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電力調度自動化設備現代防雷新技術 |
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[ 通信界 / 張穎聰 / www.6611o.com / 2009/7/23 14:46:19 ] |
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摘 要：介紹電力調度自動化系統防雷新技術：電源系統等電位技術和避雷器殘壓衰減技術。
關鍵詞：調度自動化；防雷；隔離變壓器；中和變壓器
隨著電力系統容量的增加和自動化水平的不斷提高，電力調度自動化系統已廣泛使用計算機、RTU等微電子設備。縣級電力調度及其變電站由于其所在地土壤電阻率較高或地處山區等，其地網的接地電阻往往很難達到規程的要求，其防雷工作更需引起重視。由于一些微電子器件工作電壓僅幾伏，傳遞信息電流小至微安級，對外界的干擾極其敏感，而雷電流產生的瞬變電磁場對微電子設備的干擾和損害尤為嚴重。在雷雨季節，有些縣電力公司調度大樓和電力公司所屬自動化顯示系統、通信聯絡系統（Modem、載波機、程控交換機等）等常常遭到雷擊，造成較大的經濟損失，嚴重影響當地電力系統的正常調度、工農業生產和人民的日常生活。盡管有些電力調度自動化系統采取了一定的防雷措施，但其效果并不理想，仍然經常發生雷害事故。本文通過在縣級電力調度自動化系統防雷的實踐，提出調度自動化設備的現代防雷技術。
1 雷電入侵通道
雷電直接擊在變電所設備上，這種情況幾率比較小，因為設計和施工的時候都會考慮到安裝獨立的避雷針，避雷帶和避雷網。
雷電可能沿著電源線入侵，雷電波沿線路侵入到變電所，如避雷器動作，則是避雷器殘壓疊加后，通過所用變的電磁感應耦合到低壓網絡，使微機保護、綜合自動化的電源模塊損壞的。此時，低壓電網過電壓的幅值主要與避雷器的殘壓，避雷器與變壓器距離和避雷器接地引下線的長度有關。
雷電可能沿著通信線入侵，雷電引起的過電壓在通信線路與設備之間有一定電位差直接作用于串行通信口（RS232/422/485等），根本原因是在400V低壓電源側缺少必要的防雷保護措施，特別是缺少相應電壓等級的避雷器保護，使低壓網絡中的雷電過電壓得不到有效的限制。同時，雷電對微機監控系統、調度自動化系統和通信系統的電源又沒有與其他電源分離，或采取特別的防止雷電干擾的措施而使雷害事故發生。
雷電感應時常發生，通過35kV或10kV高壓感應到400V的低壓線路。如低壓網絡較大，或有低壓架空線路時，當雷電在其近區活動時，會在400V低壓網絡上感應出較高的過電壓而打壞接在低壓電網上的微機保護、綜合自動化系統，調度系統或通信系統的電源部分。
此外，雷電還通過反擊、截波以及倒灌等方式作用在設備上，如圖1所示。
圖1 雷電入侵通道
2 目前二次設備防雷存在的問題
2.1 MOV殘壓與二次設備耐壓值配合不合理
由于目前的制造工藝有限，使得避雷器的殘壓比額定電壓高６倍。例如在220V線路上使用的低壓避雷器殘壓為1.3kV，而一些敏感芯片的耐壓值僅為6～10V，其殘壓值極大地超過了芯片的安全電壓。
2.2 MOV動作時引起截波過電壓
避雷器在動作時電壓下調（截波），通過避雷器安裝點到二次設備端之間導線的電感與二次設備輸入端對地電容構成諧振回路。截波通過該諧振回路會產生很高的過電壓（截波過電壓）。
3 針對問題的對策
3.1 電源系統等電位技術
IEC1024規定：為實現雷擊保護電位均衡，應采用均壓等電位導體或過電壓保護器，將處于被保護空間中的外部避雷裝置、建筑物鋼筋架、安裝設備、各種導電體、供電及通信設備等連接在一起。當雷擊時，地網電位升高φ=IRch=100kA×2Ω=200kV，水平方向的電位以1kV/m的速度下降。由于二次設備所用電源都是由變電站的站用變壓器所供給，站內各二次設備分布在不同位置，而設備外殼則是就近接地，電源中性點與設備外殼間的電位差引發反擊，如圖2所示。由電源系統造成巨大的電位差，導致反擊和“倒灌”的發生。
圖2 電源系統等電位
電位差計算。
三個設備外殼電位分別為：φ(A,B,C)=IR-L(1,2,3)ε；而電源的電位為：φD=IR-L4ε；設備外殼與電源電位差為：Δφ=φ(A,B,C)-φD。其中ε為電壓降常數1kV/m。
各二次設備與電源系統的電位差數據表如表1所示。
表1 二次設備與電源系統的電位差數據表
解決辦法：二次設備用電源通過1：1 的隔離變壓器向二次設備供電，使被保護對象的各部位盡可能構成等電位，從而杜絕電位差對電子設備造成的損害。
如圖3所示
圖3 隔離變原理圖
隔離變壓器的作用：電位浮動，二次設備用電源通過1：1隔離變壓器向二次設備供電，實現二次設備局部地網電位“浮動”，利用“水漲船高”原理消除反擊。
雷電波隔離，通過隔離變壓器初、次級開路的原理對沿電源入侵的雷電波實現隔離，被隔離的雷電能量經隔離變初、次級的避雷器入地。
3.2 避雷器殘壓衰減技術
針對避雷器殘壓遠遠大于二次設備芯片耐雷水平的情況，可采用一種新型的中和變壓器對其進行衰減。
該中和變壓器由一環形鐵心和繞在鐵心上的線圈組成。如圖4所示，新型中和變壓器的工作原理：一般情況下，中和變壓器是在差模輸入的狀態，產生的感應電勢方向相反相互抵消，對于二次系統無任何影響。
圖4 中和變壓器原理圖
當雷電入侵時，變壓器是在共模輸入的狀態，雷電流經避雷器進行泄放，在線圈里會感應出很高的電勢，這部分的變化電壓抵消部分殘壓，以達到降低殘壓的目的。
U輸出=U入殘壓-ΔU，
而ΔU=L(di/dt)，此時兩線圈中的電流方向相同，則
Φ=Φ1+Φ2，
所以總電感值為：
L=L1+L2+2M。
兩線圈的互感系數M由磁通量和雷電流決定。
雷電流的陡度是非常大的，根據上式則可明顯看到中和變壓器輸出給二次系統的電壓有很大減低。
此外，使用中和變壓器還能消除直接使用避雷器而產生的截波過電壓。
4 結束語
隨著電力調度自動化系統電腦通信設備的大規模使用，雷電造成的危害越來越嚴重，以往的防護體系已不能滿足電腦通信網絡安全的要求。我們應從防直擊雷，防感應雷電波侵入，防雷電電磁感應，防地電位反擊等多方面作系統綜合考慮。嚴格按防雷接地規程辦事，應用新技術新裝置，采用電源系統等電位技術和避雷器殘壓衰減技術是確保電力調度自動化系統極大減少雷害的重要手段。
參考文獻
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[2] 王劍，張學鵬．輸電線路防雷改進措施的研究[J]．華北電力技術，1998（10）：1～5.
[3] 周澤存.高電壓技術[M].中國電力出版社，2004.
[4] 王巨豐.現代防雷新技術[M]，2007.7. |
作者：張穎聰 合作媒體：專網通信世界-中國電力通信網 編輯：顧北 |
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