二次系统防雷接地特性现场测试方法研究

田志岗 李建明 文 丽 郭 强

（1.西华大学，成都 610039；2.四川电力科学研究院，成都 610072； 3.乐山电业局，四川 乐山 614000）

雷电流侵入变电站时，会导致接地点与远端零电位处电压的不平衡，若此时的二次系统直接与一次地网相连，很有可能对二次设备构成较大危害，尤其在大电网、大容量的系统中，故障时的入地电流最大可达到几kA，导致在接地点产生上百伏的电压。

随着科技的发展，大规模集成电路广泛应用于变电站二次设备，系统集成度越高，电路越复杂，电子元件工作电压就越低，对工作环境要求就越高[1-2]。近年来，不断有标准对二次系统安全运行进行规范，综合雷电防护系统也不断完善，采取了各种过电压保护措施[3]。对于二次保护电子设备由于其集成化、网格化、自动化程度高，特别是对电子和微电子装置，其耐压水平和抗干扰能力都比较弱[4]。因二次设备接地不良或不符合要求而引起的事故屡见不鲜，所以对二次系统接地情况的测量与检查工作不容忽视。根据DL/T 266—2012 接地装置冲击接地参数测试导则对冲击反击电位的测试要求，本文对二次系统接地有效性和合理性进行了评价，详细阐述了测量及试验方法，对二次系统安全运行有重要意义。

1 二次系统接地分析

要对二次系统接地特性进行评价，首先要了解造成二次系统及设备损坏的主要原因，以及二次系统的接地特点，从而找到正确的测试方法，得出可靠、有说服力的依据。

在DL/T 621—1997 标准中规定了二次系统的三大类接地形式，即TN、TT、IT。这几种接地方式均是考虑电源线接入作用，不仅本身具有不足之处，同时也忽略了通信电缆的引入。

如图1所示，在TN 系统中，一次设备与二次设备共用一个接地网，会对二次系统造成严重干扰[5]。当雷电流或系统故障电流侵袭时，接地点电位迅速升高，使设备外壳呈现高电位，不仅危害人身安全，还会造成二次设备的损坏。因此，在实际工程中大多不采用这种方式。

图1 TN 系统

如图2所示的TT 系统，较TN 系统抗冲击强度有所增强，能降低地网电位大幅波动情况，符合《〈国家电网公司十大项电网重大反事故措施〉继电保护专业重点实施要求》将接地移至控制室的规定[6]。但在实际厂站的敷设过程中，均按自己的理解执行，随意性较大，导致各厂、站之间千差万别。

图2 TT 系统

近年来，一些研究及实施情况融合了TT 系统和TN 系统的接地方式，即在二次控制室及保护室等地方敷设等电位接地网,，构成等电位面，最后再与主地网相连的铜排可靠连接，或是与主地网在电缆竖井处一点连接。

由于二次系统本身的特点，一般不会直接发生雷击接闪，且二次系统供电容量较小，不会发生像一次那样的大接地电流，因此将二次系统的接地从一次系统分离出来，为重要设备单独建立接地网已成为一种较有效的阻断干扰与入侵雷电的措施。

总的来说，对于二次系统，一方面要防止雷电击中避雷针、输电线路等高压系统时，地面电位瞬时升高，对二次设备造成反击；另一方面雷电直接击中埋设于远方的通信、电源线缆或在其上产生感应雷时，将会在设备信号线、电源线与设备外壳之间产生很高的暂态电压，造成设备损坏[7-8]。

2 测试研究

2.1 试验装置

采用小功率冲击电流发生器产生电流幅值为20～50A，波头时间低于10μs，放电时间为30～70μs的冲击电流对二次系统进行冲击接地试验。

冲击电流法测量接地点电位升是把冲击电流发生器产生的模拟雷电流作为测试电流注入接地体（或接地网），然后经数据采集装置得到接地体电压、电流信号，并经串口传输到PC 软件分析平台进行计算分析，最后将信号波形FFT 变换到频域，采用频谱法计算出被测点的对地电压[9-11]。

图3 冲击电流测量原理框图

冲击电流发生器采用交流220V 电源供电，经倍压整流电路对脉冲电容充电，电容上电压测量装置及可控硅分别控制放电能量和电路的导通，输出电压可调，最高至2kV，调节可调电阻和电感可以得到所需要的冲击电流波形；分压电阻和分流电阻采用无感电阻以增强装置的抗干扰能力。

