变电站二次系统的防雷技术研究.pdf
黄薪余+王平
[摘 要]雷电对变电站的危害由来已久，关系电力系统的正常运行，尤其是随着变电站数字化发展水平的提升，二次防雷技术已经成为国内外雷电保护研究的热点课题。从变电站的二次设备入手开展防雷技术的相关研究，给出了雷电攻击二次设备的基本路径和针对这些路径进行防雷方案设计的基本思路和要求，同时以某地110KV变电站的二次防雷工程应用案例，验证了设计方案的可行性和有效性，具有一定的工程应用价值。
[关键词]变电所；二次设备；雷击路径；防护设计
中图分类号：TM862 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）01-0350-02
1 引言
数字化变电站是电力系统实现智能电网的重要环节。使用大规模集成电路装置和计算机系统构成变电站的综合自动化系统，实现监控、保护和通信等的智能化和网络化。这些大量用于设备间参数、状态和控制等信息交互的通信接口，取代了传统变电站的对应硬接线，使得二次系统在功能配置、装置形式和操作方法发生重大变革。相对于传统变电站设备而言，这些装置极易受到来自电磁的干扰，且耐热性能较差。
雷电是引起变电站电子设备产生巨大破坏的主要电磁干扰来源，变电站的雷电保护（Lightning Protection）最早就是从电磁兼容的方向开展一系列探究的[1]。雷电及其过电压的暂态尖峰脉冲，形成暂态过电压，并通过变电站的电源线引入，对整个通信系统、电源模块和计算机监控系统等的正常运行产生电磁干扰甚至损毁。根据统计，我国由雷击引起的变电站跳闸事故占比为50%左右，一个大中型以上城市，每年因雷击造成的直接经济损失就会高达6千万以上，在多雷、土壤电阻率较高和地形情况复杂的地区，这样的比例和损失还会更高，直接关系到区域电网的稳定和国计民生问题[2-3]。因此，开展变电站的防雷技术研究是目前国内外电网系统关注的热点课题[4]。
变电站的雷电保护设计，一般分为外部的一次防雷系统（主要防直击雷），和内部的二次防雷系统（主要防雷电感应、反击和雷电波侵入）两大部分。一次防雷系统通常采用避雷针或避雷网，通过将雷电引向自身来获得被保护对象免遭雷击，对直击雷的防护是一种简单有效的方法[5]。然而，这种方法却大大增加了变电站遭受雷击的概率，同时产生感应雷和地电位反击等现象，使得二次防雷系统的压力倍增。针对这一现象和问题，本文从变电站的二次设备入手，开展防雷技术的相关研究，同时以某地110KV变电站的二次防雷工程应用案例，验证研究的有效性。
2 二次设备雷电攻击路径分析
在研究如何进行二次设备雷电保护措施前，首先要清楚变电站内部二次设备遭受雷电攻击的路径，以助于防雷方案的设计。通常，雷电入侵变电站有两种路径[6]，一是通过设备的配电线、通信线和接地线等；二是通过雷击产生的瞬态电磁场（Electromagnetic Transient）。如图1所示。
二次设备线路雷电攻击占比统计如图2所示。一部分：电源线路包括直流电源线路（如220V/110V直流配电线路）和交流电源线路（如380V/220V低压配电线路），当其处在电磁场中时，会感应到雷击过电压，据IEEE等标准电源线上的雷击过电压高达20KV，雷电流高达20KA；二部分：通信线路包括各种采样、控制和通信等线路（如语音线路，RS232和RS485等数据线，RJ45以太网线，电压互感器（Potential file：//H：＼Program Files＼Youdao＼Dict＼7.2.0.0703＼resultui＼dict＼keyword=Transformer， PT）、电流互感器CT、YX、YC等），当其处在电磁场中时，会感应到雷击过电压，据IEEE等标准电源线上的雷击过电压高达10KV，雷电流高达3KA；三部分：接地线路，当设备同时接有几个地时，存在雷电反击或设备接地不规范带来的危害；四部分：雷电电磁场，雷击区产生很强的电磁场，不仅可能直接损毁设备，也可通过电源、通信、控制和采样等线路感应出过电压进而损坏设备。
3 二次防雷工程设计
3.1 电源线防雷设计
如前所述，变电站二次设备受雷电攻击的其中一条路径即就是电源线，在整个雷电攻击的占比中处于较高的水平。因此，对于配电线路的防雷设计，应该从全局进行考虑和重视，包括总直流配电、交流配电和重要设备配电等，由于它们与许多大规模集成电路设备直接或间接相连，所以严格按照国家防雷标准做好电源线路的防雷设计，是保护这些先进数字设备的一个重要途径和手段。
3.2 通信线防雷设计
