變電站微機裝置過電壓保護

梁 倩 李公波

1.青島理工大學（臨沂）；2.國網山東平邑縣供電公司，山東

由多種原因引起的設備過電壓是現代化變電站微機保護系統的主要威脅。本文就變電站中由過電壓的情況引起微機保護裝置損壞的現象和原因予以分析，并對保護措施進行闡述，希望能為以后的微機保護裝置的過電壓保護提供參考。

1 微機保護裝置

微機保護裝置主要采用了數字信號處理技術，即將常規保護連續的模擬量處理方法量化為一種離散的數字式的處理方法。微機保護基本系統包括四部分，數據采集單元、數據處理單元、開關量輸入/輸出系統以及通信接口。

1）數據采集單元：即模擬量輸入系統，它將模擬輸入量轉換為所需的數字量。包括輔助變換器（即電壓形成器）、低通濾波器（ALF）、采樣/保持器（S/H）、多路開關（MPX）以及模/數（A/D）變換器等功能器件。包括變換器、壓頻變換器（VFC）、計數器等器件。

2）數據處理單元：即微機主系統（CPU 主系統）它將數據采集單元輸出的數據進行分析處理，完成各種繼電保護功能。它包括微處理器（MPU）、只讀存儲器（EPROM和E2PROM）、隨機存取存儲（RAM）、時鐘等器件。

3）開關量輸入/輸出系統：完成各種保護的出口跳閘、信號顯示、打印、報警、外部觸點輸入及人機對話等功能。它由多種輸入/輸出接口芯片（PIO 或PIA）、光電隔離器、有觸點中間繼電器等組成。

4）通信接口：在縱聯保護中，與線路對端保護交換各種信息。或在與中調聯絡中，將保護各種信息傳送到中調，或接受中調的查詢及遠方修改定值。它由輸入輸出串行接口芯片構成。

微機保護裝置因其保護響應的速動性、運行維護的方便性以及高靈敏性在電力系統中得到了廣泛的應用。其核心現已發展為32 位的單片機為主要數據處理元件，但是隨著微機保護系統的不斷發展，其系統芯片的具有了更高的集成度，邏輯電路的設計越來越復雜，但是工作電壓卻越來越低，于是要求其工作環境具有更高的穩定性。微機保護系統抗電磁干擾和耐壓沖擊能力始終是電力工業環境下應用中的兩大薄弱環節。

2 引起變電站微機裝置遭受過電壓的原因

微機保護裝置設備遭受異常過電壓根據其來源方式可分為外部過電壓和內部過電壓。

外部過電壓

引起外部過電壓的方式一種由雷云感應使電氣設備引起的過電壓，稱為感應過電壓，另外一種是雷云通過電力網或設備直接放電而引起過電壓稱為直擊雷過電壓。

侵入方式一：外部過電壓通常是通過外部高壓線路侵入變電站母線系統，經過連接在母線上的站用變壓器高低壓繞組電磁耦合闖入站內低壓出線。通常在外部過電壓會經過母避雷器多級削峰，及站變低壓母線的平波作用，電壓幅值會出現較大的下降。但雷電波仍可能以幅值相對較高，但作用時間很短的低能量尖峰脈沖的形式，通過站變系統的低壓出線，存在于變電站內所有的低壓交流回路中。

侵入方式二：雷電波通過高壓線路侵入變電站母線，經過連接在母線上的PT 或者CT 的二次出線竄入微機保護設備的模擬量輸入端口，造成微機保護裝置損壞。

內部過電壓

內部過電壓分為操作過電壓和暫時過電壓兩大類，其中在故障或操作時瞬間發生的稱為操作過電壓，其持續時間一般在幾十毫秒之內；在暫態過渡過程結束以后出現的，持續時間大于0.1 秒甚至數小時的持續性過電壓稱為暫時過電壓。暫時過電壓又可以分為工頻過電壓和諧振過電壓。

微機保護設備比繼電保護設備易遭受過電壓損害的原因：在變電站的二次回路中存在有相當數量的電感線圈（例如控制開關合分閘線圈，電機儲能的繼電器線圈等），這些設備都具有一定的電感量，當電網發生事故跳閘或停電操作時，突然切斷電感電路的電流時會產生較高的反向電動勢。在開關斷開過程中，觸點間的距離尚未到達足夠大時就被其產生的幅值大并且頻率高的的電壓擊穿，高電壓會通過直流操作回路進入電源系統，部分承受電壓水平較低半導體器件就會受到破壞及影響。因為半導體器件的過電壓承受水平較低，反應靈敏，損壞后往往無法正常工作。而此類內部過電壓對電磁元件影響不大，因其絕緣水平較高，并且其動作過程有一定的惰性，所以不會造成誤動作影響正常工作。這就是造成微機裝置損壞而常規保護裝置卻能安全運行的關鍵原因。

