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高电压技术论文 转载整理 2011 11 24 13高电压技术论文(转载整理) (2011-11-24 13:58:25) 2011年11月24日目 录 1.摘要2 2.概述2 3.1雷的直击和绕击3 3.2雷击反击3 3.3感应雷4 3.4雷电波侵入4 4.传统变电站的防雷措施4 5.传统变电站防雷措施的局限性5 5.1避雷针5 5.2避雷器5 5.3变电站内建筑物的防雷措施6 5.4变电站的地网及其他6 5.5二次设备防霄措施6 6.变电站加强防雷保护的几点措施7 7.结束语8 变电站电子设备的防雷分析及保护措施 1.摘要 雷电一直是危害电力系统安全稳定运行的重要因素之一,如果变电站发生雷击事故,将造成大面积停电,给社会生产和人民生活带来不便,这就要求防雷措施必须十分可靠。目前,电力系统高压部分的雷电防护措施已经比较完善,而低压系统是由大量电子、微电子等弱电设备组成,由于其耐压水平低,雷电波侵入弱电系统时易导致设备的误动、击穿,严重影响了电力系统的安全稳定运行。国内外对二次系统的防护主要从电磁兼容角度进行研究,并未提出完善的保护措施。本文对雷电从一次设备耦合到二次设备的传播途径进行了系统理论研究,并从电源系统、地电位干扰方面提出了比较完善的防雷保护措施。 文中对直击雷、感应雷、雷电浪涌进行了分析，阐述了雷击对变电站内电子设备的危害，提出了采取的防护措施。 关键词雷击危害 变电站 电子设备 措施 2.概述 随着我国现代化建设的不断提高，各类先进的电子设备广泛地运用到了各电压等级的变电站内。但是一方面由于电子设备内部结构高度集成化，从而造成设备耐压、耐过电流的水平下降，对雷电（包括感应雷及操作过电压浪涌）的承受能力下降，另一方面由于信号来源路径增多，系统较以前更容易遭受雷电波侵入。据统计，雷电对电子设备的损坏占设备损坏因素的比例高达26%，例如变电站线路落雷，造成主控地与设备之间的电位差而损坏大量的保护设备；变电站的微波塔落雷，由于感应过电压而造成大量的通讯、远动设备损坏，我们应当对雷电的危害性引起高度重视，加强防雷意识，做好变电站预防工作，将雷害损失降到最低限度。 变电站一次系统和二次系统是一个相辅相承、相互关联的整体，但二次系统的耐过电压水平要比一次系统小的多，如果二次系统的防雷设施不完善，极易由于一次系统对二次系统的雷电反击造成变电站二次控制部分瘫痪而发生变电站毁灭性的事故。 尽管在变电站的设计中加强了对二次设备的防过电压保护。但近几年来，大量的微机保护等在变电站保护、远动的升级中使用，大规模集成电路的耐过电压水平比原来的晶体管电路脆弱了许多，晶体管设备的耐压水平可达到5001000V，而大规模集成电路的耐压水平不到100V。在对变电站的保护、远动等弱电设备进行升级换代时一定要考虑设备的防过电压措施。下面笔者就在110KV及以上系统中电压互感器二次回路中性点保护用无间隙金属氧化物避雷器的技术条件做初步探讨。 电压互感器作为隔离高低压系统的重要设备其二次回路上必须有一点接地，对连接了多组电压互感器的二次回路上，必须确保只在一点接地，接地点宜选在控制室内。为了更好地保护电压互感器二次回路免受雷电过电压的危害，本文提出可以考虑在电压互感器安装处对其中性点实现附加保护以提高防雷效果电压互感器中性点的保护装置可选用低压无间隙金属氧化物避雷器(简称避雷器)。该避雷器应在PT高压侧的雷电侵入波通过电容耦合到二次回路时可靠动作，并呈现低电阻，使PT二次回路中性点接近直接接地，增大了二次回路的等值电容(与中性点不接地相比)，从而降低二次回路上的静电耦合过电压幅值，保护二次回路的安全；而在电网发生接地故障，变电所地网注入最大可能的短路电流产生的ab两点间电位差作用下避雷器不动作，以避免出现多点接地。一般来说设备绝缘水平的提高势必引起生产成本，设备体积呈现几何级数的增长。