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[摘要]介绍电力调度自动化系统防雷新技术：电源系统等电位技术和避雷器残压衰减技术。
[关键词]电力调度自动化 防雷技术 隔离变压器 中和变压器
中图分类号：TP2 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2008）1110129－02
一、引言
随着电力系统容量的增加和自动化水平的不断提高，电力调度自动化系统已广泛使用计算机、RTU等微电子设备。县级电力调度及其变电站由于其所在地土壤电阻率较高或地处山区等，其地网的接地电阻往往很难达到规程的要求，其防雷工作更需引起重视。由于一些微电子器件工作电压仅几伏，传递信息电流小至微安级，对外界的干扰极其敏感，而雷电流产生的瞬变电磁场对微电子设备的干扰和损害尤为严重。在雷雨季节，有些县电力公司调度大楼和电力公司所属自动化显示系统、通信联络系统（Modem、载波机、程控交换机等）等常常遭到雷击，造成较大的经济损失，严重影响当地电力系统的正常调度、工农业生产和人民的日常生活。尽管有些电力调度自动化系统采取了一定的防雷措施，但其效果并不理想，仍然经常发生雷害事故。本文通过在县级电力调度自动化系统防雷的实践，提出调度自动化设备的现代防雷技术。
二、感应过电压的产生过程
在雷云对地放电过程中，放电通道周围空间电场急剧变化，并在邻近的导线上产生感应过电压，它包含静电感应和电磁感应两个分量。
图1(a)中，在有负电荷雷云的先导放电阶段，由于静电感应，在导线表面电场强度E的切向分量Ex的驱动下，与雷云异号的正电荷被吸引到靠近先导通道的一段导线上排列成束缚电荷，而导线中负电荷则被排斥到导线两侧远方或经线路的泄漏电导和系统的中性点逸入大地。
图1(b)中，主放电开始以后，先导通道中的负电荷自下而上被迅速中和，由雷击所造成的静电场突然消失，于是输电线路上的束缚电荷就变成了自由电荷，所形成的电压波迅速向线路两侧传播。由此形成的电流i乘以线路波阻Z，即为向两侧运动的静电感应过电压的流动波u=iZ。
（一）感应过电压的两个分量
（1）静电分量：因先导通道中电荷突然中和而引起的感应过电压，如图1(b)所示。
（2）电磁分量：当发生主放电时，伴随着雷电流冲击波，在放电通道周围空间产生强大的电磁脉冲场，它的磁通若有与导线铰链的情况，就会在导线中感应出一定的电压，称为感应雷过电压的电磁分量 。
由于主放电通道与导线基本上是互相垂直，互感不大。其次，主放电速度为光速的（1/20～1/2)，因此电磁感应分量不会很大。因此，电磁感应分量要比静电感应分量小很多，约为后者的1/5。考虑到这两种分量出现最大值的时刻不同，故在感应雷过电压幅值的构成上，静电感应分量将起主要作用。
（二）感应雷过电压特点
（1）极性与雷云电荷相反，即通常为正极性；
（2）因各相导线的平均高度相差不大（或相等），感应雷过电压各相基本相等，所以不会造成相间过电压；
（3）由感应雷过电压的形成过程可知，其波形较为平缓，波前由几微秒至几十微妙，波长可达数百微秒[1]。
三、雷电入侵通道
雷电直接击在变电所设备上，这种情况几率比较小，因为设计和施工的时候都会考虑到安装独立的避雷针，避雷带和避雷网。
雷电可能沿着电源线入侵，雷电波沿线路侵入到变电所，如避雷器动作，则是避雷器残压叠加后，通过所用变的电磁感应耦合到低压网络，使微机保护、综合自动化的电源模块损坏的。此时，低压电网过电压的幅值主要与避雷器的残压，避雷器与变压器距离和避雷器接地引下线的长度有关。
雷电可能沿着通讯线入侵，雷电引起的过电压在通信线路与设备之间有一定电位差直接作用于串行通信口（RS232/422/485等），根本原因是在400V低压电源侧缺少必要的防雷保护措施，特别是缺少相应电压等级的避雷器保护，使低压网络中的雷电过电压得不到有效的限制。同时，雷电对微机监控系统、调度自动化系统和通信系统的电源又沒有与其他电源分离，或采取特别的防止雷电干扰的措施而使雷害事故发生。
