大規(guī)模集成電路在變電站保護(hù)、遠(yuǎn)動(dòng)、通訊升級(jí)中的使用，對(duì)變電站二次系統(tǒng) 的過(guò)電壓保護(hù)提出了新的要求，本文通過(guò)220kV變電站雷電反擊變電站二次控制系統(tǒng)的實(shí)例分析，闡述了對(duì)變電站二次系統(tǒng)過(guò)電壓防護(hù)的見(jiàn)解。
1 概述
變電站一次系統(tǒng)和二次系統(tǒng)是一個(gè)相輔相承的整體，其相互關(guān)聯(lián)，但二次系統(tǒng)的耐過(guò)電壓水 平要比一次系統(tǒng)小的很多很多，如果二次系統(tǒng)的防雷設(shè)施不完善，極易由于一次系統(tǒng)對(duì)二次系統(tǒng)的雷電反擊造成變電站二次控制部分癱瘓而發(fā)生變電站毀滅性的事故。
變電站的一次防雷系統(tǒng)落雷時(shí)，會(huì)產(chǎn)生兩方面的影響：一是雷電流要通過(guò)變電站的地網(wǎng)瀉入大地，在地網(wǎng)上會(huì)產(chǎn)生一定的沖擊電位，在嚴(yán)重的情況下，會(huì)在部分設(shè)備上產(chǎn)生一個(gè)電位差 而損壞設(shè)備；二是雷電流通過(guò)防雷裝置的接地引下線入地時(shí)，會(huì)在周圍空間產(chǎn)生強(qiáng)大的暫態(tài) 電磁場(chǎng)，從而在各種通訊、遠(yuǎn)動(dòng)、保護(hù)等的電纜，甚至是主控室內(nèi)的弱電部件上產(chǎn)生暫態(tài)過(guò)電壓，損壞這些弱點(diǎn)設(shè)備。
盡管在變電站的設(shè)計(jì)中加強(qiáng)了對(duì)二次設(shè)備的防過(guò)電壓保護(hù)，但近幾年來(lái)，大量的微機(jī)保護(hù)等 在變電站保護(hù)、遠(yuǎn)動(dòng)、通訊的升級(jí)中使用，大規(guī)模集成電路的耐過(guò)電壓水平比原來(lái)的晶體管 電路脆弱了許多，晶體管設(shè)備的耐壓水平可達(dá)到500～1000V，而大規(guī)模集成電路的耐壓水平 不到100V。所以在對(duì)變電站的保護(hù)、遠(yuǎn)動(dòng)、通訊等弱電設(shè)備進(jìn)行升級(jí)換代時(shí)一定要考慮設(shè)備的防過(guò)電壓措施。
在1998年一年的時(shí)間中，大同供電分公司先后有3個(gè)變電站的主控室由于變電站的一次系統(tǒng) 防雷設(shè)備落雷而損壞微機(jī)保護(hù)、遠(yuǎn)動(dòng)、通訊等設(shè)備，影響了電力生產(chǎn)的正常進(jìn)行。分析這幾 次變電站弱電設(shè)備損壞的原因，主要是由于變電站的二次設(shè)備在更新?lián)Q代過(guò)程中，為了提高 設(shè)備的功能和性能，使用了大規(guī)模的集成電路，但這些設(shè)備的防過(guò)電壓能力由于大規(guī)模集成 電路的使用而變的相當(dāng)?shù)停谧冸娬径卧O(shè)備更新?lián)Q代的過(guò)程中對(duì)其防過(guò)電壓的措施未能及 時(shí)完善，這樣一旦變電站一次防雷設(shè)備有雷電流流過(guò)，就極有可能對(duì)變電站的二次系統(tǒng)造成損壞。
下邊重點(diǎn)對(duì)大同北郊220kV變電站的微波塔落雷后對(duì)變電站二次系統(tǒng)的損壞情況進(jìn)行分析，同時(shí)對(duì)變電站的二次系統(tǒng)過(guò)電壓防護(hù)提出一些見(jiàn)解。
2 北郊變電站二次系統(tǒng)損壞情況及防雷現(xiàn)狀
