变电站防雷案例分析报告

变电站防雷案例分析报告 I 摘 要 变电站是电力系统的枢纽，由雷击造成的事故会引发大面积停电。雷电是带电荷 的雷云引起的放电现象，是过电压的一个重要产生原因。因此，在变电站设计和运行 中必须保证其雷电防护措施的可靠性。 本文首先分析了变电站防雷接地技术的背景和意义，阐述了变电站防雷的内容并 进行综合性分析。其次，研究了变电站二次设备、弱电系统和运行中的防雷接地技术， 概况了每种防雷技术的特点。文章最后总结了变电站防雷与接地技术方法。 关 键 词：电力系统；变电站；防雷；接地 III 目 录 摘 要 .I 目 录 .III 1 提出问题 .1 1.1 课题的背景 1 1.2 感应雷对二次设备的影响 1 1.3 二次设备接地的必要性 2 2 分析成因 .5 2.1 雷电形成的过程分析 5 2.2 雷电的主要特征分析 6 2.3 弱电系统中雷电干扰 7 3 变电站防雷的应用 .9 3.1 电源防雷分析 9 3.2 信号防雷分析 .9 3.3 等位线分析 .10 4 变电站防雷应用展望 .11 5 致 谢 .12 参考文献 .13 1 1 提出问题 1.1 课题的背景 雷击对变电站的一次和二次设备均会产生较大的影响。对一次侧的主要影响表现 在：引起线路过电压从而造成线路对地或相间闪络、损坏变压器及开关设备等。当变 电站一次回路受到强电干扰或二次回路本身受到电磁干扰时，可通过传导、感应和辐 射等途径引入到电子元件上，当干扰水平超过装置逻辑元件或逻辑回路允许的干扰水 平时，将引起逻辑回路的不正常工作，而使整个装置误动或拒动；如果引入的干扰水 平过高，甚至会造成半导体元件的损坏。 当变电站遭受雷击时，雷电流经由避雷针、避雷器或避雷线的接地引下线流入地 网。由于地网接地体阻抗，特别是感抗的作用，使得在雷电流下的地网电位分布变得 极不均匀。同时由于地网接地体上的电流随时间的变化率(di/dt)很大，使得地网附近 的二次回路上产生较高的感应电势。计算机和其它的二次设备对这种幅值高、变化快、 持续时间短的暂态干扰极为敏感，常常会因为处在这种干扰之下而影响正常工作，甚 至还会造成设备的损坏和其它事故的发生。 雷击过电压分为直击雷过电压和感应雷过电压，直击雷是指雷电直接击中电气设 备、线路或建筑物，引起强大的雷电流流过这些物体导致整个系统过电压；感应雷是 指雷云对地放电过程中，放电通道周围空间的电磁场发生急剧变化，在附近导体上产 生感应过电压。 1.2 感应雷对二次设备的影响 感应雷虽然没有直击雷产生的影响猛烈，变电站二次系统发生的雷击事故绝大部 分是由感应雷引起的。下面将介绍感应雷对变电站二次设备的影响。感应雷对二次设 备的影响主要是指在雷云之间放电或雷云对地之间放电时，在附近的户外传输信号线 路、埋地电缆线路、设备连接线上产生电磁感应并侵入设备，使串联在线路之间或线 路末端的电子设备受到损坏。当雷云层与层之间以及雷云与大地之间放电时，在放电 通道周围产生的电磁感应、雷电电磁脉冲的辐射以及雷云电场的静电感应，使建筑物 上的金属部件、管道、钢筋和由室外进入室内的电源线、信号传输线、天线馈线等感 应出雷电高电压，并通过这些线路以及进入室内的管道、电缆等引入室内造成电子设 备损坏。 感应雷的频谱很宽，从能量积累大多分布来看，大多集中在低频段。如 10/700s 冲击波，总能量 95%以上分布在 3 kHz 频率以下；而 1.2/50s 冲击波，大 约总能量 90%以上分布在 18 kHz 频率以下。