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[摘 要]随着微机化的发展，大量电力电子元件在变电站二次系统采用，而电力电子元件抵御过电压的能力相对比较薄弱，特别是雷击过电压对变电站二次系统的影响尤为厉害，因此，变电站从一次设备到二次设备对防雷要求均制定了相关技术标准。但是，变电站受雷击影响，造成设备损伤的事件仍然时有发生，本文就一起雷击引起500kV断路器跳闸的故障进行分析，并提出整改意见。
[关键词]变电站二次系统 断路器 操作箱 雷击
0引言
500kV某变电站附近有强烈的雷电现象，500kV线路5012、5013开关跳闸，保护装置无动作记录，调度自动化系统及变电站监控系统无任何报警记录。
1故障初步分析
查5012、5013开关操作箱均有跳闸灯亮，证明5012、5013开关跳闸时正电位从操作箱的4D100的保护三跳回路注入，但亦有可能从4D99的手跳回路注入。因为手跳继电器动作后将起动防跳继电器，其常开接点闭合后将形成分闸自保持回路，直到开关分闸后辅助接点变位才断开分闸回路，当分闸脉冲比开关辅助接点动作时间长时，跳闸信号继电器不能励磁，手跳开关不会点亮操作箱的跳闸灯，如分闸脉冲比开关辅助接点动作时间短时，跳闸信号继电器则会励磁，造成手跳开关也点亮操作箱跳闸灯。这一信息初步证明故障时跳闸脉冲从操作箱的4D99或4D100注入，这一端子排以后的回路不存在造成误跳开关的脉冲。具体回路如图1：
图1 操作箱回路原理图
5012、5013开关操作箱两组跳闸灯同时点亮，是否证明跳闸I、II回路同时有跳闸脉冲驱动？经查阅开关操作箱的厂家图发现，当跳闸I或跳闸II回路任一回路动作时，均可通过防跳继电器的两对常开接点形成跳闸I、II回路的自保持，造成开关操作箱两组跳闸灯亮，因此此信息不能证明是否跳闸I、II是否同时有跳闸脉冲驱动。
5012开关操作箱三相跳闸灯亮，而5013开关操作箱只有B、C相跳闸灯亮，证明当时A相开关没有跳闸，而造成这一现象的原因极可能是跳闸故障时操作箱收到的跳闸脉冲太短，刚好在操作箱防跳继电器的动作临界值，而由于继电器动作特性存在一定的差异，导致A相防跳继电器没有动作。这一信息证明故障时5012、5013开关操作箱在故障时收到了一个较短的跳闸脉冲。
查阅该线路主I保护、主II保护、后备保护、断路器保护、远跳保护、短引线保护、高抗保护以及故障录波系统记录均无保护动作信息及装置异常信息。5012开关三相及5013开关B、C相为同时分闸，5013开关A相经开关本体三相不一致保护动作跳闸。
2故障原因初步分析
根据对故障过程所有信息的综合判断，本次故障的原因有了初步的判断：当该线路避雷线遭雷击后，雷电流在变电站该线路高压场地注入地网，开关场地网与继保室地网之间产生电位差，导致继保室受到雷电波感应电压的干扰，并侵入部分装置的元器件中，造成5012、5013开关操作箱收到跳闸脉冲而跳开5012、5013开关。跳闸脉冲的来源有两种可能：
第一种可能是跳闸脉冲来自保护装置，虽然保护装置没有受到雷电侵入的迹象，但也不能排除保护装置发出分闸脉冲的可能。
第二种可能是跳闸脉冲来自测控屏，因为该线路线测控屏有大量遥信电缆接入开关场中，将产生较高的感应电压，并侵入测控屏内的元器件中。
而对于以上两种假设，制定以下两种检查、试验方案：
2.1跳闸脉冲来自保护装置
如果是保护装置发出的跳闸脉冲，保护装置将有相关的起动、动作记录，而且每套的动作信号均已接入录波器，而录波器内未发现有任何保护动作记录。因此重点检查该线路相关保护三跳的二次回路进行检查，判断是否有从保护二次回路产生跳闸脉冲的可能。
（1）5013开关操作箱部分元件特性测试
将继电保护测试仪调整至输出空接点状态，其接点一端接入+55V直流电源，另一端接至5013开关手跳回路的出口端子，从9ms~25ms调整测试仪输出空接点的保持时间，输出不同脉宽的正电源跳闸脉冲，检查5013开关的动作情况。
