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变电站二次系统防雷介绍中国矿业大学电气安全与智能电器研究所
变电站二次系统防雷介绍

一、二次系统防雷的意义
变电站二次系统指变电站内保护设备、自动化设备、通信系统、计算机网络设备及监控系统、交直流电源系统等各种二次设备的总称。二次系统集中了变电站自动化监控管理的重要设备, 具有微机监测、监控、保护、小电流接地选线、故障录波、低频减载、“四遥”远传等功能, 在电力调度自动化领域起着举足轻重的作用。
近年来，随着现代电子技术的不断发展，微机保护和自动化设备在电力系统中得到大量的应用，调度通讯、网络等信息设备越来越多，规模越来越大，一方面自动化系统、计算机网络、通讯系统等设备核心元件耐过电压、过电流和抗雷电电磁脉冲的能力越来越差，敏感性提高；另一方面由于信号来源路径增多，系统较以前更易遭受雷电波侵入，致使雷电灾害频繁发生，影响二次系统正常运行，特别是雷电多发区，轻者导致设备损坏、性能下降，重者造成系统瘫痪。
变电站二次系统遭受雷击的事例及原因分析如下：
1、重避雷轻接地
事故过程：2008 年7月11日，威海辖属石岛某35kV变电站1#避雷针遭雷击后，其附近电缆沟内二次电缆起火，导致保护装置完全失灵，造成灾难性的事故。
事故分析：我们通常所说的避雷针并不能起到躲避雷击的作用，相反称之为引雷针或接闪器似乎更恰当。它只是把周围强大的雷电能量泄放到大地，起到引雷入地的作用，从而避免周围被保护设备遭到损害。当避雷针遭雷击后，强大的雷电流沿避雷针和接地引下线进入变电站的接地网，再经接地网流入大地时，造成接地网的局部电位迅速升高。如果该接地网的接地电阻太大，局部电位升高超过一定数值时，就会对附近电缆沟内的电缆产生反击或旁侧闪击，引起电缆着火，造成灾难性的事故。
2、重直击雷轻感应雷
事故过程：2012年7月，汾西矿业集团某110kV变电站在雷电活动时造成该站综合自动化插件损坏，并使35kV开关误动。
事故分析：变电站内的通讯、自动化控制系统的损坏大都是由感应雷造成的。当雷电活动时其周围的磁场发生强烈的变化，雷电所形成的强电场会以静电感应的方式在附近的导体上感应出很高的感应电压，而计算机等电子器件又是对干扰非常敏感的元件，因此极易造成微机保护和综合自动化系统模块损坏，或者导致微机保护误动或拒动。
3、重高压设备轻弱电系统
事故过程：2012年9月，同煤浙能集团某煤矿办公楼10kV变电所遭雷击，高压设备安然无恙，保护装置电源模块损坏。
事故分析：雷电活动时，雷电波沿10kV线路侵入到10kV母线，再经过10kV所用交变电磁耦合，闯入低压出线。由于雷电波的电压、能量极高，虽然经过10kV线路避雷器、母线避雷器和所用交变避雷器三级削锋和所用交变低压出线的平波作用，电压幅值大大降低，但雷电波仍以高幅值、尖脉冲的形式，瞬间加到低压电源系统。由于大多数变电站在低压电源系统没有过电压保护措施，雷电过电压得不到有效抑制，因而在低压电源系统中绝缘薄弱处造成击穿。
相对于二次系统的快速发展，二次系统的的雷击防护工作还存在不少认识误区，还有很多需要完善的地方。在这种环境下，更凸显出变电站二次设备雷击防护工作的必要性和重要性。
二、雷电入侵二次系统途径

