变电站二次系统防雷技术分析

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  【摘 要】 雷电是危害变电站供电场的重要因素之一,尤其是近年来随着变电站自动化积蓄的提高,变电站二次系统设备的增多,雷害对二次设备危害越必突出。为了保证变电站供电的安全性,就必须对二次系统采取一定的防雷措施。本文就简要的分析了变电站二次系统的防雷技术。
  【关键词】 变电站;二次系统;防雷;技术
  1 变电站二次系统交、直流电源防雷
  雷电引起的瞬态高电压,如果不加遏制,直接由电源线引入二次系统,会影响其电源模块正常工作,使各功能模块的工作电压升高而工作不正常,严重时甚至会损坏模块,烧坏元器件。并直接传导到用电终端屏柜,对站内共用屏、运动屏、测控屏等重要设备造成损害。
  目前为止,电源防雷必须分三级以上的防护这个概念已经获得防雷业的普遍认同,并已编入众多国际标准、国际、行业标准和规范当中。但对该三级或以上的电源防雷器的安装位置却存在不同的意见。根据本人对变电站防雷的认识以及运行经验,比较认同以下方案:首先,B级防雷器采用大通流容量的间隙型SPD,并联安装在站用变输出到站用屏的低压电源线缆上,B级的电源防雷器处最好能安装雷电环境监测设备,该设备需具备三相电压实时监控、零地漂移电压监控、雷击计数、雷击发生时间记录、雷击强度监控以及对B级电源防雷器的实时监控,具备声光报警功能。从而,通过该设备对整个变电站二次系统的雷电环境有一個整体的监控认识;C级防雷器采用中等通流容量的限压型SPD,并联安装在控制室内的充电屏、UPS的电源输入端;D级防雷器采用通流容器量较小的限压型SPD,并联安装在直流和交流馈线输出的电源线路上即终端用电屏柜的电源输入端,安装位置一般在屏柜内的适当位置,采用导轨安装的方式比较适合。同时,为了安装、运行维护以及安全的角度考虑,对于限压型SPD来说,一般要求标准35mm导轨安装,可在线热拔插,具备劣化指示、自动脱扣等功能,同时还应具备遥讯功能,以便于日后综合集中管理。安装模块化SPD时必须符合国际标准在其前端安装容量相匹配的空气开关,空气开关在此处能起到维护简便和中断短路电流的作用。
  2 信号线引入雷电
  由雷电引起信号线两端设备之间电位差直接作用于相对脆弱的信号接口,会损坏二次系统及与其通信的设备的端口,严重进会损坏整个功能板。由于大部分信号线径一般较为细小,基本上不足以承受直击雷产生的过电流,因此大部分信号线引起的瞬态过电压一般是通过雷电感应形成。信号部分最为常见的雷害包括自动化设备与后台机或调度系统的网络端口、继保设备与调度设备的485通信接口、自动化系统中模拟或数字通道信号端口、远程监控系统中视频信号端口等,在笔者对多个站点的查勘中,前面所述的几个部分都是比较最常见受雷击的部位,经则端口损坏,造成通讯中止,重则除通讯中止外,有明显的雷击灼烧痕迹,设备损毁。
  由于信号线缆特点,其信号SPD一般只适合采用串联连接,则有两个方面的问题:(1)信号SPD必须具备防雷功能,能对设备的信号端口进行防护;(2)信号SPD串联安装在线路上后,不能影响原有信号的传输质量。这就要求信号SPD与系统的工程界面一致,因此包括原有系统的工作电平、工作频率、传输速率、允许的插入损耗、设备端口接口形式等等这些参数都必须作为信号SPD选择依据,也就是说信号SPD相对应的这些参数必须与上述的参数完全一致。
  信号SPD也应该考虑到安装美观、维护便捷。如在屏柜中需保护的信号线路较多时,我们可采用19寸机架式专用防雷单元盒,进行安装防护。
  个人认为,站内二次系统中的通信模块与后台机的以太网传输信号、测控RS485通信线路、RS232控制线路、远支通道信号等较易遭受雷击,以及通讯系统中的传输设备数字信号部分、模拟信号部分和遥视系统中的视频监控信号部分也易遭受雷击,因此,主要针对这些信号线路针对端口进行防护,安装信号SPD。其中PT/CT互感信号因为设备的耐压水平较高,并且线路过于繁多,不具备全部安装SPD的可行性,因此,可挑选该类信号的部分重要端口进行防护,安装SPD。电力载波信号部分也可酌情安装SPD。
