浪涌保護器在變電站二次系統防雷保護中的應用

王賀新，劉 念，劉航宇，蒲麗娟，李 娟

(四川大學電氣信息學院，四川 成都 610065)

浪涌保護器在變電站二次系統防雷保護中的應用

王賀新，劉 念，劉航宇，蒲麗娟，李 娟

(四川大學電氣信息學院，四川 成都 610065)

隨著中國電力的飛速發展，高壓直流輸電和特高壓直流輸電線路的建設步伐也越來越快，變電站在電力系統中的地位也變得越加重要。所以變電站安全可靠運行關系到電力系統的總體運行安全，但是雷電卻一直是影響變電站安全運行的的主要因素。特別是由于雷電而產生的過電壓對變電站的影響，其中尤其是對二次系統的影響更為嚴重。為了確保變電站的安全運行，有必要加強變電站二次系統的防雷保護，從而提高電力系統的安全性和可靠性。

雷電；變電站；防雷；浪涌保護器

0 引 言

變電站(特別是高壓大型變電站)是多條輸電線路的交匯點和電力系統的樞紐。輸電線路與變電站相比較而言雷電事故的影響面積較小，而且現代電網大多數具有備用供電電源，所以線路的雷電事故只能導致電網工況的短時惡化；但是變電站的雷電事故就要嚴重的多，往往導致大面積停電[1]；其次變電站的設備較多，如電力變壓器、電纜、二次系統等，不能承受雷擊產生的雷電過電壓而導致損壞。尤其是變電站的二次系統，包括站內保護設備、自動化設備、通信系統、計算機網絡設備及監控系統、交直流電源系統等，都采用大規模的集成電路，電子元件的性能大大提高的同時，其抗電磁干擾、抗過電壓和雷擊的能力卻變得十分脆弱了，所以變電站的二次系統防雷就變得十分重要。

1 雷電過電壓及對變電站的危害

過電壓是電力系統在特定條件下所出現的超過工作電壓從而可能危害各種用電設備的異常電壓。其中由于雷電引起的過電壓，因其過電壓的幅值高達數十萬伏、甚至數兆伏，如果不采取保護措施和裝設各種防雷保護裝置，那將出現很嚴重的事故。

由大氣中的雷云對地面放電引起的過電壓稱為雷電過電壓。其持續時間大多在幾十微秒，具有脈沖特性[2]。雷電過電壓又分為直擊雷過電壓和雷電感應過電壓。雷閃直接擊中電氣設備導電部分時引起的過電壓稱為直擊雷過電壓，由于電效應、熱效應和機械效應等混合力作用可直接擊毀建筑物，還可能引起人員的傷亡[3]；其次雷擊產生的電效應有可能使變電站的微電子設備遭受浪涌過電壓的危害。而雷電感應過電壓是雷閃擊中電氣設備附近地面，在放電過程中由于空間電磁場的急劇變化而使未直接遭受雷擊的電氣設備上感應出過電壓的現象。這種過電壓是對變電站的電子設備影響最大，特別是對通訊設備和通信網絡系統。

2 雷電侵入的主要途徑

現代變電站的一次防雷系統是比較完善和有效的，防雷設備有如架空地線、避雷器、避雷針等；但是相比于一次防雷系統來說，變電站的二次防雷系統的防雷措施還有待完善和改進。如圖1所示雷電侵入變電站二次系統的主要途徑[4]。

圖1 雷電侵入途徑

1)雷電直擊線路時雷電會沿著架空線路通過電壓互感器和電流互感器作用到二次設備上；

2)通信線路也會感應出雷電，使雷電電壓或電流直接傳到設備，從而損壞設備；

3)變電站上空的雷云電場，會通過靜電感應耦合到電纜溝中所有的電纜中去[5]；

4)當防雷裝置接受雷擊時，在引下線和接地體上都會產生很高的電壓。因為雷電流具有固有的伏安特性，即極大的陡度和幅值，會在周圍產生強大的變化磁場，而處在變化磁場中的導體均會感應出很高的電動勢。如果防雷裝置與其他電氣設備、電線、或金屬物體絕緣距離不夠，就會對該物體發生反擊放電從而引起設備的損壞；

5)當雷電流經接地裝置流入大地時，由于接地電阻的存在會使地網電位升高，這時與大地直接相連接的設備外殼和設備內部的導電部分之間的電位差可能達到危險的程度而擊穿。

3 浪涌保護器在二次防雷中的應用

3.1 浪涌的成因

浪涌是指電路在遭遇雷擊時產生的雷擊過電壓或者在接通、斷開電感負載或大型負載時常常會產生很高的操作過電壓。這種瞬時過電壓(或過電流)稱為浪涌電壓(或浪涌電流)，這是一種瞬變干擾。此處所謂瞬態是指持續時間大大低于工頻周期(0.02 s) 的瞬變過程。對地閃擊的雷電流波形的特點是持續時間極短，上升時間極短，而下降時間相對較長(幾十秒到幾百秒) 的具有脈沖特性，如圖2所示。

