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 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 性二 次 设 备 ： 低 压 供 电 （ 380V/220V） 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 。 2 变电站二次设备防雷1 雷电基础及电力防雷动态4 电力系统SPD技术性能要求6 相关案例5 大型地网改造3 参考方案 1.2 雷电电性能1.3 雷电入侵楼内设备途径分析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

2、性分析1.6 电力防雷动态 1.1 雷击危害雷 电 是 人 类 社 会 八 大 灾 害之 一 ， 据 初 步 统 计 全 球 每年 雷 击 造 成 直 接 经 济 损 失超 过 140亿 美 元 。 在 中 国一 个 大 中 型 以 上 城 市 每 年雷 击 造 成 直 接 经 济 损 失 超过 6000万 。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 ，

3、 周 围 生 态环 境 严 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 ： 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

4、 并 很 好 解 决 的 课 题 。 I KA t us8 20 8/20US模 拟 感 应 雷 电 流 波0.10.50.91雷 击 过 电 压 是 高 达 几 千 甚 至 上万 伏 ， 微 秒 级 的 电 脉 冲 。1.2 雷电电性能 IEEE规 定 :电 源 线 上 最 高 雷 电 流 10KA,最 高 雷 电 压 20KV 1.3 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

5、近 雷 击 等引 起 的 楼 内 电 磁 场地 线 通 信 线配 电 线 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 “ 干 净 ” 。主 要 的 措 施 有 均 压 、 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 200多

6、 个 35KV以 上 的 变 电 站的 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 。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2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2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39.2% 32.8%12% 8.8% 6.4%2年

7、 没 有 一 次 雷 击 的 站 所 占 比 例 0.8% 变 电 站 二 次 设 备 2年 内 遭 雷 击 损 坏 几 率 保 护 、 录 波 等 设 备 的 站 所 占 比 例后 台 机 的 站 所 占 比 例测 控 （ 远 动 ） 设 备 所 占 比 例通 信 设 备 所 占 比 例 其 他 设 备 所 占 比 例 11.9% 50.5%6.3% 28.8% 9.4%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 直 流 电 源 设 备 所 占 比 例 32.8% 载 波 馈 线 所 占 比 例以 太 网 线 、 RS23

8、2线 、 RS485线 等（ 站 内 被 感 应 ） 所 占 比 例PT线 占 比 例微 波 馈 线 所 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27.6% 变 电 站 二 次 设 备 2年 内 遭 雷 击 损 坏 原 因 (雷 电 入 侵 途 径 )统 计 直 流 电 源 线 路 所 占 比 例 7.8%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

9、 。90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 。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 。 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2.4 交 直 流 配 电 线 防 雷 方 案2.6 接 地 与 屏 蔽2.1 变 电 站 雷 击 特 点2.2 雷 电 入 侵 站 内 二 次 设 备 途

10、 径 分 析2.3 变 电 站 二 次 设 备 雷 击 过 电 压 防 护 原 理 及 原 则2.7 小 结 2.1 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 不高 ， 但 有 自 带 高 压 的 特 点 ， 雷 击 几 率 很 大 。 2.2 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

11、 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 ： 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 避雷 器 等 ， 但 到 站 用 变 还 有 1万 多 2万 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 。 220V直 流 配 电 线 路 ： 变 电 站 的 自 动 化 等 很

12、多 二 次 设 备 是 直 流 220V配 电 ，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 到站 内 二 次 设 备 。 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（ 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 损坏 一 些 敏 感

13、 的 通 信 接 口 （ 如 RJ45口 ， 232口 、 485口 等 ） 。 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 。 测 控 交 流 直 流高 压 场 地主 控通 信 后 台保 护 GPS 到 局 调 度 等PTCTYXYC等 线 变 电 站 主

14、 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 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 采样 或 控 制 线 安 装 相 应 的 SPD， 而 大 部 分 采 样 、 控 制 等 线 路 不 安 装 SPD。原 理 ： 可 能 引 入 雷 电 过 电 压 的 各 种 主 要 线 路 安 装 相 应 的 SPD， 做 好等 电 位 连 接 。 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