可见这类波形对工作在低频和直流状态 2 的电子设备危害极大。当集成电路任一个端口的能量达到 106J 左右时，芯片会遭到 永久性破坏。 1.3 二次设备接地的必要性 我国电力事业发展迅速，电力系统容量越来越大。随着继电保护技术和计算机技 术的高速发展，系统中微机型继电保护已应用的极为广泛。从系统保护、线路保护到 设备的元件保护，都已从模拟型和晶体管型更新换代为微机保护。微电子技术已成为 电力继电保护和监控系统中的最重要的技术。 计算机技术和网络技术在电力系统中的应用，大大提高了电力系统运行的安全性 和可靠性，同时也提高了系统暂态稳定和动态稳定性。但是，由于变电站的二次电缆 数目众多并且敷设得错综复杂，导致电力系统和设备一旦发生故障，其暂态过程和故 障电气量的数值陡增，伴随着复杂的电磁振荡过程，微机系统由于自身工作电压低， 在此环境中极易受到干扰。二次电缆和继电保护设备自身的接地和抗干扰性能变得极 其重要。在实际生产中，不断有因二次系统接地方式不正确和干扰造成保护误动作或 开关误跳，甚至造成保护及控制元件损坏的事故出现。 电力系统中的二次系统是由各种二次设备和电缆组成的，几乎所有的电气量都是 通过电缆引入二次设备的。这些电缆处于一次设备的高压电磁场中，工作条件极其复 杂，同时还经受着系统故障时各种暂态环境和各种气候条件的考验。而作为二次系统 的大脑，各种保护装置和信息处理系统，都是由计算机、通信设备等敏感的电子原器 件构成，对各种诸如雷电过电压、电力系统操作过电压、静电放电、电磁辐射等干扰 非常敏感。 为了能使各设备免受干扰的影响，在发电厂和变电站中出于安全的考虑，都会布 置一个范围覆盖全厂或全站的接地网，所有的一次、二次设备都要求与这个地网连接。 地网敷设情况直接影响变电站各设备的运行，电力系统中发生的很多重大事故往往都 和接地网的性能指标以及一、二次设备与地网的连接设计有关。 综上，对于一次系统，可靠的接地有效降低了电力设备的绝缘水平，同时可以有 效避免雷电的危害。对于二次系统，可靠正确的接地能够有效地降低干扰水平，保证 继电保护装置的正常运行和信息畅通。对于操作运行人员，可靠的安全接地有效地减 少了设备故障及系统故障时的不安全因素，保证人身安全。 接地根据工作内容划分为以下几种： 1工作接地 工作接地是为系统正常工作而设置的接地。如为了降低电力设备的绝缘水平，在 及以上电力系统中采用中性点接地的运行方式，在两线一地的双极高压直流输电中也 需将其中性点接地。除主设备的接地外，在微电子电路中，根据电路性质不同，还有 各种不同的工作接地比如直流地、交流地、数字地、模拟地、信号地、功率地、电源 地等。 3 2防雷接地 为了避免雷电的危害，避雷针、避雷线和避雷器等防雷设备都必须配以相应的接 地装置以便将雷电流引入大地。 3安全接地 为了保证人身的安全，将电气设备外壳设置的接地。任何接地极都存在着接地电 阻，正因为如此，当有电流流过接地体时，在接地电阻上的压降将引起接地极电位的 升高电流在地中扩散时，地面会出现电位梯度。 5 2 分析成因 2.1 雷电形成的过程分析 1.雷电概述 人们通过模拟地球原始大气在密室中进行放电的实验，结果由无机物合成了 11 种氨基酸。这些物质的出现，是生命起源的基础，因此，一些生命起源学说认 为，是雷电孕育了地球上的生命。