随着电力系统容量的增加和自动化水平的不断提高,变电站自动化系统已使用了相当数量的计算机、RTU、网络设备和控制装置等微电子设备。这些设备属高度集成化的弱电设备,而其中一些微电子器件工作电压仅几伏,传递信息电流小至μA级,其绝缘水平低,对外界的干扰极其敏感,对雷电等强电磁脉冲和过电压的耐受能力很低。外界的各种干扰通过一定的方式传给系统,就会影响系统对数据的采集、处理和传输,进而影响系统的稳定、可靠运行。而变电站由于所在地土壤电阻率较高或地处山区等,其地网上接地电阻往往很难达到规程的要求,因此,必须采取有效措施,加强和改进变电站自动化系统对抗干扰的防护,减少外界对系统的干扰,提高设备的抗干扰能力。
电力系统的过电压分为外部过电压和内部过电压;外部过电压是由大气放电引起的,亦称作雷电过电压;内部过电压是由于运行操作或产生故障而在电力系统内部产生的;内部过电压又分为“瞬态过电压”和操作过电压,前者为工频或谐波频率,且为持续或弱衰减的,而后者则时间短且衰减快。由于二者同一根源,瞬态过电压和操作冲击波就同时出现。瞬态过电压的持续时间可以从几个周波(假如装有电压继电器),或几秒(如果降压依靠自动电压调整器)直到更长时间(假如只能指望操作人员的干预)。
雷电和与它相连的瞬态场在雷击点引起强烈的电磁骚扰,并通过该瞬态场将其影响扩散到周围造成干扰。由于变电站已经采取了一定的避雷措施(避雷针、引下线、接地装置和均压环等),雷电直击自动化系统的可能性不大,但雷电的强电磁脉冲干扰通过电源线、输入输出线以及接地装置侵入系统,而且强脉冲电磁场会产生强大的感应过电压而严重干扰甚至损坏系统设备。
(1)变电站在遭受雷击时,雷电波在传输线路中形成1.2/50μs电压波和8/20μs电流波单向浪涌,会造成一次设备、二次设备的操作和短路故障。
(2)远方雷电沿输电线路侵入时,当接受设备输入端呈高阻抗,则雷电浪涌对设备形成过电压冲击;当接受设备输入呈低阻抗,则形成过电流冲击。
(3)雷击通信线路时,形成10/700μs瞬变过电压波,时间长、能量大,对信号I/O端口的破坏大。
在电力系统内部,输电线路的事故发生及排除等运行状态的突然变化,各种开关设备的操作,配电线路的阻抗及与配电线路相接的负载发生变化,所有这些变化都会造成供电电压的瞬时变动。供电电压的瞬时变动会产生掉电过电压、电流冲击和高频振荡等干扰。这些干扰通过供电线或接地网络入侵自动化系统,造成自动化设备逻辑混乱,破坏RAM中的程序和数据,影响CPU的正常工作,导致自动化系统瘫痪。
(1)在大容量熔断器断开低压馈电线路时,电路内蓄存的能量的瞬间释放,形成100/1300μs瞬变过电压波浪涌,时间长、脉冲上升慢、能量大、幅度低。对感性负荷设备破坏大。
(2)在断开小电感负载时,断开电磁式继电器、接触器形成2~7kV的快速瞬变干扰连续脉冲,电压上升时间快、持续时间短、重复率高、频率可达数MHz,脉冲群的持续时间为数十ms。对控制信号I/O端口的破坏大。
(3)在高、中压变电站,投切高压母线、断路器和隔离器开关操作或短路故障时,断路器断口电弧重燃续流效应,形成阻尼振荡波,上升时间快、重复率高、持续时间长、振荡频率为100KHz至数MHz。
(4)雷电、操作过电压,波头陡峭的浪涌在低压供电网络或控制信号回路内传播时,因电路中阻抗不匹配而引起反射现象,形成的衰减振荡波,上升时间为0.5μs,频率为100KHz。
由于变电站内集中大量的计算机、GPS时钟设备、交直流逆变电源及网络设备,通过传输介质互连组成自动化系统,内部连接线路纵横交错、非常复杂,当雷击附近大地、架空线路和空中雷雨云放电时直接形成的,或者由于静电及电磁感应形成的冲击过电压,就可能通过与之相连的电源线路、信号线路或接地系统,穿过各种接口,以传导、耦合、辐射等形式,侵入自动化系统并酿成严重的干扰或事故。
雷电引起的瞬时高电压,如果不加遏制,直接由电源线引入自动化系统,会影响其电源模块正常工作,使各功能模块的工作电压升高而工作不正常,严重时甚至会损坏模块,烧坏元器件。
由雷电引起通信线两端设备之间电位差直接作用于相对脆弱的串行通信口,会损坏自动化系统及与其通信的设备的串行口,严重时会损坏整个功能板。
直接与一次设备相连的二次连接电缆感生的感应过电压作用于自动化设备的各隔离板,击穿隔离板输入隔离器件,造成装置板件损坏。
由于接地不规范,不同接地点之间雷电时易形成较高的电位差,产生的电磁干扰会影响自动化系统的运行,损坏装置模板;同时,雷电引起的地电位升高,亦通过设备的接地线引入自动化系统,因此,过电压同样会损坏各种功能模板。