圖2 雷電流模擬波形

浪涌包括浪涌沖擊、電流沖擊和功率沖擊。由于變電站的二次系統中的二次設備大多數都是現代電子設備，其中很多元件集成度很高、很精密，所以對電流和電壓的變化很敏感，特別是微處理器對浪涌電壓電流更加敏感。出現浪涌時如不加以限制將會導致：引起電子設備的誤動；電源設備和貴重的計算機及各種硬件設備的損壞，造成直接經濟損失；在電子芯片中留下潛伏性的隱患，使電子設備運行不穩定和老化加速。

3.2 浪涌保護器原理

浪涌保護器(surge protection device, SPD)，也稱為電涌保護器。其工作原理是將浪涌保護器并聯在被保護設備兩端，通過泄放浪涌電流、限制浪涌電壓來保護電子設備。浪涌保護器的核心元件主要是非線性元件(一個非線性電阻或是一個開關元件)，通過非線性元件的伏安特性來完成泄放雷電流、限制浪涌電壓的。在未發生浪涌之前，即在被保護電路正常工作，此非線性元件呈現極高的電阻，其漏電流幾乎為零，所以對被保護電路沒有任何影響；而當瞬態浪涌到來時，保護器內的非線性元件以納秒級的迅速響應，立刻變為很低的電阻，將浪涌電流引入旁路，使被保護設備兩端的電壓限制在較低的水平，從而保護設備免遭過電壓而損壞。而當浪涌結束后，該非線性元件又迅速、自動地恢復為極高電阻。浪涌保護器既不影響設備的正常工作，又能將過電壓限制在相應設備的耐壓等級范圍內，這樣就可以限制瞬態過電壓和分走電涌電流。所以浪涌保護器是電子設備防雷的主要手段，也是變電站內部防雷保護的主要措施，是變電站綜合防雷體系的重要組成部分，如圖3所示。

圖3 變電站綜合防雷體系

如果變電站的防雷體系中僅有接閃器、接地裝置的話，則并不能避免雷電波從線路侵入到變電站二次系統中去，也不能在低接地電阻值下防止反擊的出現，所以為了保護電子設備還必須要有浪涌保護。從另一方面來看，浪涌保護也是以外部防雷保護為前提，也應與內部防雷保護其他措施(等電位連接、屏蔽)密切配合。如果建筑物的接地電阻選取過大，則很容易發生反擊，并且反擊時大部分的雷電流不是流經大地泄放而是從浪涌保護器流向配電變壓器，加重了浪涌保護器的負擔[6]。

3.3 浪涌保護器的分類

3.3.1 電壓限制型

電壓限制型的浪涌保護器的工作原理是當沒有浪涌過電壓時，基本上為開路狀態呈現為高電阻；但當浪涌過電壓到來時，其極間電阻值隨著浪涌電壓和電流的增大而逐漸減小，其電壓和電流特性成非線性。所以電壓限制型浪涌保護器的核心保護元件是各種非線性元件，具有連續的伏安特性，電壓限制型浪涌保護器中最常用的是金屬氧化物非線性電阻(簡稱MOV),有時又稱壓敏電阻[7]。MOV元件一般為圓片或方片狀，由多種金屬氧化物(主要是氧化鋅) 組成。此外,還有箝位二極管、瞬態電壓抑制器(一種專門用來限制大電流瞬態的二極管，簡稱TVS) 和硅雪崩二極管(簡稱 SAD)等。

3.3.2 電壓開關型

電壓開關型的工作原理是當沒有浪涌過電壓時，基本上為開路狀態呈現為高電阻；但當浪涌過電壓到來時，其極間電阻突然變成低阻值，允許大電流流過，所以電壓開關型浪涌保護器的核心元件基本是各種開關型器件，如開放的空氣間隙、封閉的氣體放電管和晶閘管等。

3.3.3 組合型

組合型浪涌保護器是由其他各種不同類型器件結合運用的保護器，如電壓限制型和電壓開關型的元件組合，將兩者串聯或并聯。利用各種保護器的不同特點可以達到更好的效果。由于電壓限制型和電壓開關型元件具有非線性，所以組合型浪涌保護器也具有非線性特性，其伏安特性也是不連續的，其表現與電壓、電流有關，有時呈現電壓限制型特性，有時呈現電壓開關型特性。

4 浪涌保護器的選擇和安裝

4.1 浪涌保護器的參數

電壓保護水平是指浪涌保護器限制接線端子間電壓的性能參數[8]。該值應該大于限制電壓的最高值，所以在選擇浪涌保護器時通常電壓保護水平越低，保護效果越好。只有在級間配合時電壓保護水平不是越低越好。