根据以上试验数据，结合故障时的各种信息，可推断出故障发生时的跳闸脉冲时间为11—12ms。如脉冲时间小于11ms，则开关无法动作，如脉冲时间大于12ms，则导致三相开关同时动作。而脉冲时间为11—12ms时正好出现B、C相跳闸而A相不跳闸的现象，与故障时一致。可推断出故障时产生的跳闸脉冲宽度正好为11—12ms。且证明双位置继电器的起动时间较手跳继电器要长。
（2）5011开关操作箱部分元件特性测试
采用与5013开关同样的测试方法可知，5011开关操作箱的手跳继电器可靠动作时间为13—14ms，当跳闸脉冲小于13ms时，开关不能动作。
（3）保护回路检查结果
各套保护至5012、5013断路器保护屏操作箱跳闸出口的电缆均为跳闸回路专用（并无与其他回路共用一条电缆的现象），且为保护室内保护屏间联系的短电缆（各条电缆两端屏蔽层均可靠接地），电缆安放路径不经过高压场地。保护二次回路与跳闸有关的部分均为110V电源，受干扰误发跳闸脉冲的可能性较小。
2.2跳闸脉冲来自测控装置
如跳闸脉冲为测控屏产生，则遥控模块光隔的PN节上串入直流高压脉冲导致出口继电器动作的可能性较大。但当高电压串入该插件时，部分芯片很有可能已损坏，而经厂家检测后确认插件所有元器件正常。这就需要对插件进行高电压串入工作电源的试验。
上述5011、5012、5013操作箱手跳回路特性测试发现：在5011、5012、5013操作箱手跳回路中当有11ms-12ms直流高压脉冲时将导致5012开关3相全跳闸，5013开关B、C相跳闸，双位置继电器动作，与事故现场开关现象一致；当有13ms-14 ms直流高压脉冲时5011开关跳闸。
根据上述对5011、5012、5013操作箱手跳回路特性测试的结果，制定遥控模块检测方案。
a、在遥控模块出口继电器励磁电源两极（光耦第5管脚与继电器第1管脚）加入15-20ms的直流高压脉冲，并将遥控模块跳闸出口节点接入故障录波监测，试验遥控模块的出口继电器是否动作。
b、在口继电器励磁电源两极（光耦第5管脚与继电器第1管脚）连接一个0.01μF/3kV电容，重复a实验，检测是否可以过滤直流高压脉冲。
遥控模块电路如图2
试验发现在5012开关、5013开关遥控回路光耦的PN结（4，5两点）上有15-20ms的直流高压脉冲时遥控模块的出口继电器动作，导通控制回路，向操作箱手跳回路发出11ms-12ms的直流高压脉冲，当电压消除后光偶恢复，无器件损坏，所有器件可正常工作。而且5012开关、5013开关遥控模块继电器动作的脉冲电压有离散现象。在口继电器励磁电源两极（光耦第5管脚与继电器第1管脚）连接一个0.01μF/3kV电容，不能过滤直流高压脉冲。
3实验室测试
在DISA910测控箱（现场运行设备同型号）装置电源输入端加入不同类型的干扰源，在遥控板+12V，Vcc及7407芯片10脚走线用示波器观察所产生的信号，遥控板电路如下：
3.1电快速瞬变脉冲群抗扰度实验
在DISA910装置电源回路加入电快速瞬变脉冲群，用示波器观察遥控板相关线路上产生的信号。
快速瞬变脉冲群概略
实验中脉冲幅度可调（最大输出脉冲电压达4kV），脉冲群产生周期可由100ms至9999ms之间调节（试验采用100ms、300ms），脉冲频率可在1kHz~5kHz之间调节（试验采用1kHz、5kHz）。
图4快速瞬变脉冲群示波器显示图
Vcc是整个电路的工作电源，长期存在5V电压，若在7407芯片的输出端产生感应电压，在感应电压参数适当时，光耦芯片MOC8050存在全部开放的可能，致使控制逻辑失效。
3.2浪涌(冲击) 抗扰度实验
在DISA910装置电源回路加入浪涌(冲击) 电源，用示波器观察遥控板相关线路上产生的信号。
浪涌(冲击) 信号波形概略
峰值电压为1kV，波头时间为50μs，每250ms产生一个波头，持续时间为1s。
图5浪涌(冲击) 信号示波器显示图
3.3实验结果初步分析
由实验结果可见一个趋势，就是在电源输入端有不同类型的干扰信号时，在DISA910装置遥控板的不同走线上都会产生相应类型的感应电压。如果由电源回路串入的干扰信号在幅值、长度及波形合适的情况下，不排除遥控板误动的可能性。