1998年7月4日16：42時(shí)，下雨并伴隨雷電，北郊變電站中央信號(hào)屏警鈴響，大北231開(kāi)關(guān)重合閘動(dòng)作，220開(kāi)關(guān)呼喚，微機(jī)保護(hù)故障，234開(kāi)關(guān)微機(jī)保護(hù)故障光字牌亮。234開(kāi)關(guān)102屏CPU1巡檢中斷，有報(bào)告燈亮；220開(kāi)關(guān)保護(hù)屏CPU1巡檢中斷，有報(bào)告燈亮；231開(kāi)關(guān)102屏重合閘啟動(dòng)，有報(bào)告燈亮；103屏巡檢中斷，有報(bào)告燈亮，負(fù)荷監(jiān)測(cè)微機(jī)死機(jī)。匯報(bào)調(diào)度時(shí)發(fā)現(xiàn) 省調(diào)、地調(diào)電話全部中斷，打印事故報(bào)告時(shí)，不能打印。
2.1 設(shè)備損壞情況
2.1.1 微機(jī)保護(hù)裝置損壞情況
(1)220開(kāi)關(guān)打印機(jī)，人機(jī)對(duì)話CPU0板、高頻插件CPU1板損壞。
(2)231開(kāi)關(guān)102屏打印機(jī)，人機(jī)對(duì)話CPU0板，綜重插件CPU4逆變電源損壞。
(3)234開(kāi)關(guān)102屏打印機(jī)，人機(jī)對(duì)話CPU0板，高頻插件CPU1板另序插件CPU3板損壞。
2.1.2 遠(yuǎn)動(dòng)設(shè)備損壞情況
遠(yuǎn)動(dòng)變送器損壞均是工作電源部分，變送器的電源板上電源變壓器、橋式整流電路、三端穩(wěn)壓器等均燒壞。與二次PT和CT連接部分A、C相測(cè)功板完好無(wú)損；與RTU連接部分變送器輸出 電路有不同程度的損壞現(xiàn)象。
RTU中模擬量輸入處理模件板、鍵盤(pán)顯示器接口模件板從外觀上看已嚴(yán)重?fù)p壞，其它板件也有不同程度損壞。
遠(yuǎn)動(dòng)專用UPS事故后處于故障狀態(tài)，后經(jīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)無(wú)法進(jìn)行交直流自動(dòng)切換，控制部分損壞 。
2.1.3 保護(hù)錄波器損壞情況
3臺(tái)微機(jī)保護(hù)和220kV微機(jī)錄波器也受到雷擊，其中大北線、北高線、220kV旁路各有一臺(tái)微機(jī)保護(hù)的人機(jī)對(duì)話插件損壞，CPU插件也有不同程度損壞，220kV微機(jī)錄波器的后臺(tái)機(jī)(486工 控計(jì)算機(jī))主板也擊壞。
2.2 北郊變電站接地防雷情況
(1)北郊變電站的接地網(wǎng)接地電阻為：0.4Ω，合格。
(2)站內(nèi)共有4根獨(dú)立避雷針，主要分布在35kV設(shè)備區(qū)和主控室的周圍，其與主地網(wǎng)不連通，相互的距離也大于規(guī)程要求的5m，接地電阻在合格范圍。220kV設(shè)備區(qū)有6根架構(gòu)避雷針，110kV設(shè)備區(qū)有8根架構(gòu)避雷針，架構(gòu)避雷針的接地與主地網(wǎng)連通。
(3)微波塔位于主控室的旁邊，其本體接地電阻為2.2Ω，合格。由于其與主地網(wǎng)和主控室的 距離較近，所以其與主地網(wǎng)相連通。
(4)220kV、110kV母線1號(hào)、2號(hào)主變的220kV、110kV側(cè)加裝了氧化鋅避雷器，35kV母線、1號(hào) 、2號(hào)主變的35kV側(cè)加裝普閥式避雷器。
(5)進(jìn)入主控室的電纜，110kV使用了銅屏蔽電纜，35kV、220kV側(cè)未使用屏蔽電纜。
(6)地網(wǎng)的各點(diǎn)連通情況使用萬(wàn)用表測(cè)量連通情況良好。