在现有条件下根据国家电网“两型一化”精神的要求严格控制设备造价和体积，提高设备绝缘水平来增加二次设备的防雷安全水平是非常困难的。为此我们提出以上方案，采用了避雷器保护后，在雷电情况下呈现低电阻(标称电流下小于1.6)，对电压互感器二次中性点实现了有效接地。避雷器的保护水平(一般为2300V)低于电压互感器二次回路的工频耐压峰值(一般为2828V)间接地提高了设备的绝缘水平，在投资基本不变的条件下对电压互感器二次回路将具有更大的保护裕度。 现在，防护体系已从单一防护体系转为多级防护，根据数字程控、数字微波、VHF、光电传输、交直流电源等所有微电子设备的不同功能、不同受保护程度确定防护要点和保护等级。采用以上方案后弥补了变电站二次系统的防雷缺陷，也是很好的落实了“整体防御、综合治理、多重保护”原则，力争将雷电产生的危害降低到最低点。 3.几种主要的雷击方式 3.1雷的直击和绕击 雷云单体浮在大地上空，其所带电荷拖着地表相反电荷犹如一个影子随风移动。如果途经变电站的避雷针或地表其他突出物，地电荷会导致突出物顶端电场畸变集中。闪电开展之前先是雷云底部的始发先导按间歇分级跃进方式向地表发展，当距地面50100m时，由避雷针等地表电场畸变集中的地方产生垂直向上的迎面先导。两者相接，进入直击或绕击的主放电阶段。 通常当地面上突出物的高度为h，雷云正下方的平均电场强度大于和等于580h-0.7 kV/m时，则该突出物将容易受到直击雷。原因是高为h的避雷针可影响雷云单体向下的始发先导发展方向的半径，用公式表述为：R16.3h0.61m。该式还表明，地表安装独立避雷针后，将会在其附近出现大量的散击，甚至对避雷针进行直击，对受避雷针保护范围内的物体进行绕击。 一次雷击主放电一般为几万安培到十几万安培，释放的能量相当大，瞬间所产生的强大电流、灼热的高温、猛烈的冲击波、剧变的静电场和强烈的电磁辐射等物理效应给人们的生产生活带来多种危害，如引起火灾和大爆炸，金属导体连接部分断裂破损，建筑物倒塌，电气设备损坏等等。 3.2雷击反击 直击雷电流通过地表突出物的电阻入地散流。假如地电阻为10，一个30kA的雷电流将会使地网电位上升至300kV。如果受雷击变电站输电线路来自另一个不同地网的变电站，那么上升的地电位与输电线上的电位将形成巨大反差，导致与输电线路相连的电气设备的损坏。不仅仅是输电线路、动力电缆，凡是引进变电站的金属管线都会引起雷电反击。 另一种雷电反击，对变电站的电子设备危害也不容忽视。雷电流沿变电站的接地网散流，支线上的雷电流和各点电位差异很大。连接在不同等电位地网上的电子设备，如果其间有电信号联系，那么超过其容许承受能力的地电位差将导致设备损坏。 3.3感应雷 直击雷放电的能量通过电磁感应和静电感应方式向四周辐射，导致设备过电压放电，则为感应雷。感应雷虽然没有直接雷猛烈，但其发生的几率比直击雷高得多。感应雷的破坏也称为二次破坏。雷电流变化梯度很大，会产生强大的交变磁场，使得周围的金属构件产生感应电流，这种电流可能向周围物体放电，如附近有可燃物就会引发火灾和爆炸，而感应到正在联机的导线上就会对设备具有强烈的破坏性。显然，感应雷危害是大面积的，是电子设备的克星。 有资料计算表明，当雷电电流为30 kA斜角波，雷云高度为3 km，导线高度为10m，击中距末端匹配的500m长架空线路中点100m处地面时，线路上感应电压为150 kV幅值的振荡波。此波为电磁感应和静电感应共同作用的结果。 事实上，在生产实践中，雷击的静电感应破坏力数倍于电磁感应。静电感应还可用雷电的二次效应理论来解释。带电雷云飘浮在地表上空，地表带上与雷云相反的等量电荷。当雷击过后，雷击点地表变为电荷的相对空穴，周围高电荷区域内与地电位相对绝缘的导体上的电荷，将像受突然击发的水波一样冲向雷击点，导致设备打火，绝缘受损和电子设备失效。特别注意的是电子设备的高阻抗输入回路，信号回路等引线较长，且直接连接的金属体积较大处，虽然已作电磁屏蔽（采用屏蔽电缆且屏蔽层两端接地）仍会遭受厄运。 