3 變電站微機裝置的保護措施

變電站低壓線路上裝設電涌保護器

在變電站保護屏內部，在低壓電源負荷開關下口與易遭受雷電感應過電壓的電源小開關上口安裝電涌保護器（SPD），安裝SPD 是目前低壓系統來限制電壓幅度最有效、經濟、普遍的保護措施。

采取電磁屏蔽措施

對于變電站內一些特別重要的裝置如遠程通信計算機、網絡通訊機等，一旦受到雷擊電磁脈沖的侵襲，有可能帶來重大的工作障礙和經濟損失，為此必須在室內或室外用屏蔽網將房間屏蔽起來。對于一些不十分需要重點保護的微電子設備，也可以用屏蔽箱或法拉第籠來阻擋電磁脈沖的干擾。在設計屏蔽箱時，可根據所要屏蔽的LEMP頻譜來選擇其壁厚、導電率、磁導率和幾何尺寸。

顯然，采用電磁屏蔽措施，可以將雷擊電磁脈沖限制至影響最小化，但是由此將付出的昂貴的代價。

接地與等電位連接措施

接地與等電位連接是微機保護系統防止高電壓損害必不可少的輔助性措施。現代防雷裝置的保護都是基于泄流、限幅和屏蔽原理的，無一例外的都需要可靠接地。只有通過接地，才能使閃電或高電壓主要能量泄入大地。接地線的長度、直徑和接地電阻的大小，需要按照相關設計規范予以確定才能夠保證其效果。但是接地不能代替上述的SPD 防雷裝置，有人認為只要將電氣設備接地了，就不會遭雷擊了，這是錯誤的。

等電位連接是把建筑物內、附近的所有金屬物，如混凝土內的鋼筋、自來水管、其它金屬管道及其它大型的埋地金屬物、電纜金屬屏蔽層、電力系統的零線、建筑物的接地線統一用電氣連接的方法連接起來（焊接或者可靠的導電連接）使整座建筑物成為一個良好的等電位體，防止在這些物件上由于感應過電壓造成對設備內部絕緣的損壞；同時可以防止大電流泄入大地所產生的高電壓反擊。

PT、CT 裝置二次側接地，保證有且僅有一端接地

電壓互感器（PT）二次側要有一個接地點，這主要是出于安全上的考慮。當一次、二次側繞組間的絕緣被高壓擊穿時，一次側的高壓會竄到二次側，有了二次側的接地能確保人員和設備的安全。另外，通過接地，可以給絕緣監視裝置提供相電壓。所有PT 的中性點均引至中控室中的某一保護柜內全站一點接地。

電流互感器（CT）在正常運行時，其二次回路的阻抗很小，基本上接近短路狀態。一次電流所產生的磁化力大部分被二次回路的電流所補償，總磁通密度不大磁路不飽和，二次回路的電動勢也不大。當電流互感器二次回路開路時，回路阻抗無限增大，二次電流等于零，二次繞組磁化力等于零，總磁化力等于一次繞組磁化力。此時一次電流完全變成了激磁電流，由于二次繞組比一次繞組多得多，在二次繞組中產生很高的電動勢，其峰值可以達到幾千伏，極易造成儀表、微機保護裝置損壞。

公用電流互感器二次繞組的二次回路只允許、且必須在相關保護屏內一點接地。獨立的、與其他電流互感器二次回路沒有電的聯系CT 二次一點接地在開關場接地更適宜，當一次繞組擊穿時，接地線最短，限制高電壓傳入二次回路最有效。

中性點加裝消弧線圈

在中性點加裝消弧線圈可以避免因電弧接地而引起的過電壓；改善電網的參數或者運行方式避免諧振條件的形成；保證斷路器三相同期動作，不重燃，或在斷路器觸頭處裝低值并聯電阻，降低操作過電壓；裝設并聯電抗器補償線路的電容效應，限制切合空載線路時的過電壓

4 結語

隨著變電站對微機保護裝置靈敏性與精密系的要求越來越高，變電站微機保護裝置的保護日漸重要，為了保證變電站微機系統的穩定可靠，保障變電站的安全運行，變電站微機保護裝置需要從外部工作環境及內部工作機理上多方面、多層次的保護同時對其定期檢查。