試論變電所微機(jī)裝置防雷保護(hù)

陳文爽

摘 要：微機(jī)保護(hù)和自動(dòng)化裝置以其高度的靈敏性，速動(dòng)性和維護(hù)管理的方便性，在電力系統(tǒng)中得到了飛速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。但微機(jī)系統(tǒng)越是先進(jìn)，芯片的集成度就越高，電路越復(fù)雜，工作電壓越低，對(duì)環(huán)境穩(wěn)定性的要求也越高。抗干擾和耐沖擊始終是微機(jī)系統(tǒng)在電力工業(yè)惡劣電磁環(huán)境下應(yīng)用中的兩大薄弱環(huán)節(jié)。

關(guān)鍵詞：微機(jī)保護(hù)；自動(dòng)化裝置；雷擊；運(yùn)行安全

1 前言

隨著科學(xué)技術(shù)的日新月異，微機(jī)保護(hù)和自動(dòng)化裝置以其高度的靈敏性，速動(dòng)性和維護(hù)管理的方便性，在電力系統(tǒng)中得到了飛速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。但微機(jī)系統(tǒng)越是先進(jìn)，芯片的集成度就越高，電路越復(fù)雜，工作電壓越低，對(duì)環(huán)境穩(wěn)定性的要求也越高。抗干擾和耐沖擊始終是微機(jī)系統(tǒng)在電力工業(yè)惡劣電磁環(huán)境下應(yīng)用中的兩大薄弱環(huán)節(jié)。而雷擊事件由于其極高的電壓幅值和不可預(yù)測(cè)性更是微機(jī)系統(tǒng)的“天敵”。它極大的威脅著 現(xiàn)代 化變電所的運(yùn)行安全，應(yīng)該引起我們足夠的重視。

2 問題的提出

興隆林區(qū)有一處110 kV變電所地丘陵地帶。屬季風(fēng)雷害比較嚴(yán)重的區(qū)域。該所始建于90年代，由于原來(lái)是按常規(guī)所設(shè)計(jì)，標(biāo)準(zhǔn)比較低。近年引進(jìn)一些微機(jī)裝置后，雷害現(xiàn)象頻頻發(fā)生。比較嚴(yán)重的就先后發(fā)生了三次由于雷電波通過所用變低壓側(cè)和兩路引出的通信電纜入侵，致使載波機(jī)電源、遠(yuǎn)動(dòng)柜的電源插件、RTU信號(hào)插件、UPS和后臺(tái)監(jiān)控微機(jī)都受到了不同程度的損壞。2008年底我們專門組織了技術(shù)力量，在上級(jí)部門的支持下對(duì)該所進(jìn)行了有針對(duì)性的防雷整改。

為了有針對(duì)性和客觀性地分析問題，我們搜集了近幾年本地區(qū)幾起雷害事故進(jìn)行比較研究，在研究中我們發(fā)現(xiàn)了幾個(gè)值得注意的現(xiàn)象：①該所雖屢遭雷害，使遠(yuǎn)動(dòng)和微機(jī)裝置多次燒毀，但該所的電磁式保護(hù)回路卻未發(fā)生任何雷害事件。②距離該所僅8 km的一處220 kV變電所在1998年發(fā)生了一起雷電波侵入，引起了新改造的微機(jī)線路保護(hù)裝置的電源和部分輸入模塊燒壞的事故，而其他的常規(guī)的電磁式保護(hù)和自動(dòng)裝置卻完好無(wú)損。③距離該所5 km的另一處110 kV變電所，全所使用全套微機(jī)保護(hù)、監(jiān)控及自動(dòng)裝置，投產(chǎn)5年以來(lái)從未發(fā)生過類似的雷害事故。

3 原因分析

3.1雷電波的侵入過程

雷電波通常是通過變電所臨近的10 kV線路侵入10 kV母線，再經(jīng)過10 kV所用變壓器高、低壓繞組間的靜電和電磁耦合，闖入低壓出線。途中經(jīng)過了10 kV線路閥式避雷器、母線閥式避雷器和所用變閥式避雷器3級(jí)削峰，再經(jīng)過所用變低壓出線的平波作用，電壓幅值大為下降。但由于雷電波的電壓、能量極高，且閥式避雷器等設(shè)備技術(shù)上的局限性，雖然絕大部分的雷電能量都能在到達(dá)設(shè)備之前得以消除，但雷電波仍可能以幅值相對(duì)很高，但作用時(shí)間很短的低能量尖峰脈沖的形式，通過所用變壓器的低壓出線，加到變電所內(nèi)所有的220 V交流回路中。還有一種情況，就是感應(yīng)雷電波通過調(diào)度遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)的RTU設(shè)備和信號(hào)采集的二次電纜入侵，以很高的電壓直接加到遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)的信號(hào)和傳送端上，造成接收和發(fā)送端模塊燒壞。