  另外,如今的变电站通讯系统的对外信号线路一般为光纤引入,如果光缆采用金属加强芯,则雷电波极易由金属加强芯侵入通讯系统中,对站内传输设备造成损坏。所以,在光缆入室前,必须要将光缆中的金属加强芯有效接地后,方能将光缆引入传输设备。如果对外信号线路不是采用光纤传输,而是采用同轴信号电缆,则必须将该同轴信号做好屏蔽措施,并且安装同轴信号SPD。
  3 变电站二次系统的防雷接地
  变电站的接地好坏直接关系到设备和人身的安全,因而越来越受到人们的重视,因为变电站的接地网不但要满足工频短路电流的要求,还要满足雷电冲击电流的要求。以前由于接地网的缺陷,曾发生了不少事故,事故的原因既有地网接地电阻方面的问题,又有地网均压方面的问题。随着电网的发展,特别是变电站二次系统的内微机保护、综合自动化装置的大量应用,这样弱电元件对接地网的要求更高,地电位的干扰对监控和自动化装置的影响不得不引起人们的重视。为了保证变电站内二次设备和微机自控装置的安全稳定运行,对变电站的接地网必须着重解决以下问题。
  (1)接地网的接地电阻问题,因为它直接关系到工频接地短路和雷电流入时地电位的升高。
  (2)地网均压问题,特别是接地网的局部容易向电缆沟内的电缆产生反击造成控制保护设备的损坏引发恶性事故。
  (3)设备接地问题,特别严重的是有的防雷设备,如避雷线、避雷器的接地不好,会产生很高的残压和反击过电压。
  (4)接地线的热稳定问题,如果接地线的热稳定达不到要求,在接地短路电流流过时,就会把接地线烧断,造成设备外壳带电,不容易发生高压向保护和控制线反击。
  (5)接地网的腐蚀问题,由于接地装置在地下运行,故运行条件恶劣,特别是在一些潮湿和有害气体存在的地方,或地壤呈酸性的地方最容易发生腐蚀。腐蚀接地网的电气参数会发生变化,甚至会造成电气设备的接地与地网之间,地网各部分之间形成电气上的开路,因而应受到特别的重视。   3.1变电站二次系统接地的一般要求
  3.1.1有效接地系统和低电阻接地系统
  有效接地系统和低电阻接地系统中变电站电气装置保护接地的接地电阻应符合下列要求。
  (1)一般情况下,接地装置的接地电阻应符合下式要求
  R≦2000/I
  式中R——考虑到季节变化的最大接地电阻,Ω;
  I——流经接地装置的入地短路电流A。
  式中计算用流经接地装置的入地短路电流采用在接地网内、外短路时,经接地装置注入地中的最大短路电流对称分量最大值,该电流应按5~10年发展后的系统最大运行方式确定,并应考虑系统中各接地中性点间的短路电流分配,以及避雷线中分走的接地短路电流。
  变电站内外发生接地短路时,流经接地装置的电流可分另按下式计算
  I=(Imax-In)(1-Ke1)
  I=In(1-Ke2)
  式中I——入地短路电流,A;
  Imax——发生接短路时的最大接地短路电流,A;
  In——发生最大接地短路电流时,流经发变电站所接地中性点的最大接地短路电流,A;
  Ke1、Ke2——分别为变电站内或外知足时,避雷线的工频分流系数。
  计算用入地短路电流取两式中较大的I值。
  (2)当接地网的接地电阻由于受条件限制,比如土壤电阻率较高,又没法扩大地网,地下又没有可以利用的地层时,可以通过技术经济比较,适当增大接地电阻,但不得大于5欧姆,其人工接地网及有关电气装置应符合下列要求:
  ①为防止转移电位引起的危害,对可能将接地网的高电位引向厂、所内接地,改在厂、所外适当的地方接地;通向厂、所外的管道采用绝缘段、铁路轨道分别在两处加绝缘鱼尾板等等。
  ②考虑短路电流非周期分量的影响,当接地网电位升高时,发变电站内的3~10KV阀式避雷器不应动作或动作后应承受被赋予的能量。
  ③设计接地网时,应验算接触电压和跨步电压。
  3.1.2不接地、消弧圈接地和高电阻接地系统
  不接地、消弧线圈接地和高电阻接地系统中,变电站二次系统电气装置保护接地的接地电阻应符合下列要求。
  (1)高压与变电站电力生产用低压电气装置共用的接地装置应符合下式要求
  R≦120/I
  但应不大于4欧姆。
  (2)高压电气装置的接地装置,应符合下式要求
  R≦250/I
  式中R——考虑到季节变化的最大接地电阻,Ω;
  I——计算用的接地故障电流,A。
  但不宜大于10欧姆。
  应注意,变电站的接地电阻值,可包括引进线路的避雷线接地装置的散流作用。
  (3)消弧线圈接地系统中,计算用的接地故障电流应采用下列数值:
  ①对于装有消弧线圈的变电站二次系统电气装置的接地装置,计算电流等于接在同一接地装置中同一系统各消弧圈额定电流总和的1.25倍;
  ②对于不装消弧线圈的变电站二次系统电气装置的接地装置计算电流,等于系统中断开最大一台消弧线圈或系统中最长线路被切除时的最大可能残余电流值。
  (4)在高土壤电阻率地区的接地电阻不应大于30Ω,且应符合跨步电压和接触电压的要求。
  3.1.3变电站二次系统电气装置雷电保护接地的接地电阻
  (1)独立避雷针(含悬挂独立避雷线的架构)的接地电阻。在土壤电阻率不大于500Ω·m的地区不应大于10Ω;在高土壤电阻率地区的接地电阻,如接地电阻难于降到10Ω,允许采用较高的电阻值,但空气中和地中距离必须符合下列要求:
  ①独立避雷针与配电装置带电部分、变电站电气设备接地部分、架构接地部分之间的空气中距离,应符合下列要求:
  Sa≧0.2Ri+0.1h
  式中Sa——空气中的距离,m;
  Ri——避雷针的冲击接地电阻,Ω;
  H——避雷针校验点的高度,m。
  ②独立避雷针的接地装置与变电站接地网的地中距Se应符合下式要求
  Se≧0.3Ri
  式中Se——地中距离。
  如不能满足上式时,避雷针的接地装置也可与主接地网连接,但避雷针与主接地网的地下连接点到35KV及以下设备与主接地网的地下连接点之间,沿接地体的长度不得小于15m。
  (2)變压器门型构架上的避雷针、线的接地电阻。在变压器门型架构上和在离变压器主接地线小于15m的配电装置的架构上,当土壤电阻率大于350Ω·m,不允许装设避雷针、避雷线;如不大于350Ω·m,则应根据方案比较经济效益,并经过计算后采用相应的防止反击措施,并至少遵守下列规定,方可在变压器门型架构上装设避雷针、避雷线。
  ①装在变压器门型架构上的避雷针与地网连接,并应沿不同方向引出3~4根放射型水平接地体。在每根水平接地体上离避雷针架构3~5m处装设一根垂直接地体。
  ②直接在3~35KV变压器的所有绕组出线上或在离变压器电气距离不大于5m的条件下装设阀式避雷器。
  高压侧电压为35KV的变电站,在变压器门型架构上装设避雷针时,变电站接地电阻不应超过4Ω(不包括架构基础的接地电阻)。
  3.2变电站的接地网均压要求
  确定发变电站二次系统接地装置的形式和布置时,考虑保护接地的要求,应降低接触电位差和跨步电位差,并应符合下列要求:
  (1)在110KV及以上有效接地系统和6~35KV低电阻接地系统,发生单相接地或异点两相接地时,变电站二次系统接地装置的接触电位差和跨步电位差不应超过下列数值
  式中 ——接触电位差,V;
   ——跨步电位差,V;
   ——人脚站立处地表面的土壤电阻率,Ω·m;
  t——接地短路(故障)电流持续时间,s。
  (2)3~66KV不接地、经消弧线圈接地和高电阻接地系统,发生单相接地故障后,当不迅速切除故障时,变电站二次系统接地装置的接触电位差和跨步电位差不应超过下列数值
  (3)在条件特别恶劣的场所,例如水田中,接触电位差和跨电位差的允许值宜适当降低。
  3.3变电站二次系统地网的形式要求
  变电站装置的接地装置,除了利用自然接地极外,应敷设以水平接地体为主的人工接地网。
  人工接地网的外缘应闭合,外缘各角应做成圆弧形,圆弧的半径不宜小于均压带间距的一半。接地网内应敷设水平均压带。接地网的埋设深度不宜小于0.6m,有条件的埋设在1m以下。北方冻土区应埋设在冻土以下。
  接地网可采用长孔网或方孔网,但方孔网的均压,特别是在冲击电流作用下的均压效果要好的多。
  接地网的均压还可采用等距或不等距布置。
  35KV以上变电站接地网边缘经常有人出入的走道处,应敷设烁石、沥青路面或在地下装设两条与地网相连的均压带。
  4 结束语
  综上所述,变电站的防雷工程是一个复杂的工程,要想保证变电站电力系统的安全性和稳定性,除了要对二次系统采取合理的防雷措施外,还要加强日常的管理、检测和维护工作,以确保变电站的正常运行。
  参考文献:
  [1]王勇黄少先李宁波变电站二次设备防雷保护的研究机电工程技术2009(05)
  [2]田志岗李建明文丽郭强二次系统防雷接地特性现场测试方法研究电气技术2013(04)
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