变电站二次设备防雷技术.ppt

变电站二次设备雷击过电压防护技术交流 深圳普顺科技有限公司 2电力二次设备雷击防护必要性 4变电站二次设备防雷方案 1雷电基础 3目前国内电力防雷动态 5电力系统防雷产品性能要求 6公司及产品介绍 1 2雷击分类 1雷电基础 1 1雷云 1 1雷云 带电的云称为雷云 1 2雷击分类 雷电是一种自然现象 归为大气物理学 雷击的分类方法比较多 按雷击形式分三类 直接雷击 感应雷击 球形雷 直接雷击 雷云对地面某一点或雷云之间的迅猛放电 主要破坏对象是野外的建筑物 人 畜等 IKA tus 10 350 10 350US模拟直接雷电流波 0 1 0 5 0 9 1 直接雷击雷电波 感应雷击 直接雷击发生时 由于静电感应与电磁感应引起的过电压 其主要破坏对象是电子设备 电力二次设备防护是感应雷击防护 IKA tus 8 20 8 20US模拟感应雷电流波 0 1 0 5 0 9 1 雷击过电压是高达几千甚至上万伏 微秒级的电脉冲 感应雷击雷电波 球形雷 飘浮的带电高能量的球体 发生几率很小 目前还没科学的认识 有科学家认为是一个发生 核聚变 的气体球 其危害也是随机的 2电力二次设备雷电防护必要性 2 4雷电防护基本原则 2 2电力二次设备雷电防护必要性分析 2 1雷电危害的几种形式 2 3雷电入侵楼内设备途径分析 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 周围生态环境严重破坏 2 1雷电危害的几种形式 雷击危害的几种形式 1 热效应的破坏作用 雷击中心通道的温度可达3000度以上 3000度以上高温 可熔化钢铁等金属 2 冲击波的破坏作用 雷击通道因温度高使气体快速膨胀 产生冲击波 该冲击波对人 畜有很大的伤害 对建筑物等有破坏作用 气体快速膨胀 类似炸弹 产生强大的冲击波 可以使附近的人畜受伤 震碎门窗玻璃等 3 动力效应的破坏作用 雷击时强大的雷电流流过导体时 导体之间有强大的电磁力作用 雷电流I 雷电流I 由于雷电电磁场作用 两导体间有强大的作用力 4 感应雷电的破坏作用 雷击时 周围产生强大的电磁场 该电磁场损坏附近的设备 处在该电磁场内的导体会感应到感应电动势 即过电压 雷击时强大的电磁场可能直接破坏设备 可能使处在其内的导体感应到很高的过电压 5 雷击引起的高电压反击 雷击时附近某处产生高电压 该高电压对其附近的人 畜 设备等都有危害 雷击时树为高电位 在其下的人可能被该高电位放电产生危险 2003年开始与清华教授等对国内200多个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 2 2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 RS232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 2 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 附近雷击等引起的楼内电磁场 地线 通信线 配电线 地网 电源线路 电源线架空 还可能遭直接雷击 或走电缆沟 当其穿过雷电电磁场时都会感应到雷击过电压 据IEEE等标准电源线路上的雷击过电压可达20KV 雷电流可达20KA 该过电压沿配电线路直接传到设备 并可能将设备损坏 通信线路 通信线架空 还可能遭直接雷击 或走电缆沟 当其穿过雷电电磁场时都会感应到雷击过电压 据IEEE等标准电源线路上的雷击过电压可达10KV 雷电流可达3KA 该过电压沿通信线路直接传到设备 并可能将设备损坏 接地线路 主要是当设备同时接有几个地时存在地反击 或设备接地不规范造成的危害等 雷电电磁场 雷击时 附近有很强的电磁场 该电磁场可能直接损坏设备 也可能通过线路感应出过电压损坏设备 2 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 主要的措施有安装SPD 等电位 屏蔽等 安装SPD SPD能泄放线路上的雷击过电流 并将雷电压钳位在设备能承受的范围内 目前比较先进的SPD是并联型短路工作原理 SPD相当于一快速的电子开关 雷电过来时 开关闭合 雷电入地 保护了后续设备 被保护设备 并联型SPD 等电位 正常不带电的大件金属体 机柜外壳等 连接起来 并与地 采用共用接地方式 做良好连接 以消除金属件之间的电位差 防止地反击等现象发生 机柜 接地母排 柜下的槽钢 地网 屏蔽 采用屏蔽电缆 金属机柜屏蔽等措施 一般的屏蔽措施虽不能完全将雷电屏蔽 但屏蔽能有效地防止高频干扰 一端接地效果差 两端接地效果良好 套金属管双层屏蔽能屏蔽90 的雷电 电力系统高压防雷很早就开始 并取得了良好的效果 但二次设备防雷工作近几年才开始 还没有统一的行业标准 目前还在试点推广应用中 3目前国内电力防雷动态 电力系统还没二次设备防雷的行业标准 随着电力自动化的快速发展 才出了弱电设备防雷的需求 电力系统研究雷电防护最早 早期研究高压线路防雷 各省电力已经开始了二次设备防雷的试点 部分省电力起草了自己的企业标准 近几年的变电站二次设备防雷取得了良好的防护效果 行业标准已经在筹备中 在行业标准推出前 变电站二次设备防雷还存在局限性 4变电站二次设备防雷 4 5主通道信号线防雷方案 4 4交直流配电线防雷方案 4 6接地与屏蔽 4 