关于变电站二次系统防雷问题的相关研究

邓 桥

（中国大唐集团科学技术研究院有限公司西北电力试验研究院，陕西西安 710005）

0 引言

近年来随着我国社会经济的快速发展，社会用电负荷呈现出增长趋势，给电力企业带来更大的生产运营管理压力。与此同时，各类计算机、信息技术以及自动化控制技术在变电站中的应用，推进了智能变电站的建设与普及，提升了变电站的自动化和智能化运行水平。但是，变电站大量应用的电子设备，由于其具有内部结构高度集成化的特点，其耐压和耐过电流的能力有所降低，导致运行中容易受到雷击危害。再加上变电站运行中存在不同渠道的多种信号，使其二次设备抗雷电冲击的能力下降。而变电站二次系统作为保障变电站安全运行的最后一道屏障，起到对一次系统和设备的安全保护作用。因此需要做好对二次系统的防雷工作，保障其应有作用的正常发挥。

1 雷电入侵变电站二次系统的途径

变电站二次系统运行中遭受的雷击主要有直击雷和感应雷两种，由于雷电在放电过程中会在短时间内产生巨量的热量和光并产生电磁效应，导致在放电通道中的设备容易形成感应电压，这将会严重危害变电站中的地面事物。直击雷就是雷电直接以二次系统的架空输电线路为导线而击中二次系统，而系统中的避雷针等设备不起作用且过电压数值较低，尤其是变电站引入了35 kV 或10 kV 的外电源则更会加大此危害。在雷击时的放电瞬间，感应雷会在离放电位置比较近的信号线和电源线中形成电磁脉冲而产生感应电压，此电压数值非常巨大，会直接破坏二次系统中的设备，影响其正常运行。

由此可见，雷电入侵变电站二次系统主要通过接地线、电源线以及信号控制线等途径。

（1）接地线。直接雷在击中避雷针和避雷线等避雷装置之后，会将雷电流通过接地引下线引入大地中，在雷电流通过此接地线向大地传输的过程中，由于接地线存在一定的电阻，而且雷电流的波动峰值比较大，容易出现较大的电位差而影响二次系统中的弱电设备，甚至会将设备击穿而影响变电站的正常运行。尤其是存在接地不规范的现象，更会加大不同接地点之间的电位差并出现电磁干扰问题，如果引入自动化系统中则会造成各种功能模块的损坏。

（2）电源线。雷击发生时雷光会先击中避雷装置并向大地引入，此时变压器内会存在较大的残压，引发变压器高压侧与低压侧之间出现较大的变压，并影响二次系统的绝缘设备等，引发变电站运行故障。而且由于变电站中的自动化系统会通过电源线引入雷电流，也会对其各个功能模块的正常运行造成影响，甚至出现元器件烧坏的问题。

（3）雷电电磁场。由于在发生雷击时会产生较大的雷电流，同时会引发较强的电磁感应，此电磁场也主要在电缆沟、布线层以及电缆井内。受到此电磁场的影响，会导致在导线上形成不同的电压降，这就会导致过电压的产生而损坏二次系统中的绝缘设备。

（4）信号控制线。由于变电站二次系统通过多种不同的通信线路进行连接，一旦这些通信线路遭受雷击，就会将过电压向设备传输而加速设备及其绝缘老化或造成设备损坏。例如，变电站二次系统中的电话音频与MODEM（调制解调器）连接线、RS-485、RJ45 网线、GPS（Global Positioning System，全球定位系统）及微波载波等通信线路，都会成为引入雷电的通道。

2 变电站二次系统防雷保护现状

目前变电站的二次系统结构更加复杂，在其系统中包含的计算机设备、电子设备以及微电子设备数量和种类较多，其通常具有较低的过电压抵抗能力，在遭受雷击时容易造成地电位反击、近点感应过电压以及远点雷电过电压等危害。

（1）地电位反击危害。在二次系统遭受雷击危害时会通过接地网将雷电流引入大地，但是在此过程中会在接地网上产生巨大的冲击高电位，如果此高电位被引入二次系统则会损害设备。

（2）近点感应过电压。在上述将雷电流引入地下的过程中还会形成强烈的电磁场，受到此电磁场的影响会在二次系统的配电线路以及金属管道上形成感应过电压，此电压数值不固定但是易对系统设备造成危险。

（3）远点雷电过电压。二次系统设备线路或导线金属芯在遭受雷击之后会形成雷电过电压，这就会将远处的过电压引入二次系统的设备或其他装置，进而影响设备的正常运行或损伤设备。