3.4雷电波侵入 远方落雷，通过直击或电磁感应和静电感应方式从高压输电线路、配电线路、低压电源线路、通信线、电缆线、金属管道等途径侵入变电站、由于管线相对较长，且存在着分布电感和电容，使雷电传播速度减慢，这样一种现象用波传输理论来说明的概念称作雷电波。雷电波在传输过程中通过不同参数的连接线段或线路端点时，波阻抗发生变化会产生反射、折射，可导致波阻抗突变处的电压升高许多，加大了对设备的危害。 4.传统变电站的防雷措施 变电站遭受的雷击是下行雷，主要来自两个方面：一是雷直击在变电站的电气设备上；二是架空线路的感应雷过电压和直击雷过电压形成的雷电波沿线路侵入变电站。因此，直击雷和雷电波对变电站进线及变压器的破坏的防护十分重要。 (1) 变电站的直击雷防护。装设避雷针是直击雷防护的主要措施，避雷针是保护电气设备、建筑物不受直接雷击的雷电接受器。它将雷吸引到自己的身上，并安全导入地中，从而保护了附近绝缘水平比它低的设备免遭雷击。 装设避雷针时，对于35kV变电站必须装有独立的避雷针，并满足不发生反击的要求；对于110kV及以上的变电站，由于此类电压等级配电装置的绝缘水平较高，可以将避雷针直接装设在配电装置的架构上，因此，雷击避雷针所产生的高电位不会造成电气设备的反击事故。 (2) 变电站对侵入波的防护。变电站对侵入波防护的主要措施是在其进线上装设阀型避雷器。阀型避雷器的基本元件为火花间隙和非线性电阻，目前，FS系列阀型避雷器为火花间隙和非线性电阻，其主要用来保护小容量的配电装置SFZ系列阀型避雷器，主要用来保护中等及大容量变电站的电气设备；FCZ1系列磁吹阀型避雷器，主要用来保护变电站的高压电气设备。 (3) 变电站的进线防护。对变电站进线实施防雷保护，其目的就是限制流经避雷器的雷电电流幅值和雷电波的陡度。当线路上出现过电压时，将有行波沿导线向变电站运动，其幅值为线路绝缘的50冲击闪络电压，线路的冲击耐压比变电站设备的冲击耐压要高很多。因此，在靠近变电站的进线上加装避雷线是防雷的主要措施。如果没架设避雷线，当靠近变电站的进线上遭受雷击时，流经避雷器的雷电电流幅值可超过5kA，且其陡度也会超过允许值，势必会对线路造成破坏。 (4) 变压器的防护。变压器的基本保护措施是靠近变压器安装避雷器，这样可以防止线路侵入的雷电波损坏绝缘。 装设避雷器时，要尽量靠近变压器，并尽量减少连线的长度，以便减少雷电电流在连接线上的压降。同时，避雷器的接线应与变压器的金属外壳及低压侧中性点连接在一起，这样，当侵入波使避雷器动作时，作用在高压侧主绝缘上的电压就只剩下避雷器的残压了(不包括接地电阻上的电压压降)，就减少了雷电对变压器破坏的机会。 (5) 变电站的防雷接地。变电站防雷保护满足要求以后，还要根据安全和工作接地的要求敷设一个统一的接地网，然后避雷针和避雷器下面增加接地体以满足防雷的要求，或者在防雷装置下敷设单独的接地体。 5.传统变电站防雷措施的局限性 5.1避雷针 为免遭直击雷破坏，变电站一般采用独立避雷针和构架避雷针进行防雷保护。其结构均分为接闪器、引下线和接地体，防雷原理相同。 独立避雷针的保护范围对地面为1.5h（针高），对超过针高一半的空间其保护范围只能在45角内校核。目前国际上流行的一种滚球法理论校核独立避雷针的保护范围比较符合实际。滚球法理论认为直击和绕击与雷云带电量有关，能量越小的雷越易产生绕击。可形象地解释为一个半径与雷云带电量成比例的以雷云先导为圆心的球，滚落在地面上。到碰到避雷针尖为止。球与地面接触点到针尖这段弧，如果碰不到被保护物体，则被保护物处在保护范围内。如中等强度的雷云(U0=50MV),按雷电先导的闪击距离公式rs=1.63 U01.75，可得球的半径为133m，在此情况下得出的保护半径比有关设计规程的大一些。按防雷规范核保护范围，一般110kV中等规模变电站采用35根，35 kV变电站14根30m左右避雷针，即可以覆盖全站被保护区范围。 