变电所微机装置防雷保护

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摘要： 微机保护和自动化装置以其高度的灵敏性，速动性和维护管理的方便性，在电力系统中得到了飞速的发展和广泛的应用。但微机系统越是先进，芯片的集成度就越高，电路越复杂，工作电压越低，对环境稳定性的要求也越高。抗干扰和耐冲击始终是微机系统在电力工业恶劣电磁环境下应用中的两大薄弱环节。
关键词： 微机保护和自动化装置 雷击 运行安全
　　1 前言
随着科学技术的日新月异，微机保护和自动化装置以其高度的灵敏性，速动性和维护管理的方便性，在电力系统中得到了飞速的发展和广泛的应用。但微机系统越是先进，芯片的集成度就越高，电路越复杂，工作电压越低，对环境稳定性的要求也越高。抗干扰和耐冲击始终是微机系统在电力工业恶劣电磁环境下应用中的两大薄弱环节。而雷击事件由于其极高的电压幅值和不可预测性更是微机系统的“天敌”。它极大的威胁着现代化变电所的运行安全，应该引起我们足够的重视。
2 问题的提出
潮州110kV城东变电所地处粤东丘陵地带。属台风雷害比较严重的区域。该所始建于80年代，由于原来是按常规所设计，标准比较低。近年引进一些微机装置后，雷害现象频频发生。比较严重的就先后发生了三次由于雷电波通过所用变低压侧和两路引出的通信电缆入侵，致使载波机电源、远动柜的电源插件、RTU信号插件、UPS和后台监控微机都受到了不同程度的损坏。1998年底我们专门组织了技术力量，在上级部门的支持下对该所进行了有针对性的防雷整改。
为了有针对性和客观性地分析问题，我们搜集了近几年本地区几起雷害事故进行比较研究，在研究中我们发现了几个值得注意的现象：
(1)该所虽屡遭雷害，使远动和微机装置多次烧毁，但该所的电磁式保护回路却未发生任何雷害事件。
(2)距离该所仅8km的220kV潮州变电所在1998年发生了一起雷电波侵入，引起了新改造的微机线路保护装置的电源和部分输入模块烧坏的事故，而其他的常规的电磁式保护和自动装置却完好无损。
(3)距离该所5km的110kV春光变电所，全所使用全套微机保护、监控及自动装置，投产5年从未发生过类似的雷害事故。
3 原因分析
(1)雷电波的侵入过程：雷电波通常是通过变电所临近的10kV线路侵入10kV母线，再经过10kV所用变压器高、低压绕组间的静电和电磁耦合，闯入低压出线。途中经过了10kV线路阀式避雷器、母线阀式避雷器和所用变阀式避雷器3级削峰，再经过所用变低压出线的平波作用，电压幅值大为下降。但由于雷电波的电压、能量极高，且阀式避雷器等设备技术上的局限性，虽然绝大部分的雷电能量都能在到达设备之前得以消除，但雷电波仍可能以幅值相对很高，但作用时间很短的低能量尖峰脉冲的形式，通过所用变压器的低压出线，加到变电所内所有的220V交流回路中。
还有一种情况，就是感应雷电波通过调度远动系统的RTU设备和信号采集的二次电缆入侵，以很高的电压直接加到远动系统的信号和传送端上，造成接收和发送端模块烧坏。
(2)微机设备屡遭雷害的原因：变电所的保护和合闸电源直流系统的整流充电系统设计容量都比较大，电压耐受能力也比较好。而且由于大容量电池组吸收尖峰脉冲的作用，和整流回路的平波作用，加到保护装置上的脉冲电压大大降低。再加上常规的电磁式保护装置的元器件多为单元件的电阻、电容和电感线圈等，耐热容量大，对尖锋脉冲的耐受能力也比较强，所以能安全度过低能量、高电压的冲击暂态过程。但对于使用超大规模集成电路，运行电压只有数伏，信号电流仅为μA级的微机装置来说，就不一定能经受得住。这就是造成微机装置损坏而常规保护装置却能安全运行的关键原因。