15、 的 SPD， 主 控 、 通 信 、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 48V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 流直 流 母 线 VOLE380-160VOLE220-50 VOLE220DC-50VOLE48DC-50 2.5 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

16、 的主 要 通 信 线 路 须 安 装 相 应 的 SPD， 主 控 到 后 台 监控 、 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 SPD。 GPS馈 线 、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-CT VOLE50A PT、 CT M 光 纤载 波 等GPS RJ45网 线485CAN 485 语 音 线CTPT VOLE30AASX5008 VOLERJ45 经 布 线 层 等 的 主 要 通 信 线 安 装 SP

17、D。 屏 内 的 232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 B、 主 地 线 4*40以 上铜 或 钢 (2条 以 上 )C、 设 备 及 需 接 地 的 点 就近 接 地 排 (槽 钢 )。屏 蔽 措 施 :机 柜 接 地 有 良 好 的 屏 蔽 作 用 ,采 用 屏 蔽 电 缆 . 2.7 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 于现 有 条 件 的 基 本 措 施 。（ 1） 交 流 总 配 电 线 路 （ 中 控 室 内

18、交 流 屏 ）（ 2） 直 流 配 电 线 路 （ 中 控 室 内 直 流 屏 ）（ 3） 后 台 机 UPS电 源 （ UPS前 ）（ 4） 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 ）（ 6） 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（ 8） 后 台 机 到 主 控 屏 的 通 信 线 （ 9） PT、 CT（ 10） 其 他 信 号 线 3 参考方案 根 据 前 面 介 绍 的

19、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 4 电力系统SPD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 主 要 防 护 设 备 ， 其性 能 的 好 坏 直 接 影 响 防 雷 系 统 的 效 果 。 电 力 的 二 次 设 备 比 任 何 一 个 系统 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 复 杂 的 系 统 。 S

20、PD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 SPD比 一 般 系统 要 求 高 。 电 源 SPD除 常 规 电 气 性 能 必 须 满 足 我 国 电 网 要 求 ， 通 信 SPD必须 满 足 频 率 等 通 信 质 量 要 求 外 ， SPD在 安 全 方 面 必 须 充 分 考 虑 如下 性 能 要 求 ： 4.1 放 电 电 流4.2 残 压4.3 保 护 模 式4.4 过 流 等 脱 扣4.5 特 殊 要 求 4.1 放 电 电 流交 流 电 源 SPD根 据

21、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 40KA（ 8/20US） 。48V、 220V直 流 电 源 SPD一 般 选 择 放 电 电 流 ： 15KA （ 8/20US） 。通 信 及 网 络 SPD一 般 选 择 放 电 电 流 ： 10KA （ 8/20US） 。 4.2 残 压残 压 可 简 单 地 理 解 为 雷 电 被 SPD泻 放 后 的 剩 余 电 压 。 是 表 征 防 雷产 品 安 全 性 能 中 最 根 本 的 参 数 ，IEEE 1100-1992 The Emerald

22、Book 建 议 残 压 应 不 高 于 设 备 本 身 工作 电 压 峰 值 的 2倍 .(few solid state devices can tolerate much more than twice their normal rating)UP 设 备SPD 交 流 电 源 SPD残 压 应 低 于 700V， 48V直 流 电 源 SDP残 压 应 低 于 180V，220V直 流 电 源 SPD残 压 应 低 于 600V， 通 信 SPD根 据 设 备 端 口 耐 过 压 能 力来 定 。 IEEE 1100-1992 The Emerald Book 建 议残 压 应 不 高

23、 于 设 备 本 身 工 作 电 压 峰 值 的 2倍 .(few solid state devices can tolerate much more than twice their normal rating) 4.3 保 护 模 式 性 能 优 良 的 SPD应 具 备 纵 向 保 护 和 横 向 保 护 ,即 具 备 全 保 护 .LNE V+V-整 流 滤 波 开 关 稳 压 电 力 系 统 应 用 的 SPD应 具 体 全 保 护 模 式 。 组 合 于 一 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

