变电站二次设备防雷技术vol

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1、变电站二次设备防雷技术变电站二次设备防雷技术 本文主要论述变电站二次设备雷击过电压防本文主要论述变电站二次设备雷击过电压防护的必要性与可行性护的必要性与可行性二次设备二次设备：低压供电（：低压供电（380V/220V）的通信、自动化、保护、监）的通信、自动化、保护、监控、电源等设备，与一次设备相（高压）对应。控、电源等设备，与一次设备相（高压）对应。2 变电站二次设备防雷变电站二次设备防雷1 雷电基础及电力防雷动态雷电基础及电力防雷动态4 电力系统电力系统SPD技术性能要求技术性能要求6 相关案例相关案例5 大型地网改造大型地网改造3 参考方案参考方案1.2 雷电电性能1.3 雷电入侵楼内设备

2、途径分析1.1 雷电危害1 雷电基础1.4 雷电防护基本原则1.5 电力二次设备雷电防护必要性分析1.6 电力防雷动态1.1 雷击危害雷电是人类社会雷电是人类社会八大灾害八大灾害之一，据初步统计全球每之一，据初步统计全球每年雷击造成直接经济损失年雷击造成直接经济损失超过超过140亿美元。在中国亿美元。在中国一个大中型以上城市每年一个大中型以上城市每年雷击造成直接经济损失超雷击造成直接经济损失超过过6000万。万。重大的雷击案例重大的雷击案例1987年美国弗吉尼亚州的一火箭发射场，五枚即将发射的火箭，其中三枚因雷击自燃点火升空。我国山东黄岛油库雷击起火100多人伤亡，数万立方被毁，周围生态环境严

3、重破坏。据美国保险商协会统计，近年类，雷击造成弱电设备损坏事件呈快据美国保险商协会统计，近年类，雷击造成弱电设备损坏事件呈快速上升趋势，其损失目前占雷击损失的速上升趋势，其损失目前占雷击损失的80%。从损坏建筑物等野外设施为主到损坏楼内电气设备为主雷击危害趋势：雷击危害趋势：近年来，随着电力自动化的快速发展，高集成的二次设备大量使用，这些对过电压近年来，随着电力自动化的快速发展，高集成的二次设备大量使用，这些对过电压很敏感的设备的雷击防护成了广大电力技术工作者必须研究并很好解决的课题。很敏感的设备的雷击防护成了广大电力技术工作者必须研究并很好解决的课题。I KAt us8208/20US模拟感

4、应雷电流波0.10.50.91雷击过电压是高达几千甚至上雷击过电压是高达几千甚至上万伏，微秒级的电脉冲。万伏，微秒级的电脉冲。1.2 雷电电性能IEEE规定规定:电源线上最高雷电流电源线上最高雷电流10KA,最高雷电压最高雷电压20KV1.3 雷电入侵楼内设备途径分析 雷电入侵楼内设备简单地说有路与场两条途径，其中路是指设备的配电线路、通信线路、接地线路等，场是指雷击电磁场。引下线、附近雷击等引下线、附近雷击等引起的楼内电磁场引起的楼内电磁场地线通信线通信线配电线配电线地网地网1.4 雷电防护基本原则 雷电防护基本原则是采取综合防护措施使得线路与空间都线路与空间都“干净干净”。主要的措施有均压

5、、等电位、安装SPD、屏蔽等。标准：DL548-94电力通信站防雷运行管理规定 GB50057-94建筑物防雷设计规范 GB50343-2004建筑物电子信息系统防雷技术规范 2003年开始与清华教授等对国内年开始与清华教授等对国内200多个多个35KV以上的变电站以上的变电站的二次设备雷害情况进行了调查，并编写了的二次设备雷害情况进行了调查，并编写了变电站二次设备变电站二次设备雷击过电压防护的必要性与可行性研究雷击过电压防护的必要性与可行性研究，调查结果具体如下。，调查结果具体如下。1.5 电力二次设备雷电防护必要性分析2年只有一次雷击的站所占比例年只有一次雷击的站所占比例2年只有二次雷击的

6、站所占比例年只有二次雷击的站所占比例2年只有三次雷击的站所占比例年只有三次雷击的站所占比例2年只有四次雷击的站所占比例年只有四次雷击的站所占比例2年有五次以上雷击的站所占比例年有五次以上雷击的站所占比例39.2%32.8%12%8.8%6.4%2年没有一次雷击的站所占比例年没有一次雷击的站所占比例0.8%变电站二次设备变电站二次设备2年内遭雷击损坏几率年内遭雷击损坏几率保护、录波等设备的站所占比例保护、录波等设备的站所占比例后台机的站所占比例后台机的站所占比例测控（远动）设备所占比例测控（远动）设备所占比例通信设备所占比例通信设备所占比例其他设备所占比例其他设备所占比例11.9%50.5%6.