4故障结论
实验表明：在变电站DISA910装置的电源模块输入端加载不同类型的干扰信号时，在电源模块的各级输出端会产生相应的感应电压；当这些感应电压达到各点的有效幅值、并构成回路时，能影响装置的正常运行。试验中出现过装置重启的现象（与事故情况相似），和装置液晶面板多次自动亮屏。当遥控回路上的感应电压达到各点的有效幅值、并构成回路时，存在着导通遥控回路的可能。尤其作用是在光耦芯片的发光二极管两端时，将导通各级继电器的励磁回路。
综合以上分析可做如下结论：该线路避雷线遭受雷击时，雷电波侵入变电站后，在直流系统产生感应电压，由电源回路侵入测控装置，造成变电站总控A，总控C10、C13稳压管被击穿，总控CAN网，该线路高抗测控装置CAN网接口故障的现象，同时由于测控装置电源模块电磁兼容能力较低，遥控回路上的感应电压达到各点的有效幅值、并构成回路时，存在着导通遥控回路的可能。
5整改措施
5.1提高电磁兼容能力低能力
更换500kV、220kV总控装置电源模块，在500kV、220kV总控的CAN网出口芯片CANH和CANL上各加装一对稳压二极管，以提高接口芯片的耐压能力，保护CAN网芯片。
5.2更改监控控制方式
500kV断路器测控屏，由于有PT切换和三点同期功能，所以采用一个单元控制一个500kV线路的三个开关，但该屏有三个测控单元，可作如下更改:
（1）在500kV断路器测控屏增加一个PT切换装置代替现有PT切换板的功能，将PT切换后电压分别接入三个测控单元；
（2）更换现有测控装置同期程序，即将一个测控装置控制三个开关的控制模式更改为每个开关由一个测控单元控制，
（3）原各层测控单元的闭锁控制回路的板件和接线不更改；开关的手动控制回路内部接线要改动，原各单元部分控制的输出配线要更改。
（4）220kV(单点同期)和35kV线路，均采用一个单元控制一条线路开关，不需要作更改。
5.3CAN网防雷改造
在经过电缆层连接的测控装置CAN网通讯线两侧安装防雷器，更换所有测控装置屏间CAN网通讯线为有屏蔽层且两端接地。
作者简介：
高建勋：（1979－），男，山西省朔州人，电气工程师，工学学士，工程硕士，主要从事自动化通信工作。
[关键词]变电站二次系统 断路器 操作箱 雷击
0引言
500kV某变电站附近有强烈的雷电现象，500kV线路5012、5013开关跳闸，保护装置无动作记录，调度自动化系统及变电站监控系统无任何报警记录。
1故障初步分析
查5012、5013开关操作箱均有跳闸灯亮，证明5012、5013开关跳闸时正电位从操作箱的4D100的保护三跳回路注入，但亦有可能从4D99的手跳回路注入。因为手跳继电器动作后将起动防跳继电器，其常开接点闭合后将形成分闸自保持回路，直到开关分闸后辅助接点变位才断开分闸回路，当分闸脉冲比开关辅助接点动作时间长时，跳闸信号继电器不能励磁，手跳开关不会点亮操作箱的跳闸灯，如分闸脉冲比开关辅助接点动作时间短时，跳闸信号继电器则会励磁，造成手跳开关也点亮操作箱跳闸灯。这一信息初步证明故障时跳闸脉冲从操作箱的4D99或4D100注入，这一端子排以后的回路不存在造成误跳开关的脉冲。具体回路如图1：
图1 操作箱回路原理图
5012、5013开关操作箱两组跳闸灯同时点亮，是否证明跳闸I、II回路同时有跳闸脉冲驱动？经查阅开关操作箱的厂家图发现，当跳闸I或跳闸II回路任一回路动作时，均可通过防跳继电器的两对常开接点形成跳闸I、II回路的自保持，造成开关操作箱两组跳闸灯亮，因此此信息不能证明是否跳闸I、II是否同时有跳闸脉冲驱动。
5012开关操作箱三相跳闸灯亮，而5013开关操作箱只有B、C相跳闸灯亮，证明当时A相开关没有跳闸，而造成这一现象的原因极可能是跳闸故障时操作箱收到的跳闸脉冲太短，刚好在操作箱防跳继电器的动作临界值，而由于继电器动作特性存在一定的差异，导致A相防跳继电器没有动作。这一信息证明故障时5012、5013开关操作箱在故障时收到了一个较短的跳闸脉冲。