通流容量是指浪涌保護器最大能吸收而不損壞的能量[9]。通流容量與電流波形(特別是波長)有關。在技術上，通流容量是決定浪涌保護器在雷電下動作時可靠性的主要因素；在經濟上,通流容量是決定浪涌保護器規格和價格的主要因素。所以通流容量越高，雷電下安全性就越高，但是通流容量越高，浪涌保護器的價格也就越高。

最大持續運行電壓主要是對MOV等電壓限制型保護元件而言，指的是浪涌保護器能長期承受而不劣化的電壓，這也是浪涌保護器的額定電壓[10]?？芍畲蟪掷m運行電壓越高，浪涌保護器長期運行的安全可靠性就越高；但是最大持續運行電壓也影響電壓保護水平，在制造水平不變的條件下，最大持續運行電壓越高電壓保護水平也就越高。

4.2 浪涌保護器的安裝

因為雷電固有的伏安特性，其具有的能量非常巨大，所以需要用分級泄放的方法將雷擊產生的能量逐步泄放到大地。所以變電站通常設有三級防護，第一級防護通過安裝限制型浪涌保護器對直擊雷擊電流進行泄放或者當電源傳輸線路遭受直接雷擊時，將傳導的巨大能量進行泄放。通常浪涌保護器安裝在變電站的總配電柜處[11]；第二級浪涌保護器是針對與第一級浪涌保護器的殘余電壓與區內感應雷擊的防護設備，因為第一級吸收雷擊能量時，不會完全吸收，仍會有一部分能量對設備來說是具有很大的危害，這時就需要第二級浪涌保護器進一步吸收。同時，經過第一級浪涌保護器的傳輸線路也會因雷擊電磁脈沖輻射產生感應電壓和電流，需要第二級浪涌保護器進一步對雷擊能量實施泄放，將浪涌保護器安裝在各樓層的分配電柜處及重要設備的輸入電源側；第三級浪涌保護器是將殘余浪涌電壓的值降至1 kV以內，使浪涌的能量不致于損壞設備[12]。

4.3 浪涌保護器后備保護

如果出現浪涌保護器失效，則會引起電流過載以及短路，可能會使過電流保護元件動作，造成部分地區停電，所以必須選擇合適后備保護。后備保護可采用熔斷器、斷路器和漏電斷路器三種途徑來實現。

在安裝浪涌保護器時，正確、合理地選用后備保護元件,直接關系到變電站運行及浪涌保護器的安全性和可靠性。后備保護元件與浪涌保護器的配合,應該確保保護在額定浪涌電流作用時后備保護元件不動作,保證浪涌電流的正常泄放,同時其作用在支路上的殘壓低于用電設備的保護水平,以保證系統及用電設備安全[13]。

5 結 論

浪涌保護器是通過泄放雷電流、限制浪涌電壓來保護電子設備，是電子設備防雷的主要手段，也是變電站綜合防雷體系中的重要組成部分，有著不可代替的作用。正確、合理的選擇和安裝浪涌保護器才能使浪涌保護器與其他防雷措施密切配合，達到良好的防雷效果，確保變電站安全可靠的運行。

[1] 趙智大.高電壓技術(第二版)[M].北京：中國電力出版社，2006.

[2] 嚴璋，朱德恒.高電壓絕緣技術(第二版)[M].北京：中國電力出版社，2007.

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[8] 葉蜚譽.電涌保護器的電壓保護水平[J].低壓電器，2004(4)：50-52.

[9] 葉蜚譽.電涌保護器的通流容量[J].低壓電器，2004(5)：55-57.

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王賀新(1989)，碩士研究生，研究方向為電力設備故障與診斷；

劉 念 (1956)，博士，研究方向為高電壓技術應用；

劉航宇(1990)，碩士研究生，研究方向為電力設備故障與診斷；

蒲麗娟(1991)，碩士研究生，主要從事電力設備的狀態檢測與故障診斷研究；

李 娟(1990)，碩士研究生，研究方向為高電壓技術應用。

With the rapid development of power system in China, the pace of construction of HVDC and UHVDC transmission lines is also growing faster, and the status of substations in power system has become increasingly important. So the safe and reliable operation of substation influences the overall safe operation of power system, but lightning is always the main factor affecting the safe operation of substation, especially the impact of overvoltage caused by lightning where the impact on secondary system is more serious. In order to ensure the safe operation of substation, there is a need to enhance the lightning protection for secondary systems in substation so as to improve the safety and reliability of power system.

lightning; substation; lightning protection; surge protector

TM83

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1003-6954(2015)03-0058-04

2015-04-07)