7、3%28.8%9.4%交流配电设备所占比例交流配电设备所占比例11.4%二年内雷击损坏变电站二次设备统计二年内雷击损坏变电站二次设备统计直流电源设备所占比例直流电源设备所占比例32.8%载波馈线所占比例载波馈线所占比例以太网线、以太网线、RS232线、线、RS485线等线等（站内被感应）所占比例（站内被感应）所占比例PT线占比例线占比例微波馈线所占比例微波馈线所占比例普通电话线、语音线占比例普通电话线、语音线占比例25.9%46.3%21.3%23.8%19.7%交流电源线所占比例交流电源线所占比例27.6%变电站二次设备变电站二次设备2年内遭雷击损坏原因年内遭雷击损坏原因(雷电入侵途径雷电入

8、侵途径)统计统计直流电源线路所占比例直流电源线路所占比例7.8%雷击但具体原因不明占比例雷击但具体原因不明占比例6.3%1.6 电力防雷动态随着电力自动化快速发站，电力二次设备雷害问题越来越严重。随着电力自动化快速发站，电力二次设备雷害问题越来越严重。90年代前电力防雷主要是高压避雷。年代前电力防雷主要是高压避雷。二次设备已经归如安全生产的范畴，部分省市已经写进了反措。二次设备已经归如安全生产的范畴，部分省市已经写进了反措。南方电网组织了二次设备防雷大检查。南方电网组织了二次设备防雷大检查。广东、广西、云南等省市已经逐步开展二次设备防雷。广东、广西、云南等省市已经逐步开展二次设备防雷。相关标准

9、正在起草。相关标准正在起草。2 变电站二次设备防雷2.5 主通道信号线防雷方案主通道信号线防雷方案2.4 交直流配电线防雷方案交直流配电线防雷方案2.6 接地与屏蔽接地与屏蔽2.1 变电站雷击特点变电站雷击特点2.2 雷电入侵站内二次设备途径分析雷电入侵站内二次设备途径分析2.3 变电站二次设备雷击过电压防护原理及原则变电站二次设备雷击过电压防护原理及原则2.7 小结小结2.1 变电站雷击特点变电站雷击特点 变电站是个包括高压场地（部分新建站是室内高压）与一栋以中控室变电站是个包括高压场地（部分新建站是室内高压）与一栋以中控室为主的小楼，设备主要集中在中控室，部分站还有通信楼。虽然楼层不为主的

10、小楼，设备主要集中在中控室，部分站还有通信楼。虽然楼层不高，但有自带高压的特点，高，但有自带高压的特点，雷击几率很大雷击几率很大。2.2 雷电入侵站内二次设备途径分析雷电入侵站内二次设备途径分析 变电站的防直接雷击系统完善，地网接地电阻小，雷电泄放快。雷变电站的防直接雷击系统完善，地网接地电阻小，雷电泄放快。雷电入侵中控室内的自动化、继保、通信等二次设备主要途径如下：电入侵中控室内的自动化、继保、通信等二次设备主要途径如下：低压交流配电线路低压交流配电线路：站用变前端的高压交流线路虽然有避雷线、高压避：站用变前端的高压交流线路虽然有避雷线、高压避雷器等，但到站用变还有雷器等，但到站用变还有1万

11、多万多2万伏以上的过电压脉冲，变压器不能完全万伏以上的过电压脉冲，变压器不能完全抑制这过电压，因此，过电压会传到低压线路，并传到站内二次设备。抑制这过电压，因此，过电压会传到低压线路，并传到站内二次设备。220V直流配电线路直流配电线路：变电站的自动化等很多二次设备是直流：变电站的自动化等很多二次设备是直流220V配电，配电，该直流的还送到了高压场地，因此，该直流的还送到了高压场地，因此，220V直流线路会感应到雷电，并传到直流线路会感应到雷电，并传到站内二次设备。站内二次设备。站内布线层内线路相互感应站内布线层内线路相互感应：变电站的特点就是进出站的线多，站内各屏：变电站的特点就是进出站的线

