關于變電站二次系統防雷問題的相關研究

鄧 橋

（中國大唐集團科學技術研究院有限公司西北電力試驗研究院，陜西西安 710005）

0 引言

近年來隨著我國社會經濟的快速發展，社會用電負荷呈現出增長趨勢，給電力企業帶來更大的生產運營管理壓力。與此同時，各類計算機、信息技術以及自動化控制技術在變電站中的應用，推進了智能變電站的建設與普及，提升了變電站的自動化和智能化運行水平。但是，變電站大量應用的電子設備，由于其具有內部結構高度集成化的特點，其耐壓和耐過電流的能力有所降低，導致運行中容易受到雷擊危害。再加上變電站運行中存在不同渠道的多種信號，使其二次設備抗雷電沖擊的能力下降。而變電站二次系統作為保障變電站安全運行的最后一道屏障，起到對一次系統和設備的安全保護作用。因此需要做好對二次系統的防雷工作，保障其應有作用的正常發揮。

1 雷電入侵變電站二次系統的途徑

變電站二次系統運行中遭受的雷擊主要有直擊雷和感應雷兩種，由于雷電在放電過程中會在短時間內產生巨量的熱量和光并產生電磁效應，導致在放電通道中的設備容易形成感應電壓，這將會嚴重危害變電站中的地面事物。直擊雷就是雷電直接以二次系統的架空輸電線路為導線而擊中二次系統，而系統中的避雷針等設備不起作用且過電壓數值較低，尤其是變電站引入了35 kV 或10 kV 的外電源則更會加大此危害。在雷擊時的放電瞬間，感應雷會在離放電位置比較近的信號線和電源線中形成電磁脈沖而產生感應電壓，此電壓數值非常巨大，會直接破壞二次系統中的設備，影響其正常運行。

由此可見，雷電入侵變電站二次系統主要通過接地線、電源線以及信號控制線等途徑。

（1）接地線。直接雷在擊中避雷針和避雷線等避雷裝置之后，會將雷電流通過接地引下線引入大地中，在雷電流通過此接地線向大地傳輸的過程中，由于接地線存在一定的電阻，而且雷電流的波動峰值比較大，容易出現較大的電位差而影響二次系統中的弱電設備，甚至會將設備擊穿而影響變電站的正常運行。尤其是存在接地不規范的現象，更會加大不同接地點之間的電位差并出現電磁干擾問題，如果引入自動化系統中則會造成各種功能模塊的損壞。

（2）電源線。雷擊發生時雷光會先擊中避雷裝置并向大地引入，此時變壓器內會存在較大的殘壓，引發變壓器高壓側與低壓側之間出現較大的變壓，并影響二次系統的絕緣設備等，引發變電站運行故障。而且由于變電站中的自動化系統會通過電源線引入雷電流，也會對其各個功能模塊的正常運行造成影響，甚至出現元器件燒壞的問題。

（3）雷電電磁場。由于在發生雷擊時會產生較大的雷電流，同時會引發較強的電磁感應，此電磁場也主要在電纜溝、布線層以及電纜井內。受到此電磁場的影響，會導致在導線上形成不同的電壓降，這就會導致過電壓的產生而損壞二次系統中的絕緣設備。

（4）信號控制線。由于變電站二次系統通過多種不同的通信線路進行連接，一旦這些通信線路遭受雷擊，就會將過電壓向設備傳輸而加速設備及其絕緣老化或造成設備損壞。例如，變電站二次系統中的電話音頻與MODEM（調制解調器）連接線、RS-485、RJ45 網線、GPS（Global Positioning System，全球定位系統）及微波載波等通信線路，都會成為引入雷電的通道。

2 變電站二次系統防雷保護現狀

目前變電站的二次系統結構更加復雜，在其系統中包含的計算機設備、電子設備以及微電子設備數量和種類較多，其通常具有較低的過電壓抵抗能力，在遭受雷擊時容易造成地電位反擊、近點感應過電壓以及遠點雷電過電壓等危害。

（1）地電位反擊危害。在二次系統遭受雷擊危害時會通過接地網將雷電流引入大地，但是在此過程中會在接地網上產生巨大的沖擊高電位，如果此高電位被引入二次系統則會損害設備。

（2）近點感應過電壓。在上述將雷電流引入地下的過程中還會形成強烈的電磁場，受到此電磁場的影響會在二次系統的配電線路以及金屬管道上形成感應過電壓，此電壓數值不固定但是易對系統設備造成危險。

（3）遠點雷電過電壓。二次系統設備線路或導線金屬芯在遭受雷擊之后會形成雷電過電壓，這就會將遠處的過電壓引入二次系統的設備或其他裝置，進而影響設備的正常運行或損傷設備。