雷电感应时常发生，通过35kV或10kV高压感应到400V的低压线路。如低压网络较大，或有低压架空线路时，当雷电在其近区活动时，会在400V低压网络上感应出较高的过电压而打坏接在低压电网上的微机保护、综合自动化系统，调度系统或通信系统的电源部分。[2]
此外，雷电还通过反击、截波以及倒灌等方式作用在设备上，如图2所示。
四、目前二次设备防雷存在的问题
（一）MOV残压与二次设备耐压值配合不合理
由于目前的制造工艺有限，使得避雷器的残压比额定电压高６倍。例如在220伏线路上使用的低压避雷器残压为1.3千伏,而一些敏感芯片的耐压值仅为6-10伏，其残压值极大地超过了芯片的安全电压。[3]
（二）MOV动作时引起截波过电压
避雷器在动作时电压下调（截波），通过避雷器安装点到二次设备端之间导线的电感与二次设备输入端对地电容构成谐振回路。截波通过该谐振回路会产生很高的过电压（截波过电压）。
五、针对问题的对策
（一）电源系统等电位技术
IEC1024规定：为实现雷击保护电位均衡，应采用均压等电位导体或过电压保护器，将处于被保护空间中的外部避雷装置、建筑物钢筋架、安装设备、各种导电体、供电及通信设备等连接在一起。当雷击时，地网电位升高φ=IRch=100kA×2Ω=200kV，水平方向的电位以1kV/m下降。由于二次设备所用电源都是由变电站的站用变压器所供给，站内各二次设备分布在不同位置，而设备外壳则是就近接地，电源中性点与设备外壳间的电位差引发反击,如图3所示。由电源系统造成巨大的电位差，导致反击和“倒灌”的发生。
电位差计算：
①三个设备外壳电位分别为：Φ(A,B,C)=IR－L(1,2,3)ε
②而电源的电位为：ΦD=IR－L4ε
③设备外壳与电源电位差为：ΔΦ= Φ(A,B,C)－ΦD
注：ε为电压降常数，1kV/m
各二次设备与电源系统的电位差数据表如下：
解决办法：二次设备用电源通过1:1的隔离变压器向二次设备供电，使被保护对象的各部位尽可能构成等电位，从而杜绝电位差对电子设备造成的损害。如图4所示。
隔离变压器的作用：
（1）电位浮动：二次设备用电源通过1:1隔离变压器向二次设备供电。实现二次设备局部地网电位“浮动”，利用“水涨船高”原理消除反击。
（2）雷电波隔离：通过隔离变压器初、次级开路的原理对沿电源入侵的雷电波实现隔离，被隔离的雷电能量经隔离变初、次级的避雷器入地。
（二）避雷器残压衰减技术
针对避雷器残压远远大于二次设备芯片耐雷水平的情况，可采用一种新型的中和变压器对其进行衰减。
该中和变压器由一环形铁心和绕在铁心上的线圈组成。如图5所示：
新型中和变压器的工作原理：
一般情况下，中和变压器是在差模输入的状态，产生的感应电势方向相反相互抵消，对于二次系统无任何影响。
当雷电入侵时，变压器是在共模输入的状态，雷电流经避雷器进行泄放，在线圈里会感应出很高的电势，这部分的变化电压抵消部分残压，以达到降低残压的目的。
U输出=U入残压－ΔＵ……(1)
而ΔＵ=Ｌ(di/dt)
此时两线圈中的电流方向相同，则
Φ=Φ1 +Φ2……………(2)
所以总电感值为：L=L1+L2+2M
注：两线圈的互感系数M由磁通量和雷电流决定
雷电流的陡度是非常大的，根据式(1)、(2)则可明显看到中和变压器输出给二次系统的电压有很大减低。[4]
此外，使用中和变压器还能消除直接使用避雷器而产生的截波过电压。
六、结论
随着电力调度自动化系统电脑通信设备的大规模使用，雷电造成的危害越来越严重，以往的防护体系已不能满足电脑通信网络安全的要求。我们应从防直击雷，防感应雷电波侵入，防雷电电磁感应，防地电位反击等多方面作系统综合考虑。严格按防雷接地规程办事，应用新技术新装置，采用电源系统等电位技术和避雷器残压衰减技术是确保电力调度自动化系统极大减少雷害的重要手段。
参考文献：
[1]唐兴祚编著，高电压技术，重庆大学出版社，1991.
[2]王剑、张学鹏，输电线路防雷改进措施的研究[J].华北电力技术，1998（10）：1-5.
[3]周泽存等编著，高电压技术，中国电力出版社，2004.
[4]现代防雷新技术，王巨丰，2007.7.