避雷针的年雷击次数，可按经验公式N=0.015nk(l+5h)(b+5h)10-6计算。其中n为年雷暴日数，k为校正系数，金属结构取2，l、b、h分别为建筑物的长、宽、高。按该式在年雷暴日为40的地区，35kV室外终端变电站，母线构架5.5m高，受雷击概率为每年0.000454次，而加1根30m高避雷针后，则每年将受0.027次雷击。如果一个变电站有4根针，每边相距50m，雷击概率则为0.048次/年。由于避雷针的存在，建筑物上落雷机会反倒增加，内部设备遭感应雷危害的机会和程度一般来说是增加了。 5.2避雷器 为了防护感应雷和输电线路的雷电侵入波的危害，变电站内采用了避雷器。以前装设的避雷器大多为装在线路端的管型避雷器和装在母线、设备处的阀型避雷器，目前均由性能更好的金属氧化物避雷器所取代。 由于雷电侵入波主要对35kV以下系统危害较大，变电站着重对35kV和10kV线路入侵波进行了防护。对35kV架空进线，一般是采用进线段12km的架空避雷线配其两端的管型避雷器进行防护。对10kV线路，则每条进线均采用一组阀型或氧化锌避雷器进行防护。上述防护措施均未考虑低压部分过电压，未考虑雷电入侵波或危险电位通过进所金属管线引入构成对电子设备的威胁。 5.3变电站内建筑物的防雷措施 变电站的建筑物一般有高低压室、主控室、通讯室以及部分附属办公楼住宅楼等，按建筑物防雷等级划分，变电站生产性建筑物一般被划分为第三类工业建筑。由于设计时一般将此类建筑物置于变电站避雷针保护范围内，因此除通讯室按相关标准进行过防雷处理外，其它部分因不设屋面避雷针和避雷带，故均压带以及利用建筑物钢筋作分流线和组成法拉第笼屏蔽网等措施均未采用。对于防雷电波入侵，引入建筑物内的缆线等一般均通过与接地网连成一体的电缆沟支架和电缆竖井支架引入，且部分电缆作了两端屏蔽接地处理。 由于以往建筑物防雷未考虑当今大量电子设备的防护问题，致使许多已建的建筑物，存在严重的防雷先天缺陷。电子设备防感应雷基本上靠机壳和内部措施，使其可靠性下降。 5.4变电站的地网及其他 由于变电站建筑物未考虑直击雷泄流通路，其地网处理一般是与所内主接地网相连，形成联合地网。但由于该联合地网从主控室到高压室到以及室外高压配电装置，因为距离远、面积大，各种电子设备之间的联系复杂，地网各点电位不同易造成设备工作出错和损坏。其中影响最大的是高频电缆、长距离导引电缆、控制电缆，以及就地布置的电子设备与主控制室之间的网络线等。 建筑物内金属门窗、玻璃幕墙、吊顶龙骨架、灯线、管线等，常常被予以忽视，未作接地。还有二次回路使用的直流蓄电池作浮点运行（特别是旧式电池体积庞大），这些都是雷电二次效应的入侵点。 5.5二次设备防霄措施 （1）电源保护。采用过压保护器(电涌保护)、防雷端子等提高电气设备自身的防护能力，防止电气设备被击坏。安装在变电站内的保护装置、通信调度自动化系统大多采用交流电源或直流电源为其设备供电，运用现代防雷技术来分析，必须增加回路的分流措施，因为其工作接地、保护接地都与其它电气设备采用同一接地装置。 根据雷电防护区域的划分原则，变电站内二次设备供电系统感应雷电过电压的防护可以按两级(B、c级)来进行分流保护。B级防雷一般采用具有较大通流容量的防雷装置，可以将较大的雷电流泄散入地，从而达到限流的目的，同时将过电压减小到一定的程度，c级防雷采用具有较低残压的防雷装置，可以将回路中剩余的雷电流泄散入地，达到限制过电压的目的，使过电压减小到设备能耐受的水平。 （2）计量及保护系统的防护。在二次自动化设备中，信号显示、功率计算、异常监测和线路保护的判断依据都是变电站的电流互感器和电压互感器，如果这两种设备出错甚至损坏都会对整个二次自动化监控系统造成无法估量的损失，甚至造成系统的瘫痪，所以电流互感器和电压瓦感器后端的电子设备的保护是至关重要的。为了提高防护质量，应该同电源防护一样进行分级防护，一级防护：在电流互感器或电压互感器的低压侧安装电流、电压互感器型电涌保护器，二级防护：在电流互感器或电压互感器线路进入控制配电柜处安装电流、电压互感器电涌保护器。