(3)远动载波系统受雷害特别严重的原因：
首先是电源方面：调度的远动载波系统多由独立的小容量UPS供电，而这些UPS最多的是使用压敏电阻保护。在防雷和限幅能力都比较有限，保护UPS本身尚且不够，更不用说保护后接的电子设备了。实际运用中也屡屡发生UPS雷击烧毁现象，所以单从提高UPS质量方面入手难以从根本上解决问题。
其次是信号端方面：该所有两路RTU出线比较长，且没采用屏蔽电缆，又地处雷电多发区，厂所端也没装设任何防雷设备，变电所和沿线附件落雷都很容易在电缆中感应出很高的雷电压并通过电缆直接加到设备上，造成设备的击穿损坏。
相比之下，较晚设计投产的110kV春光变电所，由于为微机化防雷按较高标准设计，包括远动通讯，信号和弱电部分全部使用屏蔽电缆并且屏蔽层两端可靠接地；调度远动系统厂家已预置了防雷保护模块；在保护和载波、远动电源处加装了高质量的雷盾(OBO V20-C)金属氧化物低压防雷装置。长期以来运行情况良好。
4 采取措施
(1)把上述两条RTU电缆换成屏蔽电缆，屏蔽层两端接地。
(2)在RTU端加装压敏电阻和防雷模块两级防雷保护，并在RTU微机电源处加装“雷盾”(OBO V20-V)带保险的金属氧化物低压防雷装置。
(3)将原来的不带防雷功能的后备式UPS换成带防雷功能的智能在线式UPS。
(4)在中控载波室的低压电源(兼供调度后台监控微机电源)处加装“雷盾”(OBO V20-C)三相四线式带保险的金属氧化物低压防雷装置。
(5)在所用变压器低压出线端加装普通陶瓷氧化物低压避雷器。
(6)结合广东省电力局关于全面推广使用金属氧化物避雷器的要求，把全所(包括10kV母线)的10kV阀式避雷器全部更换为高质量的金属氧化物低压避雷器。
通过整改，形成了对雷电波的多级拦截和防护体系。经两年多的运行实践，至今未发生一起与雷电有关的故障，系统运行情况大有改善。在此期间，该所安装的“雷盾”金属氧化物避雷器虽熔丝熔断而系统仍能安全正常运行，避雷效果相当明显。
5 教训与收获
雷害对采用微机系统的现代化变电所是一个极大威胁，变电所微机系统的防雷问题不可忽视。
雷电波主要是通过通讯、信号采样电缆和电源部分两条途径入侵。特别是低压电源的防雷保护，尤其应该引起足够的重视。
(1)引到开关场的电缆使用屏蔽电缆，屏蔽层两端可靠接地。
(2)新建的微机系统要向厂家深入了解该系统防雷方面的设计，信号和数采部分一般都要求有光电隔离装置。
(3)必要时可在设备的接口处加装压敏电阻、TVS管或专用的防雷模块构成的单级或多级保护。
对于电源部分，难以用单一级的避雷装置一步到位地解决问题。而应该采用多级防护的手段，逐步把雷电压降低到允许的范围之内。对于微机化变电所，所用变低压侧装设金属氧化物避雷器是必不可少的。
在防雷设计方面，要用发展的眼光，从高标准的微机化所角度出发，遵循“整体防御、综合治理、多重保护”的方针，通盘考虑。特别应该重视近设备端的保护，这在改造工程中往往也能起到立竿见影的效果。
防雷设施是属预防性的投资，在事故发生之前人们往往觉得可有可无，可少则少。等到事故发生后才发现得不偿失、后悔莫及。通过这次整改，我们深刻体会到以小投资保证大投资的安全才是明智之举，防雷设施省不得，这是我们最大的收获。
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