查阅该线路主I保护、主II保护、后备保护、断路器保护、远跳保护、短引线保护、高抗保护以及故障录波系统记录均无保护动作信息及装置异常信息。5012开关三相及5013开关B、C相为同时分闸，5013开关A相经开关本体三相不一致保护动作跳闸。
2故障原因初步分析
根据对故障过程所有信息的综合判断，本次故障的原因有了初步的判断：当该线路避雷线遭雷击后，雷电流在变电站该线路高压场地注入地网，开关场地网与继保室地网之间产生电位差，导致继保室受到雷电波感应电压的干扰，并侵入部分装置的元器件中，造成5012、5013开关操作箱收到跳闸脉冲而跳开5012、5013开关。跳闸脉冲的来源有两种可能：
第一种可能是跳闸脉冲来自保护装置，虽然保护装置没有受到雷电侵入的迹象，但也不能排除保护装置发出分闸脉冲的可能。
第二种可能是跳闸脉冲来自测控屏，因为该线路线测控屏有大量遥信电缆接入开关场中，将产生较高的感应电压，并侵入测控屏内的元器件中。
而对于以上两种假设，制定以下两种检查、试验方案：
2.1跳闸脉冲来自保护装置
如果是保护装置发出的跳闸脉冲，保护装置将有相关的起动、动作记录，而且每套的动作信号均已接入录波器，而录波器内未发现有任何保护动作记录。因此重点检查该线路相关保护三跳的二次回路进行检查，判断是否有从保护二次回路产生跳闸脉冲的可能。
（1）5013开关操作箱部分元件特性测试
将继电保护测试仪调整至输出空接点状态，其接点一端接入+55V直流电源，另一端接至5013开关手跳回路的出口端子，从9ms~25ms调整测试仪输出空接点的保持时间，输出不同脉宽的正电源跳闸脉冲，检查5013开关的动作情况。
根据以上试验数据，结合故障时的各种信息，可推断出故障发生时的跳闸脉冲时间为11—12ms。如脉冲时间小于11ms，则开关无法动作，如脉冲时间大于12ms，则导致三相开关同时动作。而脉冲时间为11—12ms时正好出现B、C相跳闸而A相不跳闸的现象，与故障时一致。可推断出故障时产生的跳闸脉冲宽度正好为11—12ms。且证明双位置继电器的起动时间较手跳继电器要长。
（2）5011开关操作箱部分元件特性测试
采用与5013开关同样的测试方法可知，5011开关操作箱的手跳继电器可靠动作时间为13—14ms，当跳闸脉冲小于13ms时，开关不能动作。
（3）保护回路检查结果
各套保护至5012、5013断路器保护屏操作箱跳闸出口的电缆均为跳闸回路专用（并无与其他回路共用一条电缆的现象），且为保护室内保护屏间联系的短电缆（各条电缆两端屏蔽层均可靠接地），电缆安放路径不经过高压场地。保护二次回路与跳闸有关的部分均为110V电源，受干扰误发跳闸脉冲的可能性较小。
2.2跳闸脉冲来自测控装置
如跳闸脉冲为测控屏产生，则遥控模块光隔的PN节上串入直流高压脉冲导致出口继电器动作的可能性较大。但当高电压串入该插件时，部分芯片很有可能已损坏，而经厂家检测后确认插件所有元器件正常。这就需要对插件进行高电压串入工作电源的试验。
上述5011、5012、5013操作箱手跳回路特性测试发现：在5011、5012、5013操作箱手跳回路中当有11ms-12ms直流高压脉冲时将导致5012开关3相全跳闸，5013开关B、C相跳闸，双位置继电器动作，与事故现场开关现象一致；当有13ms-14 ms直流高压脉冲时5011开关跳闸。
根据上述对5011、5012、5013操作箱手跳回路特性测试的结果，制定遥控模块检测方案。
a、在遥控模块出口继电器励磁电源两极（光耦第5管脚与继电器第1管脚）加入15-20ms的直流高压脉冲，并将遥控模块跳闸出口节点接入故障录波监测，试验遥控模块的出口继电器是否动作。
b、在口继电器励磁电源两极（光耦第5管脚与继电器第1管脚）连接一个0.01μF/3kV电容，重复a实验，检测是否可以过滤直流高压脉冲。
遥控模块电路如图2
