浅谈雷击过电压对自动化设备的危害及防护措施

浅谈雷击过电压对自动化设备的危害及防护措施

摘要：90年代前由于变电站的自动化程度较低，雷电对二次设备的影响并不十分突出，因此，变电站防雷的重点在线路及高压电气设备方面。随着近年来电力自动化的迅猛发展，计算机等大量的微电子设备的应用，雷电对变电站二次设备的影响日显突出，已经到了不得不采取措施的时候了。几年来变电站自动化设备防雷措施也得到充分肯定并取得了明显的效果。本文根据实际工程的应用，简要叙述了雷击过电压的危害，分析了雷击入侵方式，提出自动自动化设备采用限幅、隔离、阻塞、分级防护、改善接地的防护措施。

关键词：自动化设备雷击过电压危害防护

0引言

变电站实现综合自动化是传统变电站二次系统的重大变革，其装置形式、功能配置以及操作方法都发生了根本变化。利用多台微型计算机和大规模集成电路装置组成的自动化系统，代替常规的测量和监视仪表，代替了常规的控制屏、中央信号系统和远动屏，及常规的继电保护。但是，随之而出现的问题是，对于使用超大规模集成电路、运行电压只有数伏、信号电流仅为微安级的微机装置，相比以往的电磁式保护装置所具备耐热容量要小，对尖峰脉冲的耐受能力比较脆弱，特别是雷击过电压的暂态冲击会使变电站电源线引入雷电电磁脉冲并引起瞬态过电压，如果不经处理，雷害直接进入电源系统，将引起二次设备电源损坏。自动化设备逻辑产生错误、电源烧毁、通信中断，甚至开关误动，严重的时会使整个变电站失去了监控。本文只是针对我恩平地区变电站自动化防雷工程的一些探讨和经验供大家分享。

1、雷击过电压对变电站的危害

出现雷击时，雷电流会沿变电站的各种金属管线散流，如下图1-1，电流主要通过电磁感应和静电感应方式产生，各线路上的雷电流和各点电位差异很大。

图1-1 雷电流分流示意图

雷击最终使得线路上产生几千伏甚至更高的微秒级的过电压，该过电压可使电气设备加速老化、设备出现误动作，甚至电路永久性损坏。高压线路、通信线路可直接从远处把雷击过电压传导到自动化设备；而雷电电磁场使自动化设备及附近线路感应过电压，该过电压也通过设备的一次设备与二次电缆传到自动化系统；地反击是地线与电源线等之间产生了过电压，从电磁学角度来讲，该过电压也可理解为是由电源传到自动化设备的。因此，雷击对自动化设备的危害集中体现在雷击过电压方面。正因为雷击过电压的破坏，使得变电站自动化系统出现误动、拒动、数据中断丢失，远动工作站“罢工”，更严重的将失去对无人值班站的

实时监控而导致事故扩大。

2雷击过电压入侵的主要途径分析

雷电入侵室内设备的途径，具体到变电站来讲，主要有：一次设备：电压互感器（PT）及电流互感器（CT）；二次电源：交流电源、直流电源；弱电回路：RS232、RS485等协议通信的外围设备的通信网络、雷电空间电磁场等。

2.1 交、直流电源引入雷击过电压

变电站站用的交流电由站用变压器提供，站用变的初级直接来自高压线路，低压配电电缆主要布设在电缆沟及电缆井中，线路感应到雷电的几率及强度都很大。而变电站的动力电源、控制电源、工作电源以及信号电源都是使用直流电源的，按二次设计的功能，直流电源电缆从直流屏通过电缆沟及电缆井布放到主控室的每一个二次屏，高压场地的每一个间隔，因此，交、直流系统是雷电进入变电站二次设备的主要途径之一。

2.2PT、CT 二次回路引入雷击过电压

PT、CT设备是电力系统特有的一次设备，一次设备的电压与电流等参数是不可能直接进行测量的，只能通过电压互感器PT和电流互感器CT变换成二次数据后接入测控装置的交流插件。见图2-1及图2-2。