2.2 试验方法与测量回路设计

由于采用独立地网的二次系统直接遭受雷击的可能性很小，所以测试时根据雷电传播的两个主要途径依次进行试验，即主要考虑冲击电流从低压电源中性点侵入和一次地网引下体侵入的情况。对攀钢电动鼓风站二次系统进行了现场测试，该站接地网在建设时地网结构复杂，地下管线较多，并且旁边有放散塔等较大的管线，其接地系统如图4所示。其中，G1为低压电源中性点，G2为该站主接地网，G3为站内二次系统独立小接地网。试验时首先以地网外围为冲击电流注入点，分别测量G1、G2、G3对地电压，探讨高电位升来自远方时对二次系统的影响，然后以主地网为冲击电流注入点，再次测量冲击下G1、G2、G3对地电压，探讨一次地网对二次系统的影响。

图4 攀钢电动鼓风站接地系统

采用平行法测量，其中P 极和C 极用角钢打在鼓风站大门外草坪，两极相隔50m。测量对地电压时，大门外两接地极不变，电流流出极C2接接地极P 极、C1接C 极、电压输出极P2与C2极连接、P1分别与G1、G2、G3的引下线连接。试验时用冲击电流发生器加压到500V，经过放电和数据处理后可由示波器观测接地电阻值和冲击电流作用下接地装置上的电流和电压波形。同一试验条件下进行多次试验，取数值大小居中数据的平均值作为该条件下接地网冲击试验的有效测量值，每次试验后应让整个充、放电回路放电完全。

2.3 试验结果分析

以该站内北放散塔为电流注入点，与打在远处的电流极构成电流回路，并以北放散塔为电位参考点，分别测量G1、G2、G3对此塔接地体的电位升，计算它们之间的电位差，折算到5kA 和10kA 时的电压如表1所示。

表1 电流从一次系统入侵时的电位差

从表1中可以看出，低压电源中性点与地网的电位差较大（大于5000kV）。也就是说，当雷电击中避雷针、输电线路后，雷电流过避雷针、引下体，经一次地网散流时，易发生电压反击，对二次系统中的电源设备造成损坏。

为了进一步探讨该站二次系统防雷及抗干扰性能，改换低压电源中性点为冲击电流注入点，与打在远处的接地极共同构成电流回路，分别测量近端接地极、主地网、独立地网三者对中性点的电位，计算彼此之间的电位差，并折算到5kA 和10kA 时的电压如表2所示。

表2 电流从中性点入侵时的电位差

根据表2计算数据所示，当雷电击中远方的电源线或在其上产生感应雷时，会引起主地网与独立地网的电位差较大，此暂态电压足以对二次设备构成损坏。而主地网、独立地网与近端接地极的电位差很大，正说明地网的泄流作用，以保证站外人员的安全。

3 技术整改方向

针对该站的测试及结果分析，就技术整改方向提出几点建议。

1）在日常管理中，进行供电系统、各独立接地点及各独立接地点之间的过电压检测，对站内地网结构性、有效性、安全性、合理性进行相关的技术论证分析和保护装置承受过电压损坏的绝缘能力校核。

2）对于电源系统和信号系统要合理选择保护器及其安装位置和数量，以达到有效较低设备上的过电压目的。

3）在主控室、保护室和配电室等安装保护装置的场所，以及开关场端子箱、PLC 柜、配电柜、保护用结合滤波器和电缆沟道等敷设二次电缆的地点，应使用水平接地体不小于40mm×4mm 热镀锌扁钢敷设二次系统等电位接地网。

4 结论

1）本文从接地角度，探讨了二次系统采用独立地网时，防雷与抗干扰性能测试的方法，通过测量各接地装置之间的暂态电压，有助于综合评定，进而采取对策措施，以达到预防事故，减少危害的目的。

2）从以上分析可得，该电动鼓风站接地网设备节点电位差偏大，存在受雷电过电压侵袭的安全隐患。在发生雷击的情况下，主电网和独立小地位与中性点之间的电位差较大；电源接地体之间的电位差超过了二次设备的耐压水平。这样，使得二次系统在雷电流等高频作用下，容易发生反击。

3）站所在管理运行中，应做好过电压检测工作，才能有备无患；其次，有针对地增加电源系统和通信系统的防雷性能，以及整改有缺陷的接地装置和不完善的地网，才能保证站所的安全运行。

4）采用冲击电流模拟雷电流测量接地电阻的方法，不仅在测量接地网冲击电阻行之有效，便于工程应用，也同样适用于二次系统的测试工作。

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