變電站二次設備防雷技術

變電站二次設備防雷技術第一頁，共五十五頁，2022年，8月28日2電力二次設備雷擊防護必要性4變電站二次設備防雷方案1雷電基礎3目前國內電力防雷動態(tài)5電力系統防雷產品性能要求6公司及產品介紹第二頁，共五十五頁，2022年，8月28日1.2雷擊分類1雷電基礎1.1雷云第三頁，共五十五頁，2022年，8月28日1.1雷云++++++++------帶電的云稱為雷云第四頁，共五十五頁，2022年，8月28日1.2雷擊分類

雷電是一種自然現象，歸為大氣物理學，雷擊的分類方法比較多，按雷擊形式分三類：直接雷擊、感應雷擊、球形雷。第五頁，共五十五頁，2022年，8月28日直接雷擊：雷云對地面某一點或雷云之間的迅猛放電。主要破壞對象是野外的建筑物、人、畜等。++++++++------第六頁，共五十五頁，2022年，8月28日IKAtus1035010/350US模擬直接雷電流波0.10.50.91直接雷擊雷電波第七頁，共五十五頁，2022年，8月28日感應雷擊：直接雷擊發(fā)生時，由于靜電感應與電磁感應引起的過電壓。其主要破壞對象是電子設備。電力二次設備防護是感應雷擊防護。++++++++------第八頁，共五十五頁，2022年，8月28日IKAtus8208/20US模擬感應雷電流波0.10.50.91雷擊過電壓是高達幾千甚至上萬伏，微秒級的電脈沖。感應雷擊雷電波第九頁，共五十五頁，2022年，8月28日球形雷：飄浮的帶電高能量的球體，發(fā)生幾率很小，目前還沒科學的認識，有科學家認為是一個發(fā)生“核聚變”的氣體球。其危害也是隨機的。？第十頁，共五十五頁，2022年，8月28日2電力二次設備雷電防護必要性2.4雷電防護基本原則2.2電力二次設備雷電防護必要性分析2.1雷電危害的幾種形式2.3雷電入侵樓內設備途徑分析第十一頁，共五十五頁，2022年，8月28日雷電是人類社會八大災害之一，據初步統計全球每年雷擊造成直接經濟損失超過140億美元。在中國一個大中型以上城市每年雷擊造成直接經濟損失超過6000萬。重大的雷擊案例1987年美國弗吉尼亞州的一火箭發(fā)射場，五枚即將發(fā)射的火箭，其中三枚因雷擊自燃點火升空。我國山東黃島油庫雷擊起火100多人傷亡，數萬立方被毀，周圍生態(tài)環(huán)境嚴重破壞。2.1雷電危害的幾種形式第十二頁，共五十五頁，2022年，8月28日雷擊危害的幾種形式：（1）熱效應的破壞作用，雷擊中心通道的溫度可達3000度以上。3000度以上高溫，可熔化鋼鐵等金屬。第十三頁，共五十五頁，2022年，8月28日（2）沖擊波的破壞作用，雷擊通道因溫度高使氣體快速膨脹，產生沖擊波，該沖擊波對人、畜有很大的傷害，對建筑物等有破壞作用。氣體快速膨脹,類似炸彈,產生強大的沖擊波,可以使附近的人畜受傷,震碎門窗玻璃等.第十四頁，共五十五頁，2022年，8月28日（3）動力效應的破壞作用，雷擊時強大的雷電流流過導體時，導體之間有強大的電磁力作用。雷電流I雷電流I由于雷電電磁場作用,兩導體間有強大的作用力.第十五頁，共五十五頁，2022年，8月28日（4）感應雷電的破壞作用，雷擊時，周圍產生強大的電磁場，該電磁場損壞附近的設備，處在該電磁場內的導體會感應到感應電動勢，即過電壓。雷擊時強大的電磁場可能直接破壞設備，可能使處在其內的導體感應到很高的過電壓第十六頁，共五十五頁，2022年，8月28日（5）雷擊引起的高電壓反擊，雷擊時附近某處產生高電壓，該高電壓對其附近的人、畜、設備等都有危害。------雷擊時樹為高電位，在其下的人可能被該高電位放電產生危險。第十七頁，共五十五頁，2022年，8月28日2003年開始與清華教授等對國內200多個35KV以上的變電站的二次設備雷害情況進行了調查，并編寫了《變電站二次設備雷擊過電壓防護的必要性與可行性研究》，調查結果具體如下。2.2電力二次設備雷電防護必要性分析第十八頁，共五十五頁，2022年，8月28日2年只有一次雷擊的站所占比例2年只有二次雷擊的站所占比例2年只有三次雷擊的站所占比例2年只有四次雷擊的站所占比例2年有五次以上雷擊的站所占比例39.2%32.8%12%8.8%6.4%2年沒有一次雷擊的站所占比例0.8%變電站二次設備2年內遭雷擊損壞幾率第十九頁，共五十五頁，2022年，8月28日保護、錄波等設備的站所占比例后臺機的站所占比例測控（遠動）設備所占比例通信設備所占比例其他設備所占比例11.9%50.5%6.3%28.8%9.4%交流配電設備所占比例11.4%二年內雷擊損壞變電站二次設備統計直流電源設備所占比例32.8%第二十頁，共五十五頁，2022年，8月28日載波饋線所占比例以太網線、RS232線、RS485線等（站內被感應）所占比例PT線占比例微波饋線所占比例普通電話線、語音線占比例25.9%46.3%21.3%23.8%19.7%交流電源線所占比例27.6%變電站二次設備2年內遭雷擊損壞原因(雷電入侵途徑)統計直流電源線路所占比例7.8%雷擊但具體原因不明占比例6.3%第二十一頁，共五十五頁，2022年，8月28日2.3雷電入侵樓內設備途徑分析

