变电站微机装置过电压保护

2014-02-01李公波

中国科技信息 2014年16期

关键词：微机过电压保护装置

梁倩李公波

1.青岛理工大学（临沂）；2.国网山东平邑县供电公司，山东

由多种原因引起的设备过电压是现代化变电站微机保护系统的主要威胁。本文就变电站中由过电压的情况引起微机保护装置损坏的现象和原因予以分析，并对保护措施进行阐述，希望能为以后的微机保护装置的过电压保护提供参考。

1 微机保护装置

微机保护装置主要采用了数字信号处理技术，即将常规保护连续的模拟量处理方法量化为一种离散的数字式的处理方法。微机保护基本系统包括四部分，数据采集单元、数据处理单元、开关量输入/输出系统以及通信接口。

1）数据采集单元：即模拟量输入系统，它将模拟输入量转换为所需的数字量。包括辅助变换器（即电压形成器）、低通滤波器（ALF）、采样/保持器（S/H）、多路开关（MPX）以及模/数（A/D）变换器等功能器件。包括变换器、压频变换器（VFC）、计数器等器件。

2）数据处理单元：即微机主系统（CPU 主系统）它将数据采集单元输出的数据进行分析处理，完成各种继电保护功能。它包括微处理器（MPU）、只读存储器（EPROM和E2PROM）、随机存取存储（RAM）、时钟等器件。

3）开关量输入/输出系统：完成各种保护的出口跳闸、信号显示、打印、报警、外部触点输入及人机对话等功能。它由多种输入/输出接口芯片（PIO 或PIA）、光电隔离器、有触点中间继电器等组成。

4）通信接口：在纵联保护中，与线路对端保护交换各种信息。或在与中调联络中，将保护各种信息传送到中调，或接受中调的查询及远方修改定值。它由输入输出串行接口芯片构成。

微机保护装置因其保护响应的速动性、运行维护的方便性以及高灵敏性在电力系统中得到了广泛的应用。其核心现已发展为32 位的单片机为主要数据处理元件，但是随着微机保护系统的不断发展，其系统芯片的具有了更高的集成度，逻辑电路的设计越来越复杂，但是工作电压却越来越低，于是要求其工作环境具有更高的稳定性。微机保护系统抗电磁干扰和耐压冲击能力始终是电力工业环境下应用中的两大薄弱环节。

2 引起变电站微机装置遭受过电压的原因

微机保护装置设备遭受异常过电压根据其来源方式可分为外部过电压和内部过电压。

外部过电压

引起外部过电压的方式一种由雷云感应使电气设备引起的过电压，称为感应过电压，另外一种是雷云通过电力网或设备直接放电而引起过电压称为直击雷过电压。

侵入方式一：外部过电压通常是通过外部高压线路侵入变电站母线系统，经过连接在母线上的站用变压器高低压绕组电磁耦合闯入站内低压出线。通常在外部过电压会经过母避雷器多级削峰，及站变低压母线的平波作用，电压幅值会出现较大的下降。但雷电波仍可能以幅值相对较高，但作用时间很短的低能量尖峰脉冲的形式，通过站变系统的低压出线，存在于变电站内所有的低压交流回路中。

侵入方式二：雷电波通过高压线路侵入变电站母线，经过连接在母线上的PT 或者CT 的二次出线窜入微机保护设备的模拟量输入端口，造成微机保护装置损坏。

内部过电压

内部过电压分为操作过电压和暂时过电压两大类，其中在故障或操作时瞬间发生的称为操作过电压，其持续时间一般在几十毫秒之内；在暂态过渡过程结束以后出现的，持续时间大于0.1 秒甚至数小时的持续性过电压称为暂时过电压。暂时过电压又可以分为工频过电压和谐振过电压。

