变配电所亭微机保护装置二级防雷研究

李学山

(大秦铁路股份有限公司大同西供电段，山西 大同 037005)

变配电所亭微机保护装置二级防雷研究

李学山

(大秦铁路股份有限公司大同西供电段，山西 大同 037005)

大秦线、北同蒲线2亿吨扩能改造后，变配电所全部实现微机保护综合自动化系统运行，系统整体技术指标及功能大大增强。但在运行过程中，部分变电配所亭出现由于雷击造成微机保护装置受强电磁干扰烧损板件的现象，严重影响了系统的可靠运行。针对这个问题，通过研究微机保护装置外电源回路特点，对雷电波入侵变配电所二次回路的途径和对微机保护装置的伤害原因进行深入分析，提出采用双组防雷组件进行双向雷电保护的设计方案，并详述这种二级防雷方案的结构组成、工作原理、主要功能特点。应用这一方案，可有效的避免雷电波对变配电二次设备特别是微机保护装置的影响，防止微机保护装置遭受雷击损坏。

变配电所;微机保护;防雷;研究

1 概述

早期的铁路变配电所二次保护设备采用传统电磁元件构成，响应存在迟滞特性，对于雷电波干扰有一定免疫力。随着计算机技术的迅速普及和微机保护的推广应用，变配电所逐步采用智能化程度更高的综合自动化系统。大秦线、北同蒲线2亿吨扩能改造后，变配电所全部实现微机保护综合自动化系统运行，系统整体技术指标及功能大大增强。但在运行过程中，部分变电配所亭出现由于雷击造成微机保护装置受强电磁干扰烧损板件的现象，严重影响了系统的可靠运行。如:2008年8月大秦线抚宁变电所由于雷电侵入二次系统，造成保护测控盘端子排及保护装置烧损，引起控制盘黑盘;2010年6月大同枢纽大西开闭所由于雷击造成多个微机保护装置电源板烧损，影响正常供电。可见，变配电所微机保护装置如何防止雷电波入侵，避免遭受雷电波瞬态冲击干扰的影响已经成为保证变配电所安全可靠运行的一个重要课题。有必要针对现场的实际问题，分析其产生原因，制定相应的技术措施，从而保证微机保护设备可靠运行。

2 雷电波入侵二次设备分析

2．1 电气设备防雷等级

电气设备防雷分为B、C、D三级。依据IEC(国际电工委员会)标准的分区防雷、多级保护的理论，B级防雷属于第一级防雷器，主要应用于主配电柜上;C级属第二级防雷器，主要应用于分路配电柜中;D级属第三级防雷器，应用于重要设备的前端，对设备进行精细保护。根据管内现场实际存在的问题，我们主要研究C级防雷，探讨变配电所微机保护如何防雷滤波，如何通过有效的措施提高设备整体运行可靠性。

牵引供电系统电气设备防雷主要有三个层次，如图1所示。牵引变电所室外设备防止直击雷的措施主要是架设避雷针，电源线路防止直击雷的措施是敷设架空地线;变配电所一次电气设备防止雷电波入侵的主要手段是在各进出线位置装设备避雷器。上述两种防雷措施一般在工程设计和施工的时候都已经考虑。而二次设备特别是微机保护装置防止雷电波入侵却缺少工程配套，多数变配电所在设计和施工时没有考虑。

图1 电气设备主要防雷措施

2．2 雷电波入侵二次设备原因

牵引变配电所的二次设备一般集中布置在控制室内，电源进线及馈出线侧都装有避雷器等防雷设备，在室外高压场地布置有避雷针，现场直击雷一般不可能轻易直接击到设备上，但是感应雷电磁脉冲很容易进入耐压、抗干扰能力相对较弱的二次设备，造成设备损坏或不能正常工作。近年来大西供电段管内发生的典型雷电波入侵二次设备案例如表1所示。

表1 典型雷电波入侵二次设备案例

经过现场调查研究，发现造成变配电所微机保护装置遭受雷击后设备损坏及性能紊乱的主要原因是由于雷电波中含有瞬时高压尖刺波、杂波，产生强电磁干扰、浪涌，高电压、大电流导致电子器件性能下降以至个别元件击穿引起的。我们对微机保护装置的防雷问题进行了分析研究，发现在一般的设备改造设计中，设计单位对二次系统防雷采取措施比较少，难于满足微机保护装置和综合自动化系统在强雷电浪涌条件下可靠工作。因此，研究微机保护的防雷保护措施，从根本上解决在雷电冲击条件下变配电所二次设备微机保护装置的正常运行，提高设备运行可靠性和牵引供电安全性具有很重要的意义。