24、准 规 定 :电 源 SPD必 须 有 脱 扣 装 置 .当 SPD损 坏 短路 时 必 须 脱 扣 以 免 出 现 电 气 短 路 故 障 . 设 备SPD 脱 扣目 前 实 现 脱 扣 的 一 般 有 :快 速 熔 断 器 空 气 开 关 机 械 等 方 式 ， 性 能 优良 的 SPD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 电 力 系 统 应 用 的 SPD应 具 热 备 份 式 脱 扣 系 统 。 4.5 特 殊 要 求PT线 路 SPD应 确 保 不 短 路 ， CT线 路 SPD应 确 保 不 开 路 。 5 大

25、型地网改造 变 电 站 大 型 接 地 网 要 求 接 地 电 阻 一 般 是 0.5 以 内 (或 按 公 式 计 算 )， 对于 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5.2 接 地 电 阻5.3 接 地 电 阻 的 测 量5.4 接 地 电 阻 的 要 求5.5 地 网 的 其 他 要 求5.6 地 网 的 设 计5.7 大 型 地 网 改 造 经 验 地 网 作 用 ： 泄 放 电 流 及 电 位 基 准地 网 定 义 ： 埋 于 大 地 的 导 体 总 称5.1 地 网 的 基 本 概 念 接 地 电

26、阻 是 表 征 地 网 的 最 根 本 的参 数接 地 电 阻 =接 地 体 电 阻 R1+接 地 体与 土 壤 的 接 触 电 阻 R2+土 壤 的 散 流电 阻 R35.2 接 地 电 阻 R1 R2R3 x d 电 流 极电 压 极D 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 .5.3 接 地 电 阻 的 测 量 计 算 机 工 作 接 地 按 GB50174-93要 求 不 大 于 4防 雷 接 地 按 GB50057-94要 求 不 大 于 10 变 电 站 大 型 接 地 网 电 阻 旧 要 求 为 小 于 0.5

27、 ,新 规 定 按 电 流 计 算 .5.4 接 地 电 阻 的 要 求 接 地 体 的 防 腐 性对 环 境 的 影 响跨 步 电 压防 盗5.5 地 网 的 其 他 要 求 垂 直 接 地 体 地 网 常 规 设 计 :R = P2L 4LdlinP: 土 壤 电 阻 率L: 接 地 体 长d: 接 地 体 等 效 直 径 ( )/n *n: 接 地 体 数 量 :接 地 体 利 用 系 数5.6 地 网 的 设 计 （ 1） 、 采 用 VOLE-2000接 地 极 ,并 充 分 利 用 建 筑 物 基 础 地 . -1米 接 地 体 分 布 图接 地 极 埋 深 不 小于 10米4*4

28、0扁 镀 锌 扁 钢基 础 地 5.7 大 型 地 网 改 造 经 验2接 地 极 间 距离 不 小 于 10米 （ 2） 、 VOLE-2000接 地 体 驱 动 器 VOLE2000-1连 接 器 VOLE2000-2铜 包 钢 接 地 极 (1.5米 )VOLE2000-3 钻 头 VOLE2000-4连 接 器 VOLE2000-2 接 地 电 阻 =接 地 体 电 阻 R1+接 地 体 与 土 壤 的 接触 电 阻 R2+土 壤 的 散 流 电 阻 R3 R1R2R3 VOLE-2000接 地 极 大 大 降 低 了 R2， 实 验 表 明 ： 一支 3米 长 的 50*50*5的

29、镀 锌 角 钢 接 地 电 阻 为 80多 欧 ，同 样 位 置 用 VOLE-2000接 地 极 为 20多 欧 。降 低 成 本优 点 ：防 腐 蚀施 工 简 单任 意 组 合 （ 3） 、 降 低 接 地 电 阻 的 其 他 措 施接 地 体 埋 入 土 壤 电 阻 率 最 低 层 .一 般 深 埋 至 20米 .加 大 地 网 面 积换 回 填 土加 长 效 降 阻 剂 6 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 了较 为 丰 富 的 经 验 。 广 州 供 电 局 中 山 供 电 局 北 海 供 电 局 韶 关 供 电 局 河 池 供 电 局 东 莞 供 电 局 随 州 供 电 局 云 浮 供 电 局