgtning protection for the secondary power supply system in the substation 3.3.2 变电站二次系统信号防雷 根据《建筑物电子信息系统防雷技术规范》 (GB 50343—2012)规定,在进、出建筑物的传输线 路上,在LPZOA或LPZOB与LPZ1的边界处应设 置适配的信号浪涌保护器。因此在网络交换机、 集线器、光电光端机的配电箱内,应加装电源电涌 保护器。 变电站二次系统设备信息传输线路电涌保护 器的选择,原则上应根据信息设备的工作频率、电 压、阻抗特性、传输速率、频带宽度、接口类型等选 用适配的SPD。一般在计算机通信线路设备(如 网络交换机、路由器、电脑)等网络通信设备信号 两端安装通流容量不小于5 kA的过电压保护器, 其他信号保护断口安装通流容量不小于10 kA的 过电压保护器,即可实现变电站二次信号系统的 防雷保护。 4 结语 本文分析了雷电侵入对变电站二次系统的危害 第11期 毛先胤,等:变电站二次系统防雷措葱分析及防护措施研究 设计规范[s]. GB/T 50064-20 1 4,Design specification of over-voltage 方式,阐述了目前变电站二次防雷的不足,并利用研 发的新型防雷装置,采用“疏”、“堵”结合的防雷策 略,根据分级原则对变电站二次电源系统和信号系 统进行防雷。 (1)雷电侵入变电站后,对变电站二次系统包 protection and insulation coordination for AC electicalr installations[s]. [4]GB 50057—2010,建筑物防雷设计规范[s]. GB 50057—2010,Design specification for lightning protection design of buildings[s]. [5]潘嵩,王巨丰.变电站二次系统防雷的等电位技术[J].沿海 企业与科技,2008.10(101):49-51. Pan Song,Wang Jufeng.Equal potentil taechnique of lightning 括站用变低压侧、以及后续的交直流系统均可能产 生雷电过电压危害。 (2)目前变电站二次系统雷电防护存在不足。 站用变低压侧未安装防雷保护装置,可能发生地网 反击导致的正变换和逆变换过电压损坏;二次交直 流电源系统及信号系统为形成多级雷电防护,可能 protection for the secondary system of substation[J].Coastal enterprises and science and technology,2008.10(101):49-51. [6]刘向阳.变电站二次系统防雷防雷设施现状及措施[J].电源 技术应用,2012.10(1O):185-186. Liu Xiangyang.Status and measures of lightning protection 造成雷电过电压侵入损坏;目前使用的传统SPD具 有机械脱扣不可靠等隐患。 (3)采用基于雷电流能量频谱特性的雷电流抑 制装置可有效防止地网反击,新型TSPD装置能防 止变电站二次系统雷电过电压侵入隐患。通过在不 同的防雷保护区采用不同残压、通流容量参数的 TSPD装置实现变电站二次系统的多级防雷系统,有 facilities for the secondary system of substation[J].Power technology application,2012.1O(10):185-186. [7]彭彬,余焱.变电站自动化设备通讯接口的防雷保护探讨[J] .电力系统及其自动化学报,2006.2(18):105—107. Peng Bin,She Yon.Discussion on lightning protection communication interface in substation automation equipment[J].Electirc power system and automation,2006.2(18):105—107. 效解决传统防雷存在的不足。 参考文献: [8]何艳娇,李景禄,等.变电站微机电源防雷保护研究[J].电瓷 避雷器,2006.5(213):25-28. He Yanjiao,Li Jinglu,et a1.Research on lightning protection of [1] 李勇,刘晓玲,左建军.110 kV变电站遭受雷击事故分析及改 进措施[J].中国新技术新产品,2013.4(3):143. Li Yong,Liu Xiaoling,Zuo Jianjan.Analysis and improvement measures of the lightning stike accirdent in 1 1 0 kV substation substation computer power supply[J].Insulators and surge arresters,2006.5(213):25-28. 收稿日期:2016—04—13 作者简介: 毛先胤(1984),男,硕士研究生,工程师,主要研究方 向:高压输变电设备技术研究。e・mail:yinxianmao@ 126.corn [J].China new technology and new products,2013.4(3): l43. [2]GB/T 50065—201l,交流电气装置的接地设计规范[s]. GB/T 50065-201 1,Grounding design specification for AC electircal equipment[S]. [3] GB/T 50064—2014,交流电气装置的过电压保护和绝缘配合 (本文责任编辑:龙海丽) Analysis and research of lightning protection measures for the secondary system of substation Moo Xianyin,Zeng Huarong,Ma Xiaohong,Dai Zhou (Guizhou Electric Power Research Institute,Guiyang 550002 Guizhou,China) Abstract:This paper analyzes the harm of lightning intruding Oil the secondary system of substation,expounds the shortcomings of current substation secondary lightning protection.Using the lightning current suppression device based on lightning energy spectrum and electronic tripping type surge lightning protection device,utilizing the combination of dredging and blocking lightning protection strategy,and according to the relevant standards of lightning protection classiifcation principle,lightning protection for the secondary power system and signal system of substation are classiifed.This paper also gives the residual voltage of lightning protection by the TSPD device at alI levels and conducting capacity parameters.An effective lightning protection system for the secondary equipment of substation iS formed. Key words:TSPD;the secondary system of substation;multi—stage lighthing protection;grounding d counter attack ・5・