为避免上述危害，目前变电站普遍采取以下防雷保护措施。

（1）直接雷。通常采取接闪器、引下线以及接地网组成的防护系统，三者之间相互依靠和协作来起到对直接雷的有效防护。

（2）感应雷。首先是重点做好对通信系统的防护，也就是连接变电站的机房终端设备和通信信号线来确保其与外界的有效通信。其次，电压互感器和电流互感器，二者与变电站主控室连接且均是在高压位置引入，这样来应对一次系统感应雷电。再次是防护空间感应电磁场，由于在雷电击中建筑物或者树木时会形成强烈的电磁场，使得二次系统中的导线等感应到较强的电流，对二次设备造成损坏。为此要做好对二次系统设备的接地处理工作。最后，如果接地线的接地点与其他接地点的位置存在较大差异，也会在受到感应雷影响时产生较大的电位差而出现设备反击问题，引发设备故障，为此要统一规划和设置接地点。

常用的防雷保护方式主要有外部保护和内部防护、过电压保护等类型。其中，外部防护就是通过避雷装置的设置，在发生雷击危害时可以将雷电流及时引入大地；内部防护就是对上述避雷装置向大地中引入雷电流时无法彻底排除的雷电波，通过一次系统和二次系统的连接，在系统内部来预防雷击危害；过电压保护就是预防雷电引发的过电压会对设备两端电压造成影响而导致电压差较大，影响系统正常运行的危害起到预防作用。

3 变电站二次系统防雷措施

3.1 针对电源线侵入系统的防雷措施

由于变电站运行中线路相互之间会由于感应而产生干扰电流，或者是内部线路受到附近落雷的影响而产生感应电流，以及由于引下线电磁感应而出现感应电流，还可能会由于较长的输电线路在受到雷击影响时产生较大的电流，并向二次系统输送、对二次系统造成危害。此外，由于避雷线或杆塔遭受雷击时会使得输电线路受到感应雷击的影响，这就可能会增加输电线路中的感应电流，需要在进线段高压侧采取避雷措施加以防护。针对上述问题，需要通过三级防雷的方式做好对弱电系统的防雷工作，而且将避雷装置安装在变压器两侧，且在同一个位置进行接地点的设置，还要将浪涌保护器设置在电源入口的位置。

3.2 针对地电位反击的防雷措施

针对雷击可能造成的地电位反击危害，可以采取正确的接地方式来减少电磁干扰，保障二次系统及其设备的稳定运行。也就是将等电位连接排铺设在变电站内部，还要对地网的电压进行优化，还可以采取利用电缆在相同的接地网上进行一次系统和二次系统连接的防雷方式。

3.3 针对感应电磁场过电压和电磁耦合侵入系统的防雷措施

由于在雷击危害到建筑物、树木以及避雷装置时可能会产生强烈的磁场并引发较大的电磁感应，进而形成过电压而危害二次系统中的设备。此外，由于电缆相互之间存在电磁耦合也会相互影响和干扰。为此就需要将SPD（浪涌保护器）安装在线路上来预防电磁感应带来的危害。

3.4 针对通信部分的防雷措施

目前的变电站二次系统中存在较多的网络设备等自动化设备，它们相互之间需要通过网络或电话线等进行局域网、广域网连接，应将信号电涌保护器安装在通信线路两端。此类保护器中还设置有音频电涌保护器来保护电话线，以及使用RJ45 型电涌保护器来保护网络连接设备等，还可以将此保护器安装在通信设备的电源位置，并且可以使用等电位连接器来应对地电位反击危害，全面保护网络传输系统。

3.5 其他防雷措施

对于监控柜视频信号来说，采取过电压保护也就是针对同轴电缆连接监控柜内的视频信号时容易引发雷击危害的情况，将防雷器安装在视频信号接口位置，并用35 mm DIN 导轨固定以及串联安装的方式。对于GPS 卫星时钟接口所采取的过电压保护，就是针对主控室远动屏上的GPS 单元与建筑物顶部的卫星天线采取同轴电缆连接时容易引发的雷击危害，需要将防雷器安装在GPS 单元接口位置，用采用串联安装的方式。

4 结束语

变电站二次系统容易受到雷击危害而影响其正常运行，主要有直击雷和感应雷两种危害方式，通过电源线、接地线、信号控制线侵入系统和设备。因此，不仅要基于目前在变电站二次系统中所采取的外部防护、内部防护以及过电压保护等防雷策略，还要重点做好对电源线侵入、感应电磁长过电压和电磁耦合侵入系统的雷击危害的防护措施，以及对地电位反击危害以及通信部分等位置的防雷措施，以提升变电站二次系统的防雷击能力，有效保障系统的安全与稳定运行。