陳 洋

（國(guó)網(wǎng)四川電力公司宜賓供電公司）

0 引言

變電站二次系統(tǒng)是一種低電壓、小電流的控制、調(diào)節(jié)、保護(hù)和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)于電力系統(tǒng)的安全生產(chǎn)、可靠供電以及經(jīng)濟(jì)運(yùn)行有著重要作用。雷電對(duì)于變電站的安全運(yùn)行有非常大的威脅性，為此變電站防雷非常關(guān)鍵，本文著重就變電站的二次系統(tǒng)防電涌進(jìn)行一番探討。

1 變電站二次系統(tǒng)防雷必要性

雷電是一種在短時(shí)間內(nèi)持續(xù)強(qiáng)放電的自然現(xiàn)象。從大量雷擊事件的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)看，絕大多數(shù)雷擊事件都是雷云上的負(fù)電荷放電所導(dǎo)致的，極少部分是正電荷放電，但正電荷放電的雷擊要猛烈許多。

變電站二次系統(tǒng)中大量的電子信息設(shè)備被應(yīng)用于對(duì)一次系統(tǒng)的調(diào)節(jié)、控制、監(jiān)測(cè)等，這些自動(dòng)化設(shè)備效率高、體積小，給變電站的運(yùn)維提供了非常大的幫助，但是自動(dòng)化設(shè)備的大量應(yīng)用也帶來(lái)一個(gè)非常顯著的問(wèn)題，即如何針對(duì)變電站二次系統(tǒng)進(jìn)行防雷。因?yàn)樵诂F(xiàn)有技術(shù)條件下，一次系統(tǒng)的防雷體系已很完善。當(dāng)變電站發(fā)生雷擊，一次系統(tǒng)的防雷體系會(huì)將雷電流引入大地，保證一次設(shè)備的安全，但是對(duì)于二次系統(tǒng)的低壓、小電流、高精度自動(dòng)化設(shè)備來(lái)說(shuō)，雷電流的危害非常大，由于二次系統(tǒng)的自動(dòng)化設(shè)備是高度集成的裝置，耐電壓水平低，往往只有幾伏的耐壓能力，只要產(chǎn)生過(guò)電壓必然就會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題，而且二次系統(tǒng)有相對(duì)獨(dú)立的通信裝置和信號(hào)線路，這給雷電波入侵提供了很多通道。

具體而言變電站二次系統(tǒng)中有很多設(shè)備主要是依靠集成電路芯片運(yùn)行，芯片在正常運(yùn)作時(shí)工作電壓一般在5～12V，如果防雷系統(tǒng)不完善，哪怕是1公里以外打雷，這些弱電系統(tǒng)就會(huì)感應(yīng)到雷電的感應(yīng)電流，在強(qiáng)大的脈沖電磁場(chǎng)下，極易燒毀整個(gè)電子設(shè)備，尤其是高集成度的微電子設(shè)備。所以針對(duì)變電站二次系統(tǒng)防雷進(jìn)行討論具有顯著的現(xiàn)實(shí)意義。

2 二次系統(tǒng)雷擊危害機(jī)理分析

雷擊事故并不一定就是雷云放電直接擊中設(shè)備，還可能是因?yàn)楦袘?yīng)雷或者電磁脈沖對(duì)設(shè)備產(chǎn)生影響，事實(shí)上由于存在完善的外部防雷體系，變電站二次系統(tǒng)一般情況下不會(huì)遭遇直擊雷，一般微電子系統(tǒng)有80%的雷擊事故來(lái)自于感應(yīng)雷和電磁脈沖，其中又有極大部分是通過(guò)電源線路和通訊線路導(dǎo)致的。當(dāng)二次系統(tǒng)線纜感應(yīng)到雷電會(huì)產(chǎn)生瞬時(shí)過(guò)電壓，輕則設(shè)備損壞，重則系統(tǒng)癱瘓。

例如，主控樓有一套監(jiān)視設(shè)備，而繼電室有一套控制設(shè)備，二者相互獨(dú)立又通過(guò)線纜進(jìn)行連接。當(dāng)主控樓的接閃器遭遇直擊雷時(shí)，會(huì)在接地電阻上產(chǎn)生瞬間高達(dá)數(shù)百千伏的電壓差，這種電壓差足夠讓線纜外部出現(xiàn)閃絡(luò)，此時(shí)就發(fā)生了阻性耦合，雷電電涌就會(huì)經(jīng)過(guò)等電位連接進(jìn)入主控樓的監(jiān)控設(shè)備，并順著線纜影響繼電室的控制設(shè)備，而且接閃器的接地電阻越大，這種現(xiàn)象越嚴(yán)重。