从对深圳变电站自动化系统雷害事故调查统计可以看出:网络接口设备、计算机控制终端、CPU控制模块、数据采集板、通讯接口电路以及UPS电源等被雷击损坏的事故时有发生,这表明:计算机、控制终端及网络设备的接口是雷电浪涌侵入的薄弱环节。
自动化系统雷击过电压保护设计,应根据变电站自动化系统设备安装的具体情况,确定被保护对象和保护等级,在雷电等过电压可能侵入的输入输出口,设置必要的保护,甚至设置多级保护,将干扰自动化系统的过电压抑制在允许范围内。
(1)应注意对电涌保护器SPD(Surge Protective Devices)的合理设置,其保护水平应小于被保护设备的耐压,以达到逐级保护自动化设备的目的。选用SPD时,必须考虑变电站供电电源的不稳定等因素,对SPD的标称导通电压、标称放电电流、冲击通流容量、限制电压、保护水平等参数,根据工程的具体情况进行选择。
(2)对终端设备的保护应采用差模(相线间)和共模(相/线对地)两种保护模式;差模保护对操作过电压有利,共模保护对雷电感应过电压、过电流有利。
(3)SPD的接地线应尽可能短。
正确接地是重要的抗干扰措施。不正确的接地方法,反而会成为干扰的原因。
(1)设置均压环,采用35~95mm2铜网状编织线,围绕房间地面四周,使其形成等电位,防止雷电反击造成的设备损坏。
(2)对地线系统,在不同接地线之间采用等电位隔离器连接,启动电压470V,泄流能力20k A;实施地线优化工程;因为“地”浮空的计算机系统抗干扰性能很强,所以可以优先考虑“地”浮空系统。
屏蔽是防止静电和电磁干扰的一个十分有效的方法。
(1)与自动化系统相连的电力电缆、通信缆线应采用金属屏蔽电缆或敷设在金属管内。
(2)屏蔽电缆屏蔽层两端要接地,对于既有铠甲又有屏蔽层的电缆应将铠甲与屏蔽层同时接地,而在另一端只将屏蔽层接地,镀锌软管两端应良好接地。
安装雷电环境在线监测仪,准确把握感应雷击次数,雷击电流的幅值,零-地电压漂移量。
加强对防雷设施的维护和管理是保护自动化系统的关键。建立严格的管理制度,采取切实可行的措施,强调全方位管理维护,综合治理、层层设防的原则,做到定期检查各连接点,定期测试防雷装置电气特性,定期维护防雷装置,发现问题及时排除,从而保障自动化系统的正常运行。
(1)每年雷雨季节前,应对接地系统进行检查和维护。主要检查:导线连接处是否紧固、接触是否良好、接地引下线有无锈蚀、接地体附近地面有无异常,必要时,应挖开地面,抽查地下隐蔽部分锈蚀情况,如果发现问题应及时处理。
(2)接地网的接地电阻,应每年进行一次测量,并保留记录。
(3)每年雷雨季节前,应对运行中的防雷器进行巡视,发现模块老化情况,及时处理或更换保护单元。
(1)科学地管理好电网,离不开变电站自动化系统,而完善的防雷抗干扰措施,是变电站自动化系统稳定、可靠运行的重要保证。因此,在系统的设计、安装、调试过程中,必须高度重视系统的防雷问题。
(2)严格按防雷接地规程办事,采用综合性防雷措施,应用多重保护技术制作的新型SPD装置在雷击使地电位升高时将设备上的输入电压抑制在设备能承受的范围,是确保自动化系统减少雷害的重要手段。良好的接地与屏蔽,并安装过电压保护器,可使被保护设备的耐雷水平提高10倍以上。
根据对微波通信站调查的结果表明,接地电阻小于1Ω时,雷击损坏率较小;接地电阻在1~56Ω时,雷击损坏率相差不大。因而,在经济合理的前提下,尽可能使接地电阻小于1Ω;当降低地网的接地电阻确实困难时,加强过电压保护,亦可得到很好的防雷效果。
摘要：通过对雷电过电压形成以及来自电力系统的干扰的原因进行分析,针对变电站自动化系统多年的运行及在雷电季节存在安全隐患的问题,按照综合防护的思路,提出了包括对自动化系统信号传输端口与电源端口进行加固、对自动化系统的直流接地与变电站地网实施等电位隔离、地线优化以及增设雷电环境在线监测记录仪等防感应雷击措施。还详细阐述了自动化系统过电压保护设计中对于电涌保护器的选择以及对防雷设施的维护管理。
关键词：变电站自动化,防雷保护,浪涌
推荐阅读：
变电站运维工作的特点07-20
变电站检修规程07-08
变电站运行方式09-12
变电站图纸资料管理05-31
变电站故障处理方案07-02
变电站日常维护计划07-15
变电站安全事故案例07-28
变电站企业文化建设07-03
关于变电站防汛应急预案09-28
110kv变电站验收报告06-08