同理，地球上空有一层电离层，它是由正电的 粒子组成，该电离层起着防止太阳和宇宙空间各种有杀害生命作用的射线进入地 面，保护地球上的生命，如果没有这电离层，即使地球上本来已经有的生命，也 会被来自太空的各种射线杀死。由于雷电不断补充电离层放电失去的电荷，保持 电离层总电荷量大体平衡，使这层生命的保护屏障得以保存，使地球上的生命不 致被宇宙射线灭绝。因此，可以说，是雷电促使地球成为文明的星球。 2.雷云的形成 不管是直击雷还是感应雷，都与带电的云层存在分不开，带电的云层称为雷 云。有关雷云的假说很多，但至今尚未有一种被公认为无懈可击的完整学说，这 里介绍其中被认为比较完整并经常被推荐的假说。 根据大量科学测试可知，地球本身就是一个电容器，通常稳定地带了 50 万 库仑左右的负电荷，而地球上空存在一个带正电的电离层，这两者之间便形成一 个充电的电容器，它们之间的电压为 300kV 左右，并且场强为上正下负。 当地面含水蒸汽的空气受到炙热的地面烘烤受热而上升，或者温暖的潮湿空 气与冷空气相遇而被垫高都会产生向上的气流。这些含水蒸汽的气流上升时，温 度逐渐下降形成雨滴、冰雹，水成物在地球静电场的作用下被极化，负电荷在上， 正电荷在下，它们在重力作用下落下的速度比云滴和冰晶要大。因此，极化水成 物在下落过程中要与云粒子发生碰撞，碰撞的结果使其中一部分云粒子被水成物 所捕获，增大了水成物的体积，另一部分未被捕获的被反弹回去，而反弹回去的 云粒子带走水成物前端部分的正电荷，使水成物带上负电荷。由于水成物下降的 速度快，而云粒子下降的速度慢，因此带正、负两种电荷的微粒逐渐分离，如果 遇到上升气流，云粒子不断上升，分离的作用更加明显。最后形成带正电的云粒 子在云的上部，而带负电的水成物在云的下部，或者带负电的水成物以雨或雹的 形式下降到地面。带电云层一经形成，就形成雷云空间电场，空间电场的方向和 地面与电离层之间的电场方向是一致的，都是上正下负，因而加强了大气的电场 强度，使大气中水成物的极化更厉害，在上升气流存在情况下加剧重力分离作用， 使雷云发展得更快。 6 由于设计、制造、安装调试及运行人员对新上设备的性能还未完全掌握，操 作也不够熟练等原因，因此新投产的设备发生事故的概率比较大；而由于长期运 行、绝缘老化、材料劣化、机械振动造成紧固部件的松动等原因，使已经进入寿 命期限后期的老旧设备，进入事故多发期。在这两段寿命期内，应注重投入人力、 物力进行检修。同时有必要增加对设备的在线监测，使运行人员能及时了解处于 故障多发期的设备工况。而对于处于运行稳定的使用寿命期的设备，应着重分析 过负荷运行和短路电流冲击等特殊情况，设备其它异常运行的相关数据和设备的 操作次数，以及电网事故对设备可能造成的不良影响。通过全面系统的科学分析， 判断设备哪些部位或部件易受到损坏，确定是否需要检修，并制定出检修计划时 间和重点检修部位。 2.2 雷电的主要特征分析 1.雷电活动及雷电活动日 雷电活动从季节来讲以夏季最活跃，冬季最少，从地区分布来讲是赤道附近 最活跃，随纬度升高而减少，极地最少。评价某一地区雷电活动的强弱，通常用 两种方法。其中一种是习惯使用的“雷电日” ，即以一年当中该地区有多少天发 生耳朵能听到雷鸣来表示该地区的雷电活动强弱，雷电日的天数越多，表示该地 区雷电活动越强，反之则越弱。我国平均雷电日的分布，大致可以划分为四个区 域，西北地区一般 15 日以下；长江以北大部分地区平均雷电日在 1540 日之间； 长江以南地区平均雷电日达 40 日以上；北纬 23 度以南地区平均雷电日达 80 日。 