3 雷擊原因分析
變電站直擊雷防護(hù)系統(tǒng)隨著避雷器、避雷針接地網(wǎng)及線路防雷系統(tǒng)的不斷完善而日趨成熟， 相比較而言，變電站二次系統(tǒng)隨著大規(guī)模集成電路在保護(hù)、遠(yuǎn)動(dòng)、通訊等設(shè)備的運(yùn)用而對(duì)變電站的防雷保護(hù)提出了新要求。
變電站的一次防雷系統(tǒng)落雷時(shí)，會(huì)產(chǎn)生兩方面的影響：一是雷電流要通過(guò)變電站的地網(wǎng)瀉入 大地，在地網(wǎng)上會(huì)產(chǎn)生一定的沖擊電位，在嚴(yán)重的情況下，會(huì)在部分設(shè)備上產(chǎn)生一個(gè)電位差而損壞設(shè)備；二是雷電流通過(guò)防雷裝置的接地引下線入地時(shí)，會(huì)在周圍空間產(chǎn)生強(qiáng)大的暫態(tài)電磁場(chǎng)，從而在各種通訊、遠(yuǎn)動(dòng)、保護(hù)等的電纜，甚至是主控室內(nèi)的弱電部件上產(chǎn)生的暫態(tài) 過(guò)電壓，損壞這些弱點(diǎn)設(shè)備。
經(jīng)分析認(rèn)為北郊變電站二次系統(tǒng)損壞原因有以下幾個(gè)方面：
3.1 由于主控室的地和35kV設(shè)備區(qū)的地之間的電位差損壞設(shè)備
當(dāng)雷電擊到微波塔時(shí)雷電流主要通過(guò)微波塔的接地瀉放，部分通過(guò)其它接地瀉放，由于微波 塔與主控室地的連接點(diǎn)很近，基本上可以將主控室的地和微波塔的地視為等電位，估算雷擊微波塔時(shí)微波塔的接地電位為1000V以上。
35kV設(shè)備區(qū)地電位為零，所以加于交流電源220kV之間的電壓為1000V以上，
380V配電裝置和二次回路的交流試驗(yàn)電壓為1000V，由于配電線路和二次回路的絕緣裕度較 大，而且雷電壓為沖擊電壓，所以220V的交流電源線未擊穿。但對(duì)于大規(guī)模集成電路來(lái)說(shuō)，100V的電壓就遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了他所能承受的電壓，以至將其損壞。其中變送器、保護(hù)錄波器及微 機(jī)保護(hù)的打印機(jī)，經(jīng)分析這種原因損壞的可能性比較大。
3.2 流過(guò)微波塔的雷電流對(duì)主控室設(shè)備的感應(yīng)電壓
感應(yīng)雷電過(guò)電壓可由靜電感應(yīng)產(chǎn)生，也可由電磁感應(yīng)產(chǎn)生，形成感應(yīng)雷電過(guò)電壓的機(jī)率很高 ，感應(yīng)雷電尤其對(duì)變電站的大規(guī)模集成電路的損壞情況較多。變電站的感應(yīng)雷電過(guò)電壓和過(guò)電流的途徑主要有以下三種：
3.2.1 由交流220V電源入侵
變電站的電源由站用變壓器輸入室內(nèi)，電力線路可能遭受直擊雷和感應(yīng)雷，直擊雷雷擊高壓線路，經(jīng)過(guò)站用變壓器耦合到220V低壓線路，通過(guò)220V線路進(jìn)入設(shè)備將設(shè)備損壞。
從現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備損壞勘察和檢驗(yàn)情況來(lái)看，遠(yuǎn)動(dòng)變送器損壞均是工作電源部分，變送器的電源板 上電源變壓器、橋式整流電路、三端穩(wěn)壓器等均燒壞。與二次回路PT和CT連接部分A、C相測(cè)功板完好無(wú)損；與RTU連接部分變送器輸出電路有不同程度的損壞現(xiàn)象；6個(gè)變送器輸出高達(dá) 27V(正常為0～5V)，保護(hù)的錄波器的損壞部分也與220V電源電壓有關(guān)。所以分析遠(yuǎn)動(dòng)變送器 和保護(hù)錄波器的損壞，主要是由于主控室的地和35kV設(shè)備區(qū)的地之間的電位差抬高或220V電 源線感應(yīng)過(guò)電壓，使220V交流電源的電壓提高，使設(shè)備的電源部分損壞，有的還因設(shè)備電源 損壞而連鎖反應(yīng)損壞下一級(jí)設(shè)備。