作者简介：
覃兆高，男，广西水利电业集团有限公司荔浦供电分公司；黄勇，男，广西桂林，水利电业集团有限公司荔浦供电分公司。
[关键词]电力调度自动化 防雷技术 隔离变压器 中和变压器
中图分类号：TP2 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2008）1110129－02
一、引言
随着电力系统容量的增加和自动化水平的不断提高，电力调度自动化系统已广泛使用计算机、RTU等微电子设备。县级电力调度及其变电站由于其所在地土壤电阻率较高或地处山区等，其地网的接地电阻往往很难达到规程的要求，其防雷工作更需引起重视。由于一些微电子器件工作电压仅几伏，传递信息电流小至微安级，对外界的干扰极其敏感，而雷电流产生的瞬变电磁场对微电子设备的干扰和损害尤为严重。在雷雨季节，有些县电力公司调度大楼和电力公司所属自动化显示系统、通信联络系统（Modem、载波机、程控交换机等）等常常遭到雷击，造成较大的经济损失，严重影响当地电力系统的正常调度、工农业生产和人民的日常生活。尽管有些电力调度自动化系统采取了一定的防雷措施，但其效果并不理想，仍然经常发生雷害事故。本文通过在县级电力调度自动化系统防雷的实践，提出调度自动化设备的现代防雷技术。
二、感应过电压的产生过程
在雷云对地放电过程中，放电通道周围空间电场急剧变化，并在邻近的导线上产生感应过电压，它包含静电感应和电磁感应两个分量。
图1(a)中，在有负电荷雷云的先导放电阶段，由于静电感应，在导线表面电场强度E的切向分量Ex的驱动下，与雷云异号的正电荷被吸引到靠近先导通道的一段导线上排列成束缚电荷，而导线中负电荷则被排斥到导线两侧远方或经线路的泄漏电导和系统的中性点逸入大地。
图1(b)中，主放电开始以后，先导通道中的负电荷自下而上被迅速中和，由雷击所造成的静电场突然消失，于是输电线路上的束缚电荷就变成了自由电荷，所形成的电压波迅速向线路两侧传播。由此形成的电流i乘以线路波阻Z，即为向两侧运动的静电感应过电压的流动波u=iZ。
（一）感应过电压的两个分量
（1）静电分量：因先导通道中电荷突然中和而引起的感应过电压，如图1(b)所示。
（2）电磁分量：当发生主放电时，伴随着雷电流冲击波，在放电通道周围空间产生强大的电磁脉冲场，它的磁通若有与导线铰链的情况，就会在导线中感应出一定的电压，称为感应雷过电压的电磁分量 。
由于主放电通道与导线基本上是互相垂直，互感不大。其次，主放电速度为光速的（1/20～1/2)，因此电磁感应分量不会很大。因此，电磁感应分量要比静电感应分量小很多，约为后者的1/5。考虑到这两种分量出现最大值的时刻不同，故在感应雷过电压幅值的构成上，静电感应分量将起主要作用。
（二）感应雷过电压特点
（1）极性与雷云电荷相反，即通常为正极性；
（2）因各相导线的平均高度相差不大（或相等），感应雷过电压各相基本相等，所以不会造成相间过电压；
（3）由感应雷过电压的形成过程可知，其波形较为平缓，波前由几微秒至几十微妙，波长可达数百微秒[1]。
三、雷电入侵通道
雷电直接击在变电所设备上，这种情况几率比较小，因为设计和施工的时候都会考虑到安装独立的避雷针，避雷带和避雷网。
雷电可能沿着电源线入侵，雷电波沿线路侵入到变电所，如避雷器动作，则是避雷器残压叠加后，通过所用变的电磁感应耦合到低压网络，使微机保护、综合自动化的电源模块损坏的。此时，低压电网过电压的幅值主要与避雷器的残压，避雷器与变压器距离和避雷器接地引下线的长度有关。
雷电可能沿着通讯线入侵，雷电引起的过电压在通信线路与设备之间有一定电位差直接作用于串行通信口（RS232/422/485等），根本原因是在400V低压电源侧缺少必要的防雷保护措施，特别是缺少相应电压等级的避雷器保护，使低压网络中的雷电过电压得不到有效的限制。同时，雷电对微机监控系统、调度自动化系统和通信系统的电源又沒有与其他电源分离，或采取特别的防止雷电干扰的措施而使雷害事故发生。