广东的雷州半岛地区及海南省是我国雷电活动最强烈的地区，年平均雷电日高达 120130 日。总的来说，我国是雷电活动很强的国家。 2.雷电流的特性 雷电破坏作用与峰值电流及其波形有最密切的关系。雷击的发生、雷电流大 小与许多因素有关，其中主要的有地理位置、地质条件、季节和气象，其中气象 情况有很大的随机性，因此研究雷电流大多数采取大量观测记录，用统计的方法 寻找出它的概率分布。根据资料表明，各次雷击闪电电流大小和波形差别很大， 尤其是不同种类放电差别更大。由典型的雷云电荷分布可知，雷雨云下部带负电， 而上部带正电。根据云层带电极性来定义雷电流的极性时，云层带正电荷对地放 电称为正闪电，而云层带负电荷对地放电称为负闪电。正闪电时正电荷由云到地， 为正值；负闪电时负电荷由云到地，故为负值。云层对地是否发生闪电，取决于 云体的电荷量及对地高度或者说云地间的电场强度。云地间放电形成的先导是从 云层内的电荷中心伸向地面，这叫做向下先导。其最大电场强度出现在云体的下 边缘或地面上高耸的物体顶端。雷电先导也可能是从接地体向云层推进的向上先 导。因此，可以把闪电分成四类，只沿着先导方向发生电荷中和的闪电叫无回击 闪电。当发生先导放电之后还出现逆先导方向放电的现象，称为有回击闪电。一 次雷击大多数分成 34 次放电，一般是第一次放电的电流最大，正闪电的电流比 7 负闪电的电流大。 3.闪电的电荷量 闪电电荷是指一次闪电中正电荷与负电荷中和的数量。这个数量直接反映一 次闪电放出的能量，也就是一次闪电的破坏力。闪电电荷的多少是由雷云带电情 况决定的，所以它又与地理条件和气象情况有关，也存在很大的随机性。大量观 测数据表明，一次闪电放电电荷可从零点几库仑到 1000 多库仑。然而在一次雷 击中，在同一地区它们的数量分布符合概率的正态分布。第一次负闪击的放电量 在 10 多库仑者居多。 一朵雷云是否会向大地发生闪击，由几个基本因素决定，其一是云层带电荷 多少，其二是把云层与大地之间形成的电容模拟为平板电容时，它对大地的电容 是多少。当然这个模拟电容两极之间的电压就是由电容和带电量决定的。当这个 模拟电容内的电位梯度达到闪击值时就会发生闪击，当闪击一旦发生，云地之间 即发生急剧的电荷中和。雷电之所以破坏性很强，主要是因为它把雷云蕴藏的能 量在短短的几十微秒放出来，从瞬间功率来讲，它是巨大的。但据有关资料计算， 每次闪击发生的能量只相当燃烧几千克石油所放出的能量而已。 2.3 弱电系统中雷电干扰 1、直击雷 直击雷是指雷雨云对大地和建筑物放电的现象。它以强大的冲击电流、炽热 的温度、猛烈的冲击波以及强烈的电磁辐射损坏放电通道，其最高电流达 200300kA，一般在 2040 kA，其时间甚短，一般仅为 10100 s。直接击在建 筑物构架上，因电效应、热效应和雷电冲击波等作用而造成电力线路、电力系统 弱电设备等损坏。 2、感应雷 感应雷对弱电设备的影响主要是指在雷云之间放电或雷云对地之间放电时， 在附近的户外传输信号线路、埋地电缆线路、设备连接线上产生电磁感应并侵入 设备，使串联在线路之间或线路末端的电子设备受到损坏。感应雷虽不如直击雷 猛烈，但其发生的概率比直击雷高得多。 当雷云层与层之间以及雷云与大地之间放电时，在放电通道周围产生的电磁 感应、雷电电磁脉冲的辐射以及雷云电场的静电感应，使建筑物上的金属部件、 管道、钢筋和由室外进入室内的电源线、信号传输线、天线馈线等感应出雷电高 电压，并通过这些线路以及进入室内的管道、电缆等引入室内造成电子设备损坏。 