1变电站雷击特点 4 2雷电入侵站内二次设备途径分析 4 3变电站二次设备雷击过电压防护原理及原则 4 7实际案例 4 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 变电站虽然楼层不高 但有自带高压 外露金属线很多特点 因此 雷击几率及强度都很大 应该按强雷区来设计防护措施 4 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 PT CT YX YC等线 变电站主通道示意图 4 3变电站二次设备雷击过电压防护原理及原则 原则 目前没有相关标准 而现有的其他行业标准及框架式的国标在变电站内没有可操作性 在标准颁布前 变电站二次设备的防雷还是必须的措施 并非完善的措施 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 4 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 UPS 48V整流 直流母线 1 交流屏 作为变电站主要设备的交流总配电 应在交流屏输入端安装SPD 将雷电在入口处尽量地泄放入地 其作用是作为设备总保护 同时减少室内雷电电磁场 2 直流屏 通信电源屏 UPS 主控屏等 其交流配电输入端应安装SPD 其作用有二 一是抑制室内电源线路上感应的过电压 二是作为重要设备的双重保护 3 保护屏 测控屏等 其交流配电输入端为建议安装SPD 这些屏的主要装置主要为直流配电 但也有交流 应按根据实际情况来区别对待 4 直流屏 因直流电源送到了高压场地 应当外线看待 直流屏的控母和合母都应安装SPD 做为直流的总保护 5 保护屏 测控屏 主控屏等 其直流配电输入端应安装SPD 这些屏的主要装置主要为直流配电 应安装SPD 其作用有二 一是抑制室内直流电源线路上感应的过电压 二是作为重要设备的双重保护 6 通信屏 通信屏的直流配电输入端为建议安装SPD 这些屏的主要装置主要为直流配电 但有时线路非常短 应按根据实际情况来区别对待 4 5中控室主要通道信号线防雷方案 交流屏 直流屏 通信 保护 测控 主控 后台监控 PT CT M 光纤 载波等 GPS RJ45网线 485 CAN 485 语音线 CT PT 去调度 变电站的通信线路非常多 在没有标准情况下 我们根据实际经验 以主控屏为核心按照如下设计 1 PT CT 根据实际情况来设计 2 主控屏到后台的网线 在主控屏侧安装SPD 3 主控屏到保护 测控的485线 或网线 在主控屏侧安装SPD 4 主控屏到交流屏 直流屏的485线 或网线 在主控屏侧安装SPD 5 主控屏GPS线 在主控屏侧安装SPD 8 主控屏到后台屏的数据线 或网线 在后台机侧安装SPD 7 主控屏到通信屏的语音线 或网线 在通信屏侧安装SPD 6 主控屏到通信屏的语音线 或网线 在主控屏侧安装SPD 9 通信屏的微波线 载波线 在通信屏侧安装SPD 4 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 目前 变电站的接地与屏蔽已经比较规范 比较规范的措施如下 1 共用接地方式 所有需要接地的设备都接到同一个地网 2 中控室到主地网对称布设两条以上主地线 地线横截面积不小于100mm2 3 中控室内沿各屏柜布设接地母排 或直接用槽钢做为接地母排 各屏柜就近接到接地母排 4 各通信线采用屏蔽电缆 屏蔽层两端接地 5 进出高压场地的通信线路宜采用光纤改造 4 7实际案例 我们在广东 广西 云南 四川 江西 福建等承担了大量的电力二次设备防雷项目 取得了良好防护效果 5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 SPD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 5 1放电电流 5 2残压 5 3保护模式 5 4过流等脱扣 5 5特殊要求 5 1放电电流 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 目前有些标准提出100KA 8 20 或25KA 10 350 的SPD 我们尊重这些标准 但实际上电力系统从来就不提10 350 电力一次设备防雷都只是提50KA 8 20 这是对架空高压线路的 难道对其后的二次线路还要安装100KA的SPD吗 5 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 IEEE1100 1992TheEmeraldBook建议残压应不高于设备本身工作电压峰值的2倍 fewsolidstatedevicescantoleratemuchmorethantwicetheirnormalrating UP 设备 SPD 残压是SPD最根本的安全性能参数 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 5 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 L N E 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 有人说SPD1与SPD2的残压都是1000V 那L N之间的