雷电感应时常发生，通过35kV或10kV高压感应到400V的低压线路。如低压网络较大，或有低压架空线路时，当雷电在其近区活动时，会在400V低压网络上感应出较高的过电压而打坏接在低压电网上的微机保护、综合自动化系统，调度系统或通信系统的电源部分。[2]
此外，雷电还通过反击、截波以及倒灌等方式作用在设备上，如图2所示。
四、目前二次设备防雷存在的问题
（一）MOV残压与二次设备耐压值配合不合理
由于目前的制造工艺有限，使得避雷器的残压比额定电压高６倍。例如在220伏线路上使用的低压避雷器残压为1.3千伏,而一些敏感芯片的耐压值仅为6-10伏，其残压值极大地超过了芯片的安全电压。[3]
（二）MOV动作时引起截波过电压
避雷器在动作时电压下调（截波），通过避雷器安装点到二次设备端之间导线的电感与二次设备输入端对地电容构成谐振回路。截波通过该谐振回路会产生很高的过电压（截波过电压）。
五、针对问题的对策
（一）电源系统等电位技术
IEC1024规定：为实现雷击保护电位均衡，应采用均压等电位导体或过电压保护器，将处于被保护空间中的外部避雷装置、建筑物钢筋架、安装设备、各种导电体、供电及通信设备等连接在一起。当雷击时，地网电位升高φ=IRch=100kA×2Ω=200kV，水平方向的电位以1kV/m下降。由于二次设备所用电源都是由变电站的站用变压器所供给，站内各二次设备分布在不同位置，而设备外壳则是就近接地，电源中性点与设备外壳间的电位差引发反击,如图3所示。由电源系统造成巨大的电位差，导致反击和“倒灌”的发生。
电位差计算：
①三个设备外壳电位分别为：Φ(A,B,C)=IR－L(1,2,3)ε
②而电源的电位为：ΦD=IR－L4ε
③设备外壳与电源电位差为：ΔΦ= Φ(A,B,C)－ΦD
注：ε为电压降常数，1kV/m
各二次设备与电源系统的电位差数据表如下：
解决办法：二次设备用电源通过1:1的隔离变压器向二次设备供电，使被保护对象的各部位尽可能构成等电位，从而杜绝电位差对电子设备造成的损害。如图4所示。
隔离变压器的作用：
（1）电位浮动：二次设备用电源通过1:1隔离变压器向二次设备供电。实现二次设备局部地网电位“浮动”，利用“水涨船高”原理消除反击。
（2）雷电波隔离：通过隔离变压器初、次级开路的原理对沿电源入侵的雷电波实现隔离，被隔离的雷电能量经隔离变初、次级的避雷器入地。
（二）避雷器残压衰减技术
针对避雷器残压远远大于二次设备芯片耐雷水平的情况，可采用一种新型的中和变压器对其进行衰减。
该中和变压器由一环形铁心和绕在铁心上的线圈组成。如图5所示：
新型中和变压器的工作原理：
一般情况下，中和变压器是在差模输入的状态，产生的感应电势方向相反相互抵消，对于二次系统无任何影响。
当雷电入侵时，变压器是在共模输入的状态，雷电流经避雷器进行泄放，在线圈里会感应出很高的电势，这部分的变化电压抵消部分残压，以达到降低残压的目的。
U输出=U入残压－ΔＵ……(1)
而ΔＵ=Ｌ(di/dt)
此时两线圈中的电流方向相同，则
Φ=Φ1 +Φ2……………(2)
所以总电感值为：L=L1+L2+2M
注：两线圈的互感系数M由磁通量和雷电流决定
雷电流的陡度是非常大的，根据式(1)、(2)则可明显看到中和变压器输出给二次系统的电压有很大减低。[4]
此外，使用中和变压器还能消除直接使用避雷器而产生的截波过电压。
六、结论
随着电力调度自动化系统电脑通信设备的大规模使用，雷电造成的危害越来越严重，以往的防护体系已不能满足电脑通信网络安全的要求。我们应从防直击雷，防感应雷电波侵入，防雷电电磁感应，防地电位反击等多方面作系统综合考虑。严格按防雷接地规程办事，应用新技术新装置，采用电源系统等电位技术和避雷器残压衰减技术是确保电力调度自动化系统极大减少雷害的重要手段。
参考文献：
[1]唐兴祚编著，高电压技术，重庆大学出版社，1991.
[2]王剑、张学鹏，输电线路防雷改进措施的研究[J].华北电力技术，1998（10）：1-5.
[3]周泽存等编著，高电压技术，中国电力出版社，2004.
[4]现代防雷新技术，王巨丰，2007.7.
作者简介：
覃兆高，男，广西水利电业集团有限公司荔浦供电分公司；黄勇，男，广西桂林，水利电业集团有限公司荔浦供电分公司。