同樣以上述例子來(lái)說(shuō)，當(dāng)雷電擊中接閃器或者是在附近擊中大地，在接地電阻上會(huì)出現(xiàn)電勢(shì)差，而且會(huì)使界山或者雷電通道電壓上升至數(shù)百千伏，雷電通道或者接閃與設(shè)備之間的線纜就會(huì)發(fā)生容性耦合，此時(shí)線纜成為一個(gè)電容并且被充電，主控樓和繼電室的設(shè)備會(huì)遭遇約10A左右的電流注入，并最后傳入大地，這個(gè)過(guò)程中設(shè)備的正常運(yùn)行會(huì)受到注入電流的強(qiáng)烈干擾。

主控樓和繼電室二次設(shè)備通過(guò)線纜連接后經(jīng)過(guò)等電位連接接入接地電阻，此時(shí)二次設(shè)備與大地就會(huì)形成一個(gè)感應(yīng)回路，當(dāng)主控樓或者繼電室遭遇雷擊，防雷裝置會(huì)瞬時(shí)產(chǎn)生大電流并形成鉸鏈磁場(chǎng)，感應(yīng)回路當(dāng)中的電壓會(huì)瞬時(shí)升高，進(jìn)而擊穿設(shè)備的對(duì)地絕緣。

3 二次系統(tǒng)防雷電涌措施探討

雷電電涌對(duì)于變電站二次系統(tǒng)的影響非常大，為保證二次設(shè)備的正常運(yùn)行，避免雷電電涌產(chǎn)生的過(guò)電壓對(duì)設(shè)備產(chǎn)生影響，為達(dá)到這樣的目標(biāo)，目前常用SPD（防浪涌保護(hù)器）和等電位連接來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3.1 SPD的選擇問(wèn)題

SPD，防浪涌保護(hù)器，或者防雷器，它是一種用于保護(hù)用電設(shè)備避免出現(xiàn)雷電電磁脈沖或者過(guò)電壓破壞的一種防雷裝備，它可以限制瞬時(shí)過(guò)電壓并且快速泄放電涌電流，其中泄放電涌電流主要依靠的是一個(gè)或者多個(gè)非線性電阻或者開(kāi)關(guān)元件，對(duì)于變電站二次系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，安裝SPD是最為直接且有效的措施。

SPD有三種類型，包括電壓限制型SPD，當(dāng)出現(xiàn)瞬時(shí)過(guò)電壓時(shí)，其響應(yīng)時(shí)間一般都在25ns以內(nèi)；開(kāi)關(guān)型SPD，這種類型的SPD一般響應(yīng)時(shí)間在100ns以內(nèi)，還有一種類型是組合型SPD。一般SPD防護(hù)需要安裝多級(jí)SPD直到將雷電電涌的能量泄放在安全范圍內(nèi)為止，安裝通過(guò)Ⅰ級(jí)分類的SPD作為第一級(jí)保護(hù)，對(duì)直擊雷電流進(jìn)行泄放，或者當(dāng)線路遭受直接雷擊時(shí)，將傳導(dǎo)的巨大能量進(jìn)行泄放。

但是當(dāng)線路當(dāng)中存在多個(gè)SPD時(shí)，需要考慮SPD的配合問(wèn)題，而在SPD的選型中很多時(shí)候根據(jù)的是SPD的最大持續(xù)運(yùn)行電壓和限制電壓兩個(gè)參數(shù)來(lái)進(jìn)行選擇，是想逐級(jí)降低電涌電流。但是因?yàn)橐粭l線路當(dāng)中一般不會(huì)出現(xiàn)型號(hào)參數(shù)完全一直的SPD，這種情況下SPD之間的動(dòng)作會(huì)出現(xiàn)相互影響，這樣就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)問(wèn)題，就是可能從第一級(jí)SPD通過(guò)的電涌電流不一定達(dá)到第二級(jí)SPD的要求，也就可能會(huì)導(dǎo)致不會(huì)出現(xiàn)依次降低電涌電流的狀況，所以在布置SPD時(shí)，首要考慮線路最高運(yùn)行電壓要比SPD的電壓保護(hù)水平低，而SPD的電壓保護(hù)水平又不能高于被保護(hù)設(shè)備的耐受電壓。

因?yàn)镾PD只有有限的保護(hù)距離范圍，一旦超出這個(gè)范圍SPD就很難保證設(shè)備的安全。在SPD與被保護(hù)設(shè)備之間的線路距離之間會(huì)產(chǎn)生一個(gè)距離效應(yīng)，當(dāng)這個(gè)線路的長(zhǎng)度越長(zhǎng)，設(shè)備與SPD之間的電壓差就會(huì)越大，對(duì)于SPD的限制電壓 （即電壓保護(hù)水平）來(lái)說(shuō)必須要比設(shè)備的耐受電壓低，而且要有足夠的裕度才能保證保護(hù)有效。