3.2微機(jī)設(shè)備屢遭雷害的原因

變電所的保護(hù)和合閘電源直流系統(tǒng)的整流充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)容量都比較大，電壓耐受能力也比較好。而且由于大容量電池組吸收尖峰脈沖的作用，和整流回路的平波作用，加到保護(hù)裝置上的脈沖電壓大大降低。再加上常規(guī)的電磁式保護(hù)裝置的元器件多為單元件的電阻、電容和電感線圈等，耐熱容量大，對(duì)尖鋒脈沖的耐受能力也比較強(qiáng)，所以能安全度過低能量、高電壓的沖擊暫態(tài)過程。但對(duì)于使用超大規(guī)模集成電路，運(yùn)行電壓只有數(shù)伏，信號(hào)電流僅為μA級(jí)的微機(jī)裝置來(lái)說，就不一定能經(jīng)受得住。這就是造成微機(jī)裝置損壞而常規(guī)保護(hù)裝置卻能安全運(yùn)行的關(guān)鍵原因。

3.3遠(yuǎn)動(dòng)載波系統(tǒng)受雷害特別嚴(yán)重的原因

首先是電源方面：調(diào)度的遠(yuǎn)動(dòng)載波系統(tǒng)多由獨(dú)立的小容量UPS供電，而這些UPS最多的是使用壓敏電阻保護(hù)。在防雷和限幅能力都比較有限，保護(hù)UPS本身尚且不夠，更不用說保護(hù)后接的電子設(shè)備了。實(shí)際運(yùn)用中也屢屢發(fā)生UPS雷擊燒毀現(xiàn)象，所以單從提高UPS質(zhì)量方面入手難以從根本上解決問題。其次是信號(hào)端方面：該所有兩路RTU出線比較長(zhǎng)，且沒采用屏蔽電纜，又地處雷電多發(fā)區(qū)，廠所端也沒裝設(shè)任何防雷設(shè)備，變電所和沿線附件落雷都很容易在電纜中感應(yīng)出很高的雷電壓并通過電纜直接加到設(shè)備上，造成設(shè)備的擊穿損壞。相比之下，較晚設(shè)計(jì)投產(chǎn)的110kV變電所，由于為微機(jī)化防雷按較高標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，包括遠(yuǎn)動(dòng)通訊，信號(hào)和弱電部分全部使用屏蔽電纜并且屏蔽層兩端可靠接地；調(diào)度遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)廠家已預(yù)置了防雷保護(hù)模塊；在保護(hù)和載波、遠(yuǎn)動(dòng)電源處加裝了高質(zhì)量的雷盾（OBO V20-C）金屬氧化物低壓防雷裝置。長(zhǎng)期以來(lái)運(yùn)行情況良好。

4 采取措施

把上述兩條RTU電纜換成屏蔽電纜，屏蔽層兩端接地。在RTU端加裝壓敏電阻和防雷模塊兩級(jí)防雷保護(hù)，并在RTU微機(jī)電源處加裝“雷盾”（OBO V20-V）帶保險(xiǎn)的金屬氧化物低壓防雷裝置。將原來(lái)的不帶防雷功能的后備式UPS換成帶防雷功能的智能在線式UPS。在中控載波室的低壓電源（兼供調(diào)度后臺(tái)監(jiān)控微機(jī)電源）處加裝“雷盾”（OBO V20-C）三相四線式帶保險(xiǎn)的金屬氧化物低壓防雷裝置。在所用變壓器低壓出線端加裝普通陶瓷氧化物低壓避雷器。結(jié)合黑龍江省電力局關(guān)于全面推廣使用金屬氧化物避雷器的要求，把全所（包括10 kV母線）的10 kV閥式避雷器全部更換為高質(zhì)量的金屬氧化物低壓避雷器。

通過整改，形成了對(duì)雷電波的多級(jí)攔截和防護(hù)體系。經(jīng)兩年多的運(yùn)行實(shí)踐，至今未發(fā)生一起與雷電有關(guān)的故障，系統(tǒng)運(yùn)行情況大有改善。在此期間，該所安裝的“雷盾”金屬氧化物避雷器雖熔絲熔斷而系統(tǒng)仍能安全正常運(yùn)行，避雷效果相當(dāng)明顯。

5 經(jīng)驗(yàn)與總結(jié)

雷害對(duì)采用微機(jī)系統(tǒng)的現(xiàn)代化變電所是一個(gè)極大威脅，變電所微機(jī)系統(tǒng)的防雷問題不可忽視。雷電波主要是通過通訊、信號(hào)采樣電纜和電源部分兩條途徑入侵。特別是低壓電源的防雷保護(hù)，尤其應(yīng)該引起足夠的重視。endprint