微机保护设备比继电保护设备易遭受过电压损害的原因：在变电站的二次回路中存在有相当数量的电感线圈（例如控制开关合分闸线圈，电机储能的继电器线圈等），这些设备都具有一定的电感量，当电网发生事故跳闸或停电操作时，突然切断电感电路的电流时会产生较高的反向电动势。在开关断开过程中，触点间的距离尚未到达足够大时就被其产生的幅值大并且频率高的的电压击穿，高电压会通过直流操作回路进入电源系统，部分承受电压水平较低半导体器件就会受到破坏及影响。因为半导体器件的过电压承受水平较低，反应灵敏，损坏后往往无法正常工作。而此类内部过电压对电磁元件影响不大，因其绝缘水平较高，并且其动作过程有一定的惰性，所以不会造成误动作影响正常工作。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 变电站微机装置的保护措施

变电站低压线路上装设电涌保护器

在变电站保护屏内部，在低压电源负荷开关下口与易遭受雷电感应过电压的电源小开关上口安装电涌保护器（SPD），安装SPD 是目前低压系统来限制电压幅度最有效、经济、普遍的保护措施。

采取电磁屏蔽措施

对于变电站内一些特别重要的装置如远程通信计算机、网络通讯机等，一旦受到雷击电磁脉冲的侵袭，有可能带来重大的工作障碍和经济损失，为此必须在室内或室外用屏蔽网将房间屏蔽起来。对于一些不十分需要重点保护的微电子设备，也可以用屏蔽箱或法拉第笼来阻挡电磁脉冲的干扰。在设计屏蔽箱时，可根据所要屏蔽的LEMP频谱来选择其壁厚、导电率、磁导率和几何尺寸。

显然，采用电磁屏蔽措施，可以将雷击电磁脉冲限制至影响最小化，但是由此将付出的昂贵的代价。

接地与等电位连接措施

接地与等电位连接是微机保护系统防止高电压损害必不可少的辅助性措施。现代防雷装置的保护都是基于泄流、限幅和屏蔽原理的，无一例外的都需要可靠接地。只有通过接地，才能使闪电或高电压主要能量泄入大地。接地线的长度、直径和接地电阻的大小，需要按照相关设计规范予以确定才能够保证其效果。但是接地不能代替上述的SPD 防雷装置，有人认为只要将电气设备接地了，就不会遭雷击了，这是错误的。

等电位连接是把建筑物内、附近的所有金属物，如混凝土内的钢筋、自来水管、其它金属管道及其它大型的埋地金属物、电缆金属屏蔽层、电力系统的零线、建筑物的接地线统一用电气连接的方法连接起来（焊接或者可靠的导电连接）使整座建筑物成为一个良好的等电位体，防止在这些物件上由于感应过电压造成对设备内部绝缘的损坏；同时可以防止大电流泄入大地所产生的高电压反击。

PT、CT 装置二次侧接地，保证有且仅有一端接地

电压互感器（PT）二次侧要有一个接地点，这主要是出于安全上的考虑。当一次、二次侧绕组间的绝缘被高压击穿时，一次侧的高压会窜到二次侧，有了二次侧的接地能确保人员和设备的安全。另外，通过接地，可以给绝缘监视装置提供相电压。所有PT 的中性点均引至中控室中的某一保护柜内全站一点接地。

电流互感器（CT）在正常运行时，其二次回路的阻抗很小，基本上接近短路状态。一次电流所产生的磁化力大部分被二次回路的电流所补偿，总磁通密度不大磁路不饱和，二次回路的电动势也不大。当电流互感器二次回路开路时，回路阻抗无限增大，二次电流等于零，二次绕组磁化力等于零，总磁化力等于一次绕组磁化力。此时一次电流完全变成了激磁电流，由于二次绕组比一次绕组多得多，在二次绕组中产生很高的电动势，其峰值可以达到几千伏，极易造成仪表、微机保护装置损坏。

公用电流互感器二次绕组的二次回路只允许、且必须在相关保护屏内一点接地。独立的、与其他电流互感器二次回路没有电的联系CT 二次一点接地在开关场接地更适宜，当一次绕组击穿时，接地线最短，限制高电压传入二次回路最有效。