3.2.2 由進(jìn)入主控室的電纜暫態(tài)感應(yīng)過(guò)電壓
根據(jù)時(shí)域電路法計(jì)算分析，當(dāng)雷擊點(diǎn)離建筑物50m，雷電流為50kA時(shí)，在建筑物內(nèi)試驗(yàn)回路 中，感應(yīng)的暫態(tài)電壓仍會(huì)使門(mén)檻電壓為220V的限壓二極管動(dòng)作。
當(dāng)變電站的微波塔的接地引下線流過(guò)大電流時(shí)，在其周圍形成強(qiáng)大的電場(chǎng)和磁場(chǎng)，其中主要 是磁場(chǎng)的影響，一般情況下電場(chǎng)影響不大。從設(shè)備區(qū)引入主控室的各種電纜在戶外是走電纜溝的，由于其走向與微波塔的雷電流方向垂直，所以雷電流形成的磁場(chǎng)方向?qū)ζ溆绊懖淮?。其中從電纜溝進(jìn)入電纜夾層到主控室的電纜由于其于微波塔的接地引下線的方向一致，其受微波塔雷電流形成的磁場(chǎng)的影響較大。經(jīng)分析，北郊變電站的110kV信號(hào)電纜的屏蔽較好，所以盡管110kV電纜*近微波塔，但其保護(hù)板也未損壞；但220kV信號(hào)電纜無(wú)屏蔽，所以盡管 其遠(yuǎn)離微波塔也使保護(hù)板遭至損壞。從這一點(diǎn)看，控制電纜使用屏蔽電纜是非常重要的。
當(dāng)控制電纜回路緊*雷擊點(diǎn)下面的引下線且與其平行時(shí)，控制電纜受暫態(tài)感應(yīng)電壓最高，所以分析二次回路因微波塔落雷而由于暫態(tài)感應(yīng)電壓反擊的可能性最大。
北郊變電站1984年9月24日投運(yùn)，投運(yùn)時(shí)其保護(hù)及通訊設(shè)備為晶體管或普通集成塊設(shè)備，當(dāng)時(shí)的接地防雷基本上按當(dāng)時(shí)的設(shè)備進(jìn)行配置的，近年來(lái)由于微電子的迅速發(fā)展，大規(guī)模集成電路在微機(jī)保護(hù)、遠(yuǎn)動(dòng)通訊方面的使用大量增加，在耐過(guò)電壓方面，晶體管、普通集成快設(shè) 備的耐壓水平可達(dá)到500～1000V，而大規(guī)模集成電路的耐壓水平不到100V。
微機(jī)保護(hù)、遠(yuǎn)動(dòng)、通訊等設(shè)備的不斷更新?lián)Q代，對(duì)設(shè)備防過(guò)電壓保護(hù)也提出了屏蔽、均壓、泄流、法拉第籠等各種措施，但在實(shí)際中由于部分措施實(shí)施難度大，雷擊又為小概率事件， 所以大多數(shù)的變電站都未能完全實(shí)施。
北郊變電站的接地防雷的設(shè)計(jì)對(duì)當(dāng)時(shí)的設(shè)備來(lái)說(shuō)是完善的，但隨著保護(hù)、遠(yuǎn)動(dòng)、通訊的設(shè)備 不斷更新?lián)Q代，大規(guī)模集成電路的大量使用，相應(yīng)的接地防雷措施不夠徹底完善，經(jīng)分析認(rèn)為，北郊的雷擊故障主要原因如下：(1)由于接地網(wǎng)不同點(diǎn)之間的地均壓不好，由于各點(diǎn)在 流過(guò)大電流時(shí)的電位差較大，反擊使弱電設(shè)備損壞；(2)由于信號(hào)電纜的無(wú)屏蔽或屏蔽不好，加之微波塔的布置和接地與地網(wǎng)的連接不合理而使暫態(tài)感應(yīng)過(guò)電壓，通過(guò)信號(hào)線進(jìn)入系統(tǒng)損壞設(shè)備；(3)由于設(shè)備的電源部分限制措施不完善，使高電壓通過(guò)電源損壞設(shè)備。