12、多，站内各屏（柜）之间的连接线多，而且这些都经过布线层进出，因此，这些信号线（柜）之间的连接线多，而且这些都经过布线层进出，因此，这些信号线相互感应的几率很大，室内线路之间感应的过电压不会太高，但就足可损相互感应的几率很大，室内线路之间感应的过电压不会太高，但就足可损坏一些敏感的通信接口（如坏一些敏感的通信接口（如RJ45口，口，232口、口、485口等）。口等）。进出站的信号线路进出站的信号线路：高压场地有很多各种通信控制线路经布线层到中控：高压场地有很多各种通信控制线路经布线层到中控室，这些线路虽然大多数有屏蔽层，但因雷电能量集中在中低频，一般的室，这些线路虽然大多数有屏蔽层，但因雷电能量

13、集中在中低频，一般的屏蔽措施效果不显著，因此，这些信号线路会感应到雷电，并传到站内二屏蔽措施效果不显著，因此，这些信号线路会感应到雷电，并传到站内二次设备。次设备。测控测控交流交流直流直流高压场地高压场地主控主控通信通信后台后台保护保护GPS到局到局调度等调度等PTCTYXYC等线等线变电站主通道示意图变电站主通道示意图2.3 变电站二次设备雷击过电压防护原理及原则变电站二次设备雷击过电压防护原理及原则原则原则：以主控为中心的主通道须有较完善的过电压防护措施。必要的采：以主控为中心的主通道须有较完善的过电压防护措施。必要的采样或控制线安装相应的样或控制线安装相应的SPD，而大部分采样、控制等线

14、路不安装，而大部分采样、控制等线路不安装SPD。原理原理：可能引入雷电过电压的各种主要线路安装相应的：可能引入雷电过电压的各种主要线路安装相应的SPD，做好，做好等电位连接。等电位连接。变电站中控室配电电源线路防护措施：交流、变电站中控室配电电源线路防护措施：交流、直流总配电需须安装相应的直流总配电需须安装相应的SPD，主控、通信、，主控、通信、后台监控等主要通道的设备配电须安装相应的后台监控等主要通道的设备配电须安装相应的SPD。通信的直流。通信的直流48V电源根据实际情况安装电源根据实际情况安装SPD。2.4 交直流配电线防雷方案站用变备份交流屏直流屏通信保护测控主控后台监控UPS48V整

15、流直流母线VOLE380-160VOLE220-50VOLE220DC-50VOLE48DC-502.5 中控室主要通道信号线防雷方案变电站中控室通信线路防护措施：进出主控屏的变电站中控室通信线路防护措施：进出主控屏的主要通信线路须安装相应的主要通信线路须安装相应的SPD，主控到后台监，主控到后台监控、通信屏等主要通信线路安装相应的控、通信屏等主要通信线路安装相应的SPD。PT、CT线根据实际情况安装线根据实际情况安装SPD。GPS馈线、馈线、载波馈线须安装相应的载波馈线须安装相应的SPD。交流屏直流屏通信保护测控主控后台监控VOLE-PTVOLE-CTVOLE50APT、CTM光纤载波等GP

16、SRJ45网线485CAN485语音线CTPTVOLE30AASX5008VOLERJ45经布线层等的主要通信线安装经布线层等的主要通信线安装SPD。屏内的。屏内的232等通信线不须安装等通信线不须安装SPD。去调度2.6 接地与屏蔽变电站地网A、共用接地方式、共用接地方式B、主地线、主地线4*40以上以上铜或钢铜或钢(2条以上条以上)C、设备及需接地的点就、设备及需接地的点就近接地排近接地排(槽钢槽钢)。屏蔽措施屏蔽措施:机柜接地有良好的屏蔽作用机柜接地有良好的屏蔽作用,采用屏蔽电缆采用屏蔽电缆.2.7 小结小结 电力系统还没有二次设备防雷的标准。目前的防护措施是基于电力系统还没有二次设备防

17、雷的标准。目前的防护措施是基于现有条件的基本措施。现有条件的基本措施。（1）交流总配电线路（中控室内交流屏）交流总配电线路（中控室内交流屏）（2）直流配电线路（中控室内直流屏）直流配电线路（中控室内直流屏）（3）后台机）后台机UPS电源（电源（UPS前）前）（4）主控屏的交直流电源（中控室内主控屏）主控屏的交直流电源（中控室内主控屏）（5）通信屏电源（通信室内通信电源屏）通信屏电源（通信室内通信电源屏）（6）主控屏内到后台机、通信屏、保护、测控等屏的通信线）主控屏内到后台机、通信屏、保护、测控等屏的通信线（7）通信屏内到主控屏的通信线路）通信屏内到主控屏的通信线路（8）后台机到主控屏的通信线）