图2-1中可看出，电压测量回路是通过电压互感器从高压母线测得的二次电压，按我国现行的标准PT线电压是100V（电流很小，不考虑其值），电压互感器的基本原理与变压器相同，并联在一次母线上，实际上就是一个降压变压器，从图中可知，PT线路有两种可能产生雷击过电压：一是母线上的雷击过电压（高压线路遭直接雷击或被感应雷电所产生的过电压）经过电压互感器的初级线圈传到次级线圈（二次线）；二是电压互感器及二次输出电缆被感应到雷击过电压。

图2-2中可看出，电流测量数据是通过电流互感器从高压线路上测得，按我国现行的标准CT的二次电流为1A或5A（电压很低，不考虑其值），电流互感器串联在高压线路上，实际上就是一个升压变压器。CT线路有两种可能产生雷击过电压：一是，高压线路上的雷击过电流经过电流互感器初级线圈传到次级线

圈（二次回路），雷电流经过电流互感器负载时产生一个过电压，由公式：U=I*Z 计算，I是次线圈上的雷电流，Z是CT的负载（电流变送器的输入阻抗）在雷电频率下的阻抗，雷电的主要能量集中100KHZ级频率段，对于50HZ的工频来讲高出了很多倍，因此，电流互感器的负载在50HZ频率下的阻抗是很小的，但在雷电频率下其阻抗比较高，因此，雷电流在CT的负载上产生一个很高的过电压，该过电压足可以把负载损坏。二是：电流互感器二次电缆被感应到雷击过电压。

经过上面分析可知，变电站保护、测量用的大量的PT、CT二次回路也是将雷电引入电力二次设备的主要途径之一。

2.3RS232等专用通信线路引入雷击过电压

综合自动化站的站控层和间隔层采用RS232、RS485、RS422等协议数据线或以太网络把智能设备接入自动化系统，站内GPS的高频馈线，微波、载波馈线等，都是在电缆沟或电缆井内与进出高压场地的电源线一起布设的，线路间相互感应的几率很大，因此，这些通信线路也是引入雷电的主要途径之一。

3变电站二次设备雷击过电压防护的措施

德国防雷专家希曼斯基在《过电压保护理论与实践中》提出了现代防雷保护的三道防线：外部保护---将绝大部分雷电流直接引入地下泄散；内部保护及过电压保护----阻塞沿电源线、数据线、信号线引入的侵入波危害设备；限幅保护----限制被保护设备上雷电过电压幅值。三道防线相互配合，各尽其职，缺一不可。变电站二次系统的防雷设计，应对各防护区SPD进行合理的设置和选型，其中交流电源SPD的残压必须低于700V（IEEE1100-1992有明确规定防雷产品的限制电压应低于被保护设备的安全电压，被保护设备的安全电压为其工作电压峰值的2倍），同时必须是全保护模式，即被保护线路之间和对地都有保护器件。达到“低残压、全保护”的防雷目的。

3.1 在自动化设备供电电源安装浪涌保护器（SPD）

自动化设备的电源是雷电侵害的主要通道。所以，对380V低压线路应进行过电压保护，参照国家规范和实际应用需求，应做以下几个方面的防护设计：A、在站用变交流进线应对地加避雷器或保护器，作一级保护，防止外部线路感应雷电侵入二次设备；B、在站用变配电盘至二次低压设备的配电箱电缆，应对地加装避雷器保护器，作二级保护，因电缆层布线会被其它线路二次感应、干扰，受操作过电压影响的；C、在各配电盘至二次保护、测控屏间电缆，也应对地加装避雷器保护器，作三级保护；D、在站内重要的、精密的设备应对地加装避雷器或保护器，作为四级保护。

直流屏的直流母线输出端宜安装具有正极对地、负极对地保护模式的标称放电电流不小于10kA（8/20µs）的直流电源SPD。