為避免上述危害，目前變電站普遍采取以下防雷保護措施。

（1）直接雷。通常采取接閃器、引下線以及接地網組成的防護系統，三者之間相互依靠和協作來起到對直接雷的有效防護。

（2）感應雷。首先是重點做好對通信系統的防護，也就是連接變電站的機房終端設備和通信信號線來確保其與外界的有效通信。其次，電壓互感器和電流互感器，二者與變電站主控室連接且均是在高壓位置引入，這樣來應對一次系統感應雷電。再次是防護空間感應電磁場，由于在雷電擊中建筑物或者樹木時會形成強烈的電磁場，使得二次系統中的導線等感應到較強的電流，對二次設備造成損壞。為此要做好對二次系統設備的接地處理工作。最后，如果接地線的接地點與其他接地點的位置存在較大差異，也會在受到感應雷影響時產生較大的電位差而出現設備反擊問題，引發設備故障，為此要統一規劃和設置接地點。

常用的防雷保護方式主要有外部保護和內部防護、過電壓保護等類型。其中，外部防護就是通過避雷裝置的設置，在發生雷擊危害時可以將雷電流及時引入大地；內部防護就是對上述避雷裝置向大地中引入雷電流時無法徹底排除的雷電波，通過一次系統和二次系統的連接，在系統內部來預防雷擊危害；過電壓保護就是預防雷電引發的過電壓會對設備兩端電壓造成影響而導致電壓差較大，影響系統正常運行的危害起到預防作用。

3 變電站二次系統防雷措施

3.1 針對電源線侵入系統的防雷措施

由于變電站運行中線路相互之間會由于感應而產生干擾電流，或者是內部線路受到附近落雷的影響而產生感應電流，以及由于引下線電磁感應而出現感應電流，還可能會由于較長的輸電線路在受到雷擊影響時產生較大的電流，并向二次系統輸送、對二次系統造成危害。此外，由于避雷線或桿塔遭受雷擊時會使得輸電線路受到感應雷擊的影響，這就可能會增加輸電線路中的感應電流，需要在進線段高壓側采取避雷措施加以防護。針對上述問題，需要通過三級防雷的方式做好對弱電系統的防雷工作，而且將避雷裝置安裝在變壓器兩側，且在同一個位置進行接地點的設置，還要將浪涌保護器設置在電源入口的位置。

3.2 針對地電位反擊的防雷措施

針對雷擊可能造成的地電位反擊危害，可以采取正確的接地方式來減少電磁干擾，保障二次系統及其設備的穩定運行。也就是將等電位連接排鋪設在變電站內部，還要對地網的電壓進行優化，還可以采取利用電纜在相同的接地網上進行一次系統和二次系統連接的防雷方式。

3.3 針對感應電磁場過電壓和電磁耦合侵入系統的防雷措施

由于在雷擊危害到建筑物、樹木以及避雷裝置時可能會產生強烈的磁場并引發較大的電磁感應，進而形成過電壓而危害二次系統中的設備。此外，由于電纜相互之間存在電磁耦合也會相互影響和干擾。為此就需要將SPD（浪涌保護器）安裝在線路上來預防電磁感應帶來的危害。

3.4 針對通信部分的防雷措施

目前的變電站二次系統中存在較多的網絡設備等自動化設備，它們相互之間需要通過網絡或電話線等進行局域網、廣域網連接，應將信號電涌保護器安裝在通信線路兩端。此類保護器中還設置有音頻電涌保護器來保護電話線，以及使用RJ45 型電涌保護器來保護網絡連接設備等，還可以將此保護器安裝在通信設備的電源位置，并且可以使用等電位連接器來應對地電位反擊危害，全面保護網絡傳輸系統。

3.5 其他防雷措施

對于監控柜視頻信號來說，采取過電壓保護也就是針對同軸電纜連接監控柜內的視頻信號時容易引發雷擊危害的情況，將防雷器安裝在視頻信號接口位置，并用35 mm DIN 導軌固定以及串聯安裝的方式。對于GPS 衛星時鐘接口所采取的過電壓保護，就是針對主控室遠動屏上的GPS 單元與建筑物頂部的衛星天線采取同軸電纜連接時容易引發的雷擊危害，需要將防雷器安裝在GPS 單元接口位置，用采用串聯安裝的方式。

4 結束語

變電站二次系統容易受到雷擊危害而影響其正常運行，主要有直擊雷和感應雷兩種危害方式，通過電源線、接地線、信號控制線侵入系統和設備。因此，不僅要基于目前在變電站二次系統中所采取的外部防護、內部防護以及過電壓保護等防雷策略，還要重點做好對電源線侵入、感應電磁長過電壓和電磁耦合侵入系統的雷擊危害的防護措施，以及對地電位反擊危害以及通信部分等位置的防雷措施，以提升變電站二次系統的防雷擊能力，有效保障系統的安全與穩定運行。