18、后台机到主控屏的通信线（9）PT、CT（10）其他信号线）其他信号线3 参考方案参考方案 根据前面介绍的原理，列举一个实例方案，方案从交流电根据前面介绍的原理，列举一个实例方案，方案从交流电源、直流电源、以主控屏为中心的通信线等采取了保护措施源、直流电源、以主控屏为中心的通信线等采取了保护措施4 电力系统电力系统SPD技术性能要求技术性能要求 SPD是电力二次设备雷击过电压防护中须采用的是电力二次设备雷击过电压防护中须采用的主要防护设备主要防护设备，其，其性能的好坏直接影响防雷系统的效果。性能的好坏直接影响防雷系统的效果。电力的二次设备电力的二次设备比任何一个系比任何一个系统的设备都复杂，它是

19、一个包含了自动化、通信、计算机等多种弱电统的设备都复杂，它是一个包含了自动化、通信、计算机等多种弱电设备在内的设备在内的复杂的系统复杂的系统。SPD不但要求能保护这些二次设备的安全，不但要求能保护这些二次设备的安全，同时不能影响这些设备的正常运行。因此，电力系统的同时不能影响这些设备的正常运行。因此，电力系统的SPD比一般系比一般系统要求高。统要求高。电源电源SPD除常规电气性能必须满足我国电网要求，通信除常规电气性能必须满足我国电网要求，通信SPD必必须满足频率等通信质量要求外，须满足频率等通信质量要求外，SPD在在安全方面安全方面必须充分考虑如必须充分考虑如下性能要求：下性能要求：4.1

20、放电电流放电电流4.2 残压残压4.3 保护模式保护模式4.4 过流等脱扣过流等脱扣4.5 特殊要求特殊要求4.1 放电电流放电电流交流电源交流电源SPD根据实际情况选择放电电流：雷环境较好地方选用根据实际情况选择放电电流：雷环境较好地方选用20KA（8/20US），恶劣地方选用），恶劣地方选用40KA（8/20US）。）。48V、220V直流电源直流电源SPD一般选择放电电流：一般选择放电电流：15KA（8/20US）。通信及网络通信及网络SPD一般选择放电电流：一般选择放电电流：10KA（8/20US）。4.2 残压残压残压可简单地理解为雷电被残压可简单地理解为雷电被SPD泻放后的剩余电压

21、。是表征防雷泻放后的剩余电压。是表征防雷产品安全性能中产品安全性能中最根本的参数，最根本的参数，IEEE 1100-1992 The Emerald Book 建议残压应不高于设备本身工建议残压应不高于设备本身工作电压峰值的作电压峰值的2倍倍.(few solid state devices can tolerate much more than twice their normal rating)UP设备SPD交流电源交流电源SPD残压应低于残压应低于700V，48V直流电源直流电源SDP残压应低于残压应低于180V，220V直流电源直流电源SPD残压应低于残压应低于600V，通信，通信SP

22、D根据设备端口耐过压能力根据设备端口耐过压能力来定。来定。IEEE 1100-1992 The Emerald Book 建议建议残压应不高于设备本身工作电压峰值的残压应不高于设备本身工作电压峰值的2倍倍.(few solid state devices can tolerate much more than twice their normal rating)4.3 保护模式保护模式 性能优良的性能优良的SPD应具备应具备纵向保护和横向保护纵向保护和横向保护,即具备即具备全保护全保护.LNEV+V-整流滤波开关稳压电力系统应用的电力系统应用的SPD应具体全保护模式。应具体全保护模式。组合于一

23、体现实了全保护.只有4个模块,无法实现相对中的保护SPD的技术要求标准规定的技术要求标准规定:电源电源SPD必须有脱扣装置必须有脱扣装置.当当SPD损坏短损坏短路时必须脱扣以免出现路时必须脱扣以免出现电气短路故障电气短路故障.设备SPD脱扣目前实现脱扣的一般有目前实现脱扣的一般有:快速熔断器快速熔断器空气开关空气开关机械等方式，性能优机械等方式，性能优良的良的SPD具备了多路脱扣装置并联的热备份式脱扣系统。具备了多路脱扣装置并联的热备份式脱扣系统。4.4 过流等脱扣过流等脱扣电力系统应用的电力系统应用的SPD应具热备份式脱扣系统。应具热备份式脱扣系统。4.5 特殊要求特殊要求PT线路线路SPD