4 變電站過(guò)電壓(包括雷擊)防護(hù)
4.1 防止過(guò)電壓(包括雷擊)損壞設(shè)備的基本思路
為防止變電站保護(hù)、遠(yuǎn)動(dòng)、通訊等過(guò)電壓(包括雷擊)，建議對(duì)變電站采取分級(jí)、分區(qū)進(jìn) 行防止過(guò)電壓保護(hù)。變電站保護(hù)、遠(yuǎn)動(dòng)、通訊大規(guī)模集成電路防過(guò)電壓區(qū)域示意如圖所示。
4.2 各級(jí)防過(guò)電壓的防護(hù)措施
4.2.1 一級(jí)防過(guò)電壓區(qū)
包括變電站的獨(dú)立避雷針、架構(gòu)避雷針、一次設(shè)備的避雷器、設(shè)備引下線接地網(wǎng)、微波塔及 其接地。
一級(jí)防過(guò)電壓區(qū)防護(hù)措施：(1)對(duì)主接地網(wǎng)的接地電阻、接地網(wǎng)之間的連通、設(shè)備的接地引 下線進(jìn)行大電流測(cè)試；(2)逐級(jí)分別泄流，微波塔加裝獨(dú)立接地體，獨(dú)立接地體的接地電阻 小于5Ω，如果微波塔或獨(dú)立避雷針與主接地相接，微波塔與主接地網(wǎng)的連接點(diǎn)距35kV及以 下設(shè)備與主地網(wǎng)的連接點(diǎn)的距離大于15m，以使其在遭雷擊時(shí)主要通過(guò)自身的接地極泄放雷 電流，盡量少地波及到其它設(shè)備；(3)均勻地網(wǎng)系統(tǒng)電壓，各個(gè)設(shè)備區(qū)之間建立良好的等電 位接地，各設(shè)備區(qū)之間連接良好，主控室的低壓控制部分加裝均壓帶，使各點(diǎn)的接地為等電位。
4.2.2 二級(jí)防過(guò)電壓區(qū)
包括設(shè)備的二次系統(tǒng)、端子箱、信號(hào)電纜、微波饋線、站用變電壓器及其電源線。
二級(jí)防過(guò)電壓區(qū)防護(hù)措施：(1)加強(qiáng)屏蔽，將進(jìn)入變電站的電纜線全部使用屏蔽電纜，并將屏蔽層可*接地；(2)對(duì)低壓電源限制，對(duì)低壓供電電源加裝金屬氧化鋅避雷器或加裝電源 電壓瞬變抑制器，限制電源電壓的抬高，加裝隔離變壓器；(3)將微波饋線的屏蔽與微波塔實(shí)現(xiàn)兩點(diǎn)以上相接。
4.2.3 三級(jí)防過(guò)電壓區(qū)
包括變電站主控室、遠(yuǎn)動(dòng)、通訊機(jī)房的各種設(shè)施，這部分中有大量的極易被過(guò)電壓侵入而損 壞的大規(guī)模集成電路，是過(guò)電壓防雷的薄弱環(huán)節(jié)和重點(diǎn)。
三級(jí)防過(guò)電壓區(qū)防護(hù)措施：(1)對(duì)進(jìn)入主控室、遠(yuǎn)動(dòng)、通訊機(jī)房的信號(hào)線全部加裝信號(hào)電壓瞬變抑制器，對(duì)過(guò)電壓信號(hào)限制后箝位;(2)對(duì)主控室、運(yùn)動(dòng)通訊機(jī)房的電源有規(guī)律地加裝氧化鋅避雷器或電源電壓瞬變抑制器;（3）對(duì)主控室、運(yùn)動(dòng)通訊機(jī)房的設(shè)備接地進(jìn)行全面檢查，并加裝均壓帶，將各種信號(hào)線的屏蔽可*接地。
5 參考文獻(xiàn)
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（轉(zhuǎn)載）