2．3 雷电波入侵二次设备途径

一般感应雷电波入侵变配电所二次设备主要有四个途径:即通过二次设备的电源回路、信号回路、交流回路和通信回路入侵。现场对微机保护设备实际分析确认，采用光纤通信后，设备的通信线间不会受雷电波电磁干扰影响。二次设备交流输入回路在单点接地基础上，电压、电流互感器二次侧一般都设置有抑制电压突增的TVS器件，因此，也不会通过交流回路传导雷电波电磁干扰。二次设备信号回路多采用光耦器件进行信号隔离，对瞬变信号反映不灵敏，通过信号回路引入雷电波干扰的可能性也很低。二次设备一般都采用开关电源对装置各单元供电，开关电源回路有一定抑制电压突变措施，但较易受超高频信号的影响。因此，应优先从设备电源回路进行综合考虑，针对变配电所微机保护装置特点，分析其外部雷击浪涌可能产生部位，有针对性地在薄弱环节设计参数匹配，在变配电所微机保护装置电源输入处安装能可靠防止雷电波、抗电磁干扰及电源滤波的相关设备，以防止雷击波对微机保护及其它二次设备造成危害，提高综合自动化系统运行的稳定性。

3 微机保护装置二级防雷措施

3．1 微机保护装置外电源回路分析

现场安装的变配电所微机保护装置主要外电源回路如图2所示。

图2 微机保护装置外电源回路

根据雷电波或浪涌电压对二次设备干扰的作用方式不同，可分为差模干扰和共模干扰。影响微机保护装置及综合自动化设备的干扰既有差模干扰又有共模干扰，往往两者同时发生，因此保护设备必须能同时抑制差模干扰和共模干扰。

要想消除对微机保护装置的干扰，首先要选择滤波性能好的材料，选用高频磁性材料，能够滤除雷电波中含有尖刺波、杂波，可以消除干扰。其次是防浪涌，采用铁芯磁饱和技术制作的浪涌抑制器，吸收瞬间过电压、过电流的能力较强，防雷效果较好。要确保微机保护装置可靠工作，还需要净化电源，需选用共、差模元件，主要包括抑制线圈电抗和安全特性高的电容。

3．2 二级防雷工作原理

针对电气化铁路发生的雷击二次回路设备，反击烧毁所内设备及电源系统的情况，以及经常发生接触网短路故障，造成地电位抬高对所内二次设备的影响，可采用双组防雷组件进行两个方向的雷电保护设计，即当雷电流通过电源回路击向设备或通过二次回路设备击向电源系统时，防雷器件都要起到作用。

二级防雷主要对二次系统感应雷电磁脉冲进行抑制，同时要针对电磁脉冲的共模与差模干扰进行抑制。采用双侧多级集成防雷和滤波方式，即分级完成对强大雷电波的抑制或减弱，采用高可靠高性能滤波器，来抑制共模和差模电磁干扰以及瞬时尖刺、杂波干扰。

采取多级串级浪涌保护器件，高能量的浪涌保护器设置在进线入口前端，以泻放浪涌能量的主要部分，较低能量的浪涌抑制器安装在被保护设备入端，将浪涌电压箝制到安全电压。浪涌电压保护在过电压发生的瞬间，被保护区域内所有金属部件之间实现等电位。

3．3 二级防雷结构组成

微机保护二级防雷装置由双组集成避雷器、交直流多级滤波器件、滤波电容器、雷击监测单元、人机交互单元、进出线和地端子及EMC箱体等部分组成。

单侧防雷滤波原理如图3所示:

图3 单侧防雷滤波原理示意图

图3中左侧的黑色避雷器及吸波电阻为集成避雷器部件，并联双向过压抑制稳压管。右侧方框中为单级滤波回路，根据实际要求增加滤波级数及带通回路即可实现抑制高频及谐波的电源滤波功能。双向防雷按照图3所示在右侧对称布置防雷组件即可。实际应用的微机保护装置二级防雷箱内部结构如图4，防雷箱中红色部分为集成避雷器，中间不锈钢外壳部件为滤波电感元件，白色塑壳元件为滤波电容器。

图4 微机保护装置二级防雷箱内部结构图

3．3．1 防雷回路设计

针对雷电冲击，按照C级防雷要求进行参数选择，电源等级为DC110V、AC220V和DC220V、AC220V两种，按照需求选择集成防雷器件按并联防雷模式进行电气连接。