如此，经过双层保护，使从互感器窜入的雷电流基本能够控制在线路能够承受的额度之内，从而保证了整个系统的正常运行。 变电站的微机保护设备容易受到电磁干扰，由于受到电磁感应，在被测信号上产生叠加的申模干扰。由于受到静电感应、地电位差异的影响，在信号线任一输入端与地之问产生叠加的共模干扰。防干扰措施通常采取屏蔽和接地相结合，将所有屏蔽电缆分屏屏蔽，用截面积2.5mm2多股铜芯软线作为接地线，分别与汇流接地母排电连接，汇流接地母排与屏体绝缘，并采用单芯屏蔽电缆(95mm2)与室外接地体做一点连接。 （3）通信线路防护。电力系统综合自动化变电站的局域网的安全防雷保护从机房到各保护装置的通信线，如果采用架空线路，则易受到雷击，应在进机房前改为地埋电缆，电缆长度应大于50m，其金属外护层应在两端分别与机房地网连接，采用非金属护套电缆时，应穿金属管埋地，至少金属管两端同样应接地，金属管全长应保持电气连接。 6.变电站加强防雷保护的几点措施 由以上分析可看出，变电站传统的防雷措施对高压电气设备的防护是有效的，但对电子设备的防护并不恰当，必须在原定防雷措施基础上，更进一步进行防范。采取措施的原则应是分区防护、三级过压保护、多重屏蔽、均衡电位、浮点电位牵制。 1.第一级防护区为全所范围内的高压设备部分和高压线路的进线段保护范围。主要措施为采用独立避雷针、构架避雷针、架空避雷线、高压避雷器、设备引下线、主接地网。其主要任 务为引雷、泄流、限幅、均压，完成基本的防雷功能。 由于避雷针的采用增加了雷击概率，感应雷对电子设备的危害机率增加，因此为了减轻雷击感应幅射，在有些工程采用了带屏蔽作用的引下线，有的采用多条引下线分流，这些措施均可起到一定作用。 另外有些变电站以前选用了导体消雷器、半导体消雷器、少长针消雷器等多种类型的无源消雷器。由于消雷器的保护范围至少与同等高度避雷针一样，因此对于消雷器的运行，如能够消雷或部分消雷，都将会对电子设备有益，可予以保留。 2.第二级防护区包括进出变电站管线、二次电缆、端子箱、所用电系统。其主要任务是防感应雷过电压和侵入波过电压的传递，以及危险电位内引外送。包括以下部分： （1）进出站管线处理 进出变电站管线包括水管、煤气管、电源线、信息传输线等。进站金属管类均应直埋进所且与地网分几处连接。所用电源一般不外送，如内引应经隔离变压器引入，引入前须直埋15m进站。进出站的信息传输线缆应穿管直埋入站并经保安单元或相应的数据避雷器后引入机房。有金属线的光缆穿管直埋入站应先经接地汇接排后才能引入机房。接地的波导管本身具有良好的防雷作用，不需加避雷器，按规程沿路接地即可。对于天馈线防雷主要在同轴电缆进户处加装相应的高频浪涌保护器，并且天馈线的顶端通过金属支架接地，如无金属支架，则采用12以上镀锌圆钢下引接地。如果天线馈线较长，在其中间应隔20m左右与下引接地线跨接一次。 （2）二次电缆及端子箱 直接与电子设备屏柜和装置相连的控制信号电缆、电流、电压回路电缆都应该采用屏蔽电缆，且屏蔽层金属保护层及备用芯均应两端接地。端子箱及断路器机构箱等不管内部是否安装电子设备均应避开避雷器或构架避雷针的主要散流线接地。 （3）所用电系统 根据建筑物防雷设计规范（GB50057-94）规定，对微电子设备的供配电系统应采取三级过电压保护。三级分别为所用变低压出口，所用电配电柜及各分路出口。 低压配电系统避雷器一般以MOV（金属氧化物可变电阻）为主。MOV的主要用途是保护那些必须满足瞬态电压浪涌抑制器各项要求的产品免受雷电损害，它是组成大多数电涌保护器SPD的基本器件。在选择SPD设备时，有几个参数需要考虑，如最大持续工作电流、输入频率、峰值电涌电流、可测限制电压（也称残压）、响应时间、重量和外型尺寸等。SPD产品通常是并行连接的，最好能通过一个隔离开关，连接距离越短越好，不超过150厘米，随着距离的增加，电涌抑制效果会下降。 3.第三级防护区