显然感应雷危害是大面积的，是危害电子设备的主要干扰源。 9 3 变电站防雷的应用 3.1 电源防雷分析 通过多级防雷措施后可以将侵入设备的过电压限制在一个合理的水平。一般电源 部分的防雷采用三级防雷保护。 1第一级防雷保护 设备所在建筑楼层总配电箱的电源引入端配置箱式电源避雷器和配置三相四线制 防雷器，标称放电电流选用 40kA，以实现于直击雷的防护，能够吸收约 90%的雷电 能量；防雷器分别接在总电源交流配电屏输入端的三根相线及零线与地线之间，三根 相线前端串接小型断路器，以预防感应雷击或操作过电压。 2第二级防雷保护 在设备机房配电箱输入端的三根相线及零线与地线之间配置电源防雷器，在直流 电源输出端三根相线前端串接小型断路器。标称放电电流选用 20kA，能进一步吸收 雷电流或过电压，保证直流电源和机房设备的安全。 。 3第三级防雷保护 在机房的重要网络机柜或设备如服务器、小型机、路由器、交换机等输入端采用 模块式电源避雷器。标称放电电流选用 5kA，预防感应雷击或操作过电压。 3.2 信号防雷分析 由于通信接口的过电压保护设计则较为复杂，下面讨论几种常用通信接口的过电 压保护设计。 1.RS-232 接口过电压保护设计。RS-232 串行通信具有同步和异步两种方式，虽 然它们的工作机理不同，但从防雷的角度看两者之间没有本质的差异，只是通信线数 量的多少而已。 2.网络通信线的过电压保护器一般安装在户外网络的进线端和可能产生感应雷电 脉冲的通信线路两端或安装在计算机通信接口的前端。过电压保护器的参数和型号选 择：当采用双绞线通信时，应根据信号的传输速率和工作电平来选择；当采用同轴电 缆通信时，还要考虑通信线路的特性阻抗，使保护器的特性阻抗与之匹配。 3.电话线接口过电压保护设计。利用电话线通信的设备有 MODEM 或 DDU(Digital Date Unit)等。 MODEM 通信的传输速率为 480028800 b/ps，尽管通信 速率是可变的，但 MODEM 在电话线上传输信号的带宽是不变的。 10 3.3 等位线分析 变电站通信和控制系统中的二次设备所处机房的六面都应敷设金属屏蔽网，屏蔽 网与机房内环形接地母线间采用多点连接，注意接地点应均匀布置并采用短线技术， 设备间的连接线尽可能采用较短的导线连接以减小导线上的雷电感应电压幅值。为了 使雷电流造成的地电位差不会对二次设备造成干扰，其等电位连接应做到以下几点： 1二次系统的各个外露可导电部件应建立等电位连接网络。所有等电位连接网 络均应可靠接地。 2二次系统的金属部件如箱体、外壳、机架等与共用接地系统的等电位连主要 有两种方式。 3相对较小的、局部封闭的二次系统，应采用 S 型连接网络。所有设施及电缆 均一点进入该系统。当使用 S 型连接网络时。弱电系统所有金属部件，除在接地点外， 应与共用接地系统部件有足够的绝缘。 4延伸较大的开放系统，应采用 M 型等电位连接网络。当采用 M 型等电位连接 网络时，系统中的金属部件不应与共用接地系统各组件绝缘。M 型等电位连接网络应 通过多点接地方式并入共用接地系统中，并形成 Mm 型等电位连接网络。 11 4 变电站防雷应用展望 近年来变电站自动化程度越来越高，二次系统中集成弱电设备得到了广泛使用， 所以变电站二次系统抗干扰的能力也就成为了保证其安全稳定运行的重要指标。雷电 干扰对二次系统的影响是非常严重的