24、应确保不短路，应确保不短路，CT线路线路SPD应确保不开路。应确保不开路。5 大型地网改造大型地网改造 变电站大型接地网要求接地电阻一般是变电站大型接地网要求接地电阻一般是0.5以内以内(或按公式计算或按公式计算)，对，对于地质情况较差的地方，须采取一些特别措施方可。于地质情况较差的地方，须采取一些特别措施方可。5.1 地网的基本概念地网的基本概念5.2 接地电阻接地电阻5.3 接地电阻的测量接地电阻的测量5.4 接地电阻的要求接地电阻的要求5.5 地网的其他要求地网的其他要求5.6 地网的设计地网的设计5.7 大型地网改造经验大型地网改造经验地网作用：泄放电流及电位基准地网作用：泄放电流及电

25、位基准地网定义：埋于大地的导体总称地网定义：埋于大地的导体总称5.1 地网的基本概念地网的基本概念接地电阻是表征地网的最根本的接地电阻是表征地网的最根本的参数参数接地电阻接地电阻=接地体电阻接地体电阻R1+接地体接地体与土壤的接触电阻与土壤的接触电阻R2+土壤的散流土壤的散流电阻电阻R35.2 接地电阻接地电阻R1R2R3xd电流极电流极电压极电压极D地网地网d25D x/d=0.612正常情况下工频接地电阻大于冲击接地电阻正常情况下工频接地电阻大于冲击接地电阻.5.3 接地电阻的测量接地电阻的测量计算机工作接地按计算机工作接地按GB50174-93要求不大于要求不大于4防雷接地按防雷接地按G

26、B50057-94要求不大于要求不大于10 变电站大型接地网电阻旧要求为小于变电站大型接地网电阻旧要求为小于0.5 0.5,新规定按电流计算新规定按电流计算.5.4 接地电阻的要求接地电阻的要求接地体的防腐性接地体的防腐性对环境的影响对环境的影响跨步电压跨步电压防盗防盗5.5 地网的其他要求地网的其他要求垂直接地体地网常规设计垂直接地体地网常规设计:R=P2L4LdlinP:土壤电阻率土壤电阻率L:接地体长接地体长d:接地体等效直径接地体等效直径()/n*n:接地体数量接地体数量:接地体利用系数接地体利用系数5.6 地网的设计地网的设计（1）、）、采用采用VOLE-2000接地极接地极,并充分

27、利用建筑物基础地并充分利用建筑物基础地.-1米接地体分布图米接地体分布图接地极埋深不小接地极埋深不小于于10米米4*40扁镀锌扁钢扁镀锌扁钢基础地5.7 大型地网改造经验大型地网改造经验2接地极间距接地极间距离不小于离不小于10米米（2）、）、VOLE-2000接地体接地体驱动器驱动器 VOLE2000-1连接器连接器 VOLE2000-2铜包钢接地极铜包钢接地极(1.5米米)VOLE2000-3钻头钻头 VOLE2000-4连接器连接器 VOLE2000-2接地电阻接地电阻=接地体电阻接地体电阻R1+接地体与土壤的接接地体与土壤的接触电阻触电阻R2+土壤的散流电阻土壤的散流电阻R3R1R2R

28、3 VOLE-2000接地极大大降低了接地极大大降低了R2，实验表明：一，实验表明：一支支3米长的米长的50*50*5的镀锌角钢接地电阻为的镀锌角钢接地电阻为80多欧，多欧，同样位置用同样位置用VOLE-2000接地极为接地极为20多欧。多欧。降低成本降低成本优点：优点：防腐蚀防腐蚀施工简单施工简单任意组合任意组合（3）、）、降低接地电阻的其他措施降低接地电阻的其他措施接地体埋入土壤电阻率最低层接地体埋入土壤电阻率最低层.一般深埋至一般深埋至20米米.加大地网面积加大地网面积换回填土换回填土加长效降阻剂加长效降阻剂6 相关案例相关案例近几年来，我们在电力系统中做了大量的工作，积累了近几年来，我们在电力系统中做了大量的工作，积累了较为丰富的经验。较为丰富的经验。广州供电局广州供电局中山供电局中山供电局北海供电局北海供电局韶关供电局韶关供电局河池供电局河池供电局东莞供电局东莞供电局随州供电局随州供电局云浮供电局云浮供电局