3．3．2 滤波回路设计

由于电源和负载都是动态实时变化的，其变化和电路状态切换、突发的雷击等外部条件变化都会在线路上形成尖峰电流，从而产生噪声电压，噪声电压耦合到二次系统内部电路上，严重时将会影响电路的正常工作，可利用电容、电感等储能元件特性来抑制产生的噪声。电源回路滤波主要采用低通结合有源滤波技术，抑制雷电波高频信号的通过能力。

应用中主要考虑的指标为滤波带宽、截止频率、匹配阻抗、滤波级数等参数。为提高滤波效果，滤波级数理论上越多越好，但随着级数的增加，滤波器件的使用也会大大增加。根据Bellcore工业电子产品MTBF行业标准进行可靠性计算，随着器件的增加，MTBF将会降低，系统可靠性也会大大下降，因此必须综合考虑。实际设计时采用两级滤波回路，根据后级电路选择匹配阻抗，输入阻抗越大越好。采用RAMS设计思想及理念，从装置可靠性、安全性、实用性、可维护性等方面综合考虑，在保证保护系统可靠性的基础上提高滤波效果。

4 微机保护装置二级防雷的应用

4．1 二级防雷基本功能

微机保护装置二级防雷设施在实际应用中主要满足以下功能:

①滤除电源回路中尖刺波、杂波;

②防电源浪涌;

③吸收雷击瞬间过电压;

④吸收过电流;

⑤净化供电电源;

⑥雷击状况查询;

⑦动作时间记录及查询;

⑧电源工作指示及故障报警。

4．2 二级防雷技术特点

采用多级集成防雷滤波保护，除了具备良好防雷作用外，还具备有效滤除线—线和线—地间电磁干扰功能。具有抗共模和差模的能力，对瞬时高压尖刺波，杂波有很好抑制作用。采用双向防雷措施，防止反击雷对电源影响。对雷击动作时刻进行监测，为运行维护人员提供直观的信息。

图5 微机保护装置二级防雷现场安装示意图

4．3 二级防雷现场应用

变配电所亭微机保护装置二级防雷滤波设备在大秦线部分变电所进行了安装运行，效果良好。运行几年来，安装了该设备的变配电所均没有发生过雷击损坏二次设备的现象，有效的避免了雷电恶劣天气对牵引供电系统变配电所微机保护装置和综合自动化系统的影响，有效的防止了保护装置故障及功能失效。

5 结论

变配电所微机保护装置二级防雷的研究和应用，有针对性地结合铁路牵引供电系统特点，将防雷、电源滤波、接地技术有机结合，能够彻底解决变配电所综合自动化微机保护二次设备没有防雷滤波的问题，有效的避免雷电波对变配电二次设备特别是微机保护装置的影响，防止微机保护装置雷击损坏，具有较高的可行性和较强的实用性。保证微机保护综合自动化设备的安全运行，能够提高牵引供电系统可靠性。在大秦线、北同蒲线这样运输任务十分繁忙的铁路干线，带来的安全效益将是无法估量的。

［1］ 李翔．变电站微机保护装置的防雷保护探讨［J］．贵州水力发电，2009，8:55 －58．

［2］ 张诚，等．浅谈微机保护的抗干扰措施及二次防雷措施［J］．铁道标准设计，2004 ，4:89－91．

Research on Secondary Lightning Protection for M icrocom puter Protection Device in Substation and Distribution Station

LIXue-shan
(Datong Western Power Supply Section of Daqin Railway Co．，Ltd．，Datong 037005，China)

After the 200 million tons capacity expansion revamping，microcomputer protection integrated automation systems have been running in all the substation and distribution stations of Datong－Qinhuangdao railway and Datong－Taiyuan railway．The overall technical indicators and functions of the system are greatly enhanced．However，during the operation，themicrocomputer protection devices are damaged by strong electromagnetic interference because of the lightning stroke in some substation and distribution stations，which seriously affect the reliable operation of the system．In this paper，based on the research on the external power circuit characteristics ofmicrocomputer protection device，the pathway through which lightning wave intrudes into the secondary circuit of substation and distribution station and the cause of damage on themicrocomputer protection devices are analyzed in deep．Meanwhile，the structure，working principle and themain function of the secondary lightning protection scheme are detailed description．Damage on secondary equipment，especially themicrocomputer protection device caused by the lightningwave can be avoided effectively by the application of this scheme．

substation and distribution station;microcomputer protection;lightning protection;research

TM63

B

1004－289X(2013)05－0070－04

2013－09－12

李学山(1970－)，男，大秦铁路股份有限公司大同西供电段，工程师。