试验发现在5012开关、5013开关遥控回路光耦的PN结（4，5两点）上有15-20ms的直流高压脉冲时遥控模块的出口继电器动作，导通控制回路，向操作箱手跳回路发出11ms-12ms的直流高压脉冲，当电压消除后光偶恢复，无器件损坏，所有器件可正常工作。而且5012开关、5013开关遥控模块继电器动作的脉冲电压有离散现象。在口继电器励磁电源两极（光耦第5管脚与继电器第1管脚）连接一个0.01μF/3kV电容，不能过滤直流高压脉冲。
3实验室测试
在DISA910测控箱（现场运行设备同型号）装置电源输入端加入不同类型的干扰源，在遥控板+12V，Vcc及7407芯片10脚走线用示波器观察所产生的信号，遥控板电路如下：
3.1电快速瞬变脉冲群抗扰度实验
在DISA910装置电源回路加入电快速瞬变脉冲群，用示波器观察遥控板相关线路上产生的信号。
快速瞬变脉冲群概略
实验中脉冲幅度可调（最大输出脉冲电压达4kV），脉冲群产生周期可由100ms至9999ms之间调节（试验采用100ms、300ms），脉冲频率可在1kHz~5kHz之间调节（试验采用1kHz、5kHz）。
图4快速瞬变脉冲群示波器显示图
Vcc是整个电路的工作电源，长期存在5V电压，若在7407芯片的输出端产生感应电压，在感应电压参数适当时，光耦芯片MOC8050存在全部开放的可能，致使控制逻辑失效。
3.2浪涌(冲击) 抗扰度实验
在DISA910装置电源回路加入浪涌(冲击) 电源，用示波器观察遥控板相关线路上产生的信号。
浪涌(冲击) 信号波形概略
峰值电压为1kV，波头时间为50μs，每250ms产生一个波头，持续时间为1s。
图5浪涌(冲击) 信号示波器显示图
3.3实验结果初步分析
由实验结果可见一个趋势，就是在电源输入端有不同类型的干扰信号时，在DISA910装置遥控板的不同走线上都会产生相应类型的感应电压。如果由电源回路串入的干扰信号在幅值、长度及波形合适的情况下，不排除遥控板误动的可能性。
4故障结论
实验表明：在变电站DISA910装置的电源模块输入端加载不同类型的干扰信号时，在电源模块的各级输出端会产生相应的感应电压；当这些感应电压达到各点的有效幅值、并构成回路时，能影响装置的正常运行。试验中出现过装置重启的现象（与事故情况相似），和装置液晶面板多次自动亮屏。当遥控回路上的感应电压达到各点的有效幅值、并构成回路时，存在着导通遥控回路的可能。尤其作用是在光耦芯片的发光二极管两端时，将导通各级继电器的励磁回路。
综合以上分析可做如下结论：该线路避雷线遭受雷击时，雷电波侵入变电站后，在直流系统产生感应电压，由电源回路侵入测控装置，造成变电站总控A，总控C10、C13稳压管被击穿，总控CAN网，该线路高抗测控装置CAN网接口故障的现象，同时由于测控装置电源模块电磁兼容能力较低，遥控回路上的感应电压达到各点的有效幅值、并构成回路时，存在着导通遥控回路的可能。
5整改措施
5.1提高电磁兼容能力低能力
更换500kV、220kV总控装置电源模块，在500kV、220kV总控的CAN网出口芯片CANH和CANL上各加装一对稳压二极管，以提高接口芯片的耐压能力，保护CAN网芯片。
5.2更改监控控制方式
500kV断路器测控屏，由于有PT切换和三点同期功能，所以采用一个单元控制一个500kV线路的三个开关，但该屏有三个测控单元，可作如下更改:
（1）在500kV断路器测控屏增加一个PT切换装置代替现有PT切换板的功能，将PT切换后电压分别接入三个测控单元；
（2）更换现有测控装置同期程序，即将一个测控装置控制三个开关的控制模式更改为每个开关由一个测控单元控制，
（3）原各层测控单元的闭锁控制回路的板件和接线不更改；开关的手动控制回路内部接线要改动，原各单元部分控制的输出配线要更改。
（4）220kV(单点同期)和35kV线路，均采用一个单元控制一条线路开关，不需要作更改。
5.3CAN网防雷改造
在经过电缆层连接的测控装置CAN网通讯线两侧安装防雷器，更换所有测控装置屏间CAN网通讯线为有屏蔽层且两端接地。
作者简介：
高建勋：（1979－），男，山西省朔州人，电气工程师，工学学士，工程硕士，主要从事自动化通信工作。