雷击过电压入侵变电站二次系统的主要途径有：
1) 配电线路
对于配电线路引入的雷电过电压雷电波通常是通过变电站临近的线路侵入母线，再经过变压器高、低压绕组间的静电和电磁耦合，进入低压出线，途中经过了线路避雷器、母线避雷器等多级削峰，再经过变压器低压出线的平波作用，电压幅值大为下降。但由于雷电波的波峰幅值和能量很大，虽然雷电波在经过上述避雷器后，大部分能量得以消除，但仍有部分雷电波以幅值相对很高且作用时间很短的低能量尖峰脉冲的形式通过变压器的低压出线，加到变电站内所有的380V交流回路中。220V等直流线路因进出高压场等原因也是引入雷电的主要线路。
2) 通信线路引入雷击
目前，变电站二次系统采用了多种多样的通信线路进行同一系统内设备与设备之间、系统与系统之间的连接。导体型通信线路感应到雷电后，雷击过电压直接传到设备，该过电压轻则使设备加速老化，重则直接将设备损坏。对于电力系统来讲，电话音频与MODEM连接线、RS485、RJ45网线、FDK/CAN现场总线、LON WORKs、GPS及微波载波等馈线等都是引入雷电的通信线路。因目前远距离多采用光纤传输，所以以上大部分通信线路主要是在室内被其他线路上的过电压感应。
3) 雷电电磁场
上述两条途径是有形的看得到的途径，而电磁场是空间传播看不到的东西，这里的雷电电磁场是指雷击引起的室内的电磁场，主要集中在电缆沟、布线层及电缆井内。该电磁场使室内的线路感应到过电压，该过电压直接传到设备，进出高压场地的各种线路（如交流采样、开关量回路等）都是雷电电磁场的产生源。
4) 地电位反击
对于电力系统来讲，因采用共用接地方式，不存在地与地之间反击，但地电位因雷击抬高时使得设备接地线对设备其他外接线之间可能产生能损坏设备的电位差。
三、二次系统防雷措施
变电站二次系统的主要防护工程措施有:
传统的雷电防护方法由外部防护和内部防护两个环节组成。外部防护是防止雷电击中建筑物时在建筑物本身出现的火灾和机械损害包含建筑物外将雷电放电电流导人大地的设施避雷针(避雷带)、引下线、建筑物周围的接地网及接地系统等。内部防护是减少被保护空间雷电流的电磁影响的措施，目的是降低由雷电流引起的电位差。
那么概括的说，当今电子设备的防雷手段，主要采用分流、接地、屏蔽、等电位和过电压保护等方法。 
1） 分流 
利用避雷针、避雷带或避雷网等将雷电流沿引下线安全地流入大地，防止雷电直接击在建筑物和设备上。
2) 屏蔽
计算机系统所有的金属导线,包括电力电缆、通信电缆和信号线均采用屏蔽线或穿金属管屏蔽，在机房建设中，利用建筑物钢筋网和其他金属材料，使机房形成一个屏蔽笼。用以防止外来电磁波（含雷电的电磁波和静电感应）干扰机房内设备。 
3) 等电位连接 
国际上非常重视等电位连接的作用，它对用电安全、防雷以及电子信息设备的正常工作和安全使用，都是十分必要的。根据理论分析，等电位连接作用范围越小，电气上越安全。
等电位联结分为：总等电位联结(MEB)和局部等电位联结(LEB) 。国家建筑标准设计图集《等电位联结安装》(02D501-2)对建筑物的等电位联结具体做法作了详细介绍。
总等电位联结做法是通过每一进线配电箱近旁的总等电位联结母排将下列导电部分互相连通：进线配电箱的PE(PEN)母排、公用设施的上、下水、热力、煤气等金属管道、建筑物金属结构和接地引出线。它的作用在于降低建筑物内间接接触电压和不同金属部件间的电位差，并消除自建筑物外经电气线路和各种金属管道引入的危险故障电压的危害。
4) 接地 
规范变电站设备的接地、 屏蔽工作, 是提高二次设备防雷水平最直接、 最有效的措施:
1、变电站综合自动化系统及其它二次设备应共同接入变电站主地网, 首先检查变电站接地网接地电阻是否在设计值以下, 一般不宜大于0.5Ω , 接地电阻越小, 设备抗干扰能力就越强。
2、主控室接地网采用各盘柜内接地铜排用连线首尾相连, 最后形成环网, 接地 铜排截面积不小于100mm²。铜牌之间 连线采用多股绝缘铜导线, 截面积不小于 100mm², 铜牌及连线接线端子均电镀或镀锡, 防止氧化增大接地电阻。
3、高压开关柜接地网要求与主控室接地网类似, 但应将该接地网与高压开关柜绝缘, 接地点与避雷器接地点距离应不小于15m ,防止一次系统接地引起开关柜柜体电位升高对接地网的“反击”。
4、高压开关场接地网要求与高压开关柜接地网类似, 主要用于二次电缆屏蔽层及铠装层接地。
四、主要测试方法
1、避雷针测试
变电站避雷针主要是用全站仪来测量其高度，用来计算其保护范围，除此之外，还用接地电阻仪来测量其接地电阻。
2接地网测试
接地网用接地网接地电阻测试仪测量，测量方法：首先将将仪表上的P2、C2连结在一起，再如下图所示进行布极，G为被测接地装置，P为测量用的电压极，C为电流极。图中测量用的电流极C和电压极P离被测接地装置G边缘的距离为dGC=（4～5）D和dGP=（0.5～0.6）dGC，D为被测接地装置的最大对角线长度，点P可以认为是处在实际的零电位区内。为了较准确地找到实际零电位区时，可把电压极沿测量用电流极与被测接地装置之间连接线方向移动三次，每次移动的距离约为dGC的5%，测量电压极P与接地装置G之间的电压。如果电压表的三次指示值之间的相对误差不超过5%，则可以把中间位置作为测量用电压极的位置。电极分布图如下：