3.2 多級(jí)SPD防電涌

以一個(gè)簡(jiǎn)單的簡(jiǎn)化后的兩級(jí)SPD（分別以A、B相稱）配合保護(hù)設(shè)備為例進(jìn)行分析。A設(shè)置于電源系統(tǒng)線路入口，B靠近被保護(hù)設(shè)備。A、B兩個(gè)SPD為限壓型，其非線性元件為金屬氧化物壓敏電阻，A最大持續(xù)電壓280V，保護(hù)電壓1300V，B最大持續(xù)電壓和保護(hù)電壓分別為280V和700V，連接用的線纜為3×4mm2的氯乙烯絕緣電纜。為驗(yàn)證A、B兩個(gè)SPD的保護(hù)距離，選取實(shí)際低壓系統(tǒng)中比較常規(guī)的負(fù)載參數(shù)來(lái)進(jìn)行仿真模擬試驗(yàn)，分別取電阻負(fù)載 10Ω、100Ω、 1000Ω， 電 容 負(fù) 載 0.05μF、0.5μF、5μF，電感負(fù)載 2H、20H、200H，據(jù)此參數(shù)檢測(cè)負(fù)載過(guò)電壓最大值，雷電波取值8μs和20μs，試驗(yàn)設(shè)備額定電壓220V。

出于對(duì)有效保護(hù)距離的考慮，先假設(shè)B與設(shè)備之間的線路長(zhǎng)度為1m，此時(shí)A與B之間的線纜隨機(jī)在1～50m內(nèi)進(jìn)行選擇，經(jīng)試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)由于B與設(shè)備之間線路距離只有1m，大小不一的阻性負(fù)載在電路當(dāng)中都不會(huì)產(chǎn)生震蕩現(xiàn)象。不過(guò)A與B之間線纜長(zhǎng)度越長(zhǎng)，A兩端的電壓值就會(huì)越大，三個(gè)電阻負(fù)載下，電壓值的變化曲線基本一致。但是觀察在不同長(zhǎng)度下的電壓變化時(shí)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)線纜長(zhǎng)度在10～50m之間電壓一般都在1200V～1250V之間，但是在1～10m以內(nèi)電壓會(huì)出現(xiàn)陡升現(xiàn)象，約5m左右時(shí)開(kāi)始減緩。事實(shí)上當(dāng)A與B之間的線路長(zhǎng)度越短，線路之間會(huì)產(chǎn)生一個(gè)比較大的感應(yīng)電壓降，B兩端電壓和該電壓降的和與A兩端的電壓相當(dāng)，不過(guò)由于大多數(shù)時(shí)候，這個(gè)電壓降不足使電涌電流通過(guò)A，而是有很大部分會(huì)流過(guò)B，造成B的損壞，所以在實(shí)際操作中可能需要安裝一個(gè)解耦器來(lái)提高A與B之間的電感值。此后分別針對(duì)電容負(fù)載、電感負(fù)載進(jìn)行實(shí)驗(yàn)后得出A、B之間的線纜長(zhǎng)度會(huì)在電容負(fù)載方面產(chǎn)生顯著影響，A與B之間的線纜不能過(guò)短也不能太長(zhǎng)，經(jīng)試驗(yàn)后得出在30m左右較為合適，但是調(diào)整B與設(shè)備之間線纜長(zhǎng)度后發(fā)現(xiàn)，該線纜越短越好，在試驗(yàn)中只有10Ω負(fù)載的情況下，線路越長(zhǎng)負(fù)載兩端電壓都不會(huì)超過(guò)B的限制電壓，其他情況下均會(huì)超出。所以就兩級(jí)SPD來(lái)說(shuō)，第一級(jí)與第二級(jí)SPD之間線纜長(zhǎng)度應(yīng)在30m以內(nèi)最好，第二級(jí)SPD與設(shè)備之間的線路長(zhǎng)度最好在1m以內(nèi)效果最佳，同時(shí)要考慮二次系統(tǒng)主要負(fù)載的性質(zhì)，盡可能地避免負(fù)載上出現(xiàn)振蕩。

基于上述分析，在具體變電站二級(jí)系統(tǒng)的防雷電涌中可以采取兩級(jí)SPD進(jìn)行防護(hù)，在具體的布置中第一級(jí)選用的SPD應(yīng)選用放電電流較大的，這樣可以將絕大部分雷電能量泄放出去，以保證通過(guò)第二級(jí)SPD的能量盡可能的小，而第二級(jí)的SPD一般其限制電壓比較低，流通容量小，是直接保護(hù)二次設(shè)備的關(guān)鍵。

4 結(jié)束語(yǔ)

變電站由于大量自動(dòng)化裝置的應(yīng)用，使得原有的防雷體系出現(xiàn)了漏洞，作為變電站正常運(yùn)維的關(guān)鍵，以自動(dòng)化裝置為主的二次系統(tǒng)的防雷問(wèn)題必須受到充分關(guān)注，除了原有成熟的防雷體系外，要形成綜合防雷體系，這里關(guān)鍵就是要合理地利用SPD來(lái)限制雷電電涌給二次系統(tǒng)帶來(lái)的危害。本文對(duì)此進(jìn)行了簡(jiǎn)單的探討，可能存在不足，但希望有一定的參考價(jià)值。