变电站二次设备涉及的通信线数量较大，一般情况下，以主控室的主控屏为中心，根据实际需要进行设计。比如：主控屏到通信屏的语音线，两侧安装电涌保护器（Surge Protection Device，SPD）；通信屏的微波和载波线，在通信屏侧安装SPD；主控屏到后台屏数据线，在后台机侧安装SPD等等。在进行通信线防雷设计时，不仅要考虑到进出变电站的所有线路，还应包括变电站内机房中重要通信线路和接近或超过30m长的通信线等。
3.3 接地及抗电磁干扰設计
对于变电站的接地与屏蔽措施都比较规范，通常是所有需要接地的二次设备，全部共用一个地网，接地电阻小于10Ω，中控室到主地网对称布置多条主地线，各屏柜就近接到接地母排，各通信线均进行屏蔽，凡是屏蔽效果较差、操作难度较大或由与电源线和通信线等形成的电位差，采用安装SPD的方法进行解决。
4 二次防雷技术应用
根据前面二次设备雷电攻击路径的分析和二次防雷工程设计的三大方向和要求，遴选了情况相似或接近的某地110KV变电站，进行二次设备防雷技术的工程施工。首先对该变电站主控室的二次设备进行现场勘察，下面重点将电源线和通信线的雷击问题梳理如下：endprint
问题1.从交流屏有两组AC380V电源输入，两组互为备用为直流屏提供电源，站用变电源一旦受到雷击，将直接引入到二次设备，充电屏为变电站二次设备提供直流电源，其有一组AC380V交流电源由双电源自动切换装置屏接入，两者间的电源线路通过电缆层布线较长，在电缆沟内容易受到感应雷和感应过电压等攻击；
问题2.直流馈电屏有一组±HM和±KM直流馈母排输出，前者为高压场各高压开关提供拉/合闸电源，后者为变电站内各设备提供用电，前者去往高压场的合闸线路较长，±KM在电缆层内容易受到感应雷和感应过电压等攻击，过电压可能通过直流母线引入站内充电装置；
问题3.公用屏到通信室有一组4芯通道电缆、GPS天线1根（从户外接入）、4根网线（主变通道、通讯转换器、10KV和110KV通信单元）到后台的网络交换机，均存在感应雷的可能，根据防雷产品设计保护要求，虽然先前配置有防雷器件，但公用屏信号通道防雷器件存在泄流能力不足，输出雷电残压过高等问题；
问题4.网络信号电压非常低，抗过电压能力弱，后台与网络交换机间存在感应雷；
问题5.后台与五防之间有1根串口线，存在感应雷可能。
针对110KV变电站现场勘查出的上面五个重点问题，根据以下防雷标准进行防雷工程方案设计：GB50057-94《建筑物防雷设计规范》、GB50343-2004《建筑物电子信息系统防雷技术规范》、GB50174-93《电子计算机房设计规范》、DL548-94《电力系统通信站防雷运行管理规程》和GB7450-87《电子设备雷击保护导则》等。
以上五个重要问题的防雷解决方案如下：解决1.在双电源自动切换装置屏的两组AC380V進线上，分别并联一台三相电源防雷器SPD20K385C/4，为了充分保证设备安全运行和维护，还在相线上串联一个32A/3P的空开；解决2.在馈电屏的一组±HM和±KM直流电源的出线上，分别并联一台直流电源防雷器SPD10K220D，为了充分保证设备安全运行和维护，还在±线上串联一个20A/3P的空开；解决3.在GPS天线上各串联1台SPD-C-N天馈线防雷器；解决4.交换机的各条通道网线用四台SPD-N-RJ45/24组合型网络数据防雷器，对内用单个SPD-N-RJ45/8网络数据防雷器64台；解决5.直流屏与后台通讯管理机的通讯线上各串联一台SPD-N-RS232。
5 结语
在电力科学技术的发展推动下，智能变电站将对二次防雷技术的研究与应用提出更高的要求。110KV变电站二次防雷工程是一个综合工程，需要对变电站所处的环境，雷电攻击路径等有明确的认知，然后在此基础上进行防雷方案的设计和器件的选取，最后进行实际工程实施。从变电站的二次设备入手开展防雷技术的相关研究，是目前国内外智能电网防雷保护关注的重要课题，该研究为变电站二次设备安全运行提供工程借鉴，具有一定的实用价值。
参考文献
[1] 邹贵彬，高厚磊，王明军，等.一种雷电波侵入变电站的扰动识别方法[J].电网技术，2012（4）：179-183.
[2] 李俊东.变电站雷电防护与雷击事故分析[J].电力科技，2015（11）：172.
[3] 钟欣.中原油田电力设施雷电防护与雷击事故分析[J].油气田地面工程，2014（9）：63.
[4] 曾嵘，周旋，王泽众，等.国际防雷研究进展及前沿述评[J].高电压技术，2015（1）：1-13.
[5] 贺永超，张雷.变电站二次自动化系统的防雷措施探讨[J].产业与科技论坛，2012（11）：99-100.
[6] 李诚.110V变电所的雷电防护措施研究[D].华北电力大学，2014.endprint