3、接闪器测量
首次检测时应用经纬仪或测高仪和卷尺测量接闪器的高度、长度、建筑物的长、宽、高，然后根据建筑物防雷类别用滚球法计算其保护范围，测量接闪器的规格尺寸，应符合GB50057—1994中第4章的要求。检查接闪器上有无附着的其他电气线路。如果接闪器上有附着的其他电气线路则应按GB50169—1992中第2.5.3条规定检查，即“装有避雷针和避雷线的构架上的照明灯电源线，必须采用直埋于土壤中的带金属护层的电缆或穿入金属管的导线。电缆的金属护层或金属管必须接地,埋入土壤中的长度应在10m以上，方可与配电装置的接地相连或与电源线、低压配电装置相连接”。
4、引下线
根据GB50057-2010的第4章要求，第一类防雷建筑物和第二类防雷建筑物至少应有两条引下线，其间距离分别不得大于12m和18m；第三类防雷建筑物周长超过25m或高度超过40m时，也应有两条引下线，其间距离不得大于25m。防直击雷的专设引下线距建筑物出入口或者人行道边沿不易小于3米，引下线截面锈蚀30% 以上者应予以更换。实际测量时，可用全站仪对其的距离进行精确测量，来验证其是否达到规定的要求。
5、电磁屏蔽
用毫欧表检查屏蔽网格、金属管、(槽)防静电地板支撑金属网格、大尺寸金属件、房间屋顶金属龙骨、屋顶金属表面、立面金属表面、金属门窗、金属格栅和电缆屏蔽层的电气连接，过渡电阻值不宜大于0.03Ω。用卡尺测量屏蔽材料规格尺寸是否符合本标准GB50057-1994的5.6.1.4的要求。
计算建筑物利用钢筋或专门设置的屏蔽网的屏蔽效率，电磁场屏蔽的计算方法参考GB50057—1994中第6.3.2条的规定。
6、等电位连接
使用智能等电位测试仪测试，测试仪的一端接触一个测试基准点，比如等电位连接端子，另一端与被测设备接触，所得到的电阻如果小于3欧姆，可以认为是导通的，否则不导通。以上测试方法参考GB50057-1994中第6.3.4条的规定。
7、浪涌保护器安装
（一）电源部分
（1）现场情况分析
1）检查建筑物种类及外部环境，首先观察变电站的位置位于市区、郊区或高山；其次需要观察是变电站是否有架空线引入。2）检查建筑物内供电系统的类别，了解变电站是单相还是三相供电；是否是TT或TN供电制式。3）观察供电环境是否恶劣，电源电压是否稳定，接地网电阻是否偏高。4）分析变电站是否需要额外报警功能。
（2）分析收集的数据及确定型号
1）可参考GB50057及YD5098等标准，选择第一级防雷器的最大通流量。2）按照TN-C-S、TN-S或TT系统对于选择防雷器基本型号的要求选型。3）如需选择带有报警功能，择需选择带有报警功能的防雷器，如：OBO防雷器一般提供AS和FS。
（二）通信防雷
（1）现场情况分析
1）确定通信线路是否有架空线引入的情况以及是否需要进行两级防雷保护。
（2）分析收集的数据及确定型号
1）如有架空线引入的情况，需要考虑OBO+F两级防雷器。如没有，则只需考虑加装OBO的F级防雷器。2）通信线路防雷器的最高工作电压的选择是依据通信线路的工作电压来确定，防雷器的最高工作电压必须大于通信电压的1.2倍。3）通信线路防雷器安装在线路上时，其支持的最高传输速率应大于通信线的传输速率，否则将导致通信中断或误码率增等情况。4）通信线防雷是串联安装在线路上，为了匹配阻抗及保持最小衰减，应该选择与通信设备上同类型的接口。
通过对以上内容的测试与核查，分析变电站二次系统防雷现状，编写二次系统防雷评估报表，提出二次防雷系统整改意见。
五、所做业绩

近三年防雷技术研究业绩表

序号
项目名称
年度
1
晋煤集团供电系统防雷技术研究
2010
2
谢桥煤矿供电系统防雷技术研究
2011
3
麻家梁煤矿供电系统防雷技术研究
2012
4
华晋焦煤集团沙曲矿供电系统防雷技术研究
2012
5
福山国际能源集团供电系统防雷技术研究
2012
6
国投大同能源塔山煤矿供电系统防雷技术研究
2013

9