雷電入侵樓內設備簡單地說有路與場兩條途徑，其中路是指設備的配電線路、通信線路、接地線路等，場是指雷擊電磁場。引下線、附近雷擊等引起的樓內電磁場地線通信線配電線地網第二十二頁，共五十五頁，2022年，8月28日電源線路：電源線架空（還可能遭直接雷擊）或走電纜溝，當其穿過雷電電磁場時都會感應到雷擊過電壓，據IEEE等標準電源線路上的雷擊過電壓可達20KV，雷電流可達20KA。該過電壓沿配電線路直接傳到設備，并可能將設備損壞。通信線路：通信線架空（還可能遭直接雷擊）或走電纜溝，當其穿過雷電電磁場時都會感應到雷擊過電壓，據IEEE等標準電源線路上的雷擊過電壓可達10KV，雷電流可達3KA。該過電壓沿通信線路直接傳到設備，并可能將設備損壞。第二十三頁，共五十五頁，2022年，8月28日接地線路：主要是當設備同時接有幾個地時存在地反擊，或設備接地不規(guī)范造成的危害等。雷電電磁場：雷擊時，附近有很強的電磁場，該電磁場可能直接損壞設備，也可能通過線路感應出過電壓損壞設備。第二十四頁，共五十五頁，2022年，8月28日2.4雷電防護基本原則

雷電防護基本原則是采取綜合防護措施使得線路與空間都“干凈”。主要的措施有安裝SPD、等電位、屏蔽等。安裝SPD：SPD能泄放線路上的雷擊過電流，并將雷電壓鉗位在設備能承受的范圍內。目前比較先進的SPD是并聯型短路工作原理。SPD相當于一快速的電子開關，雷電過來時，開關閉合，雷電入地，保護了后續(xù)設備。被保護設備并聯型SPD第二十五頁，共五十五頁，2022年，8月28日等電位：正常不帶電的大件金屬體（機柜外殼等）連接起來，并與地（采用共用接地方式）做良好連接，以消除金屬件之間的電位差，防止地反擊等現象發(fā)生。機柜接地母排（柜下的槽鋼）地網第二十六頁，共五十五頁，2022年，8月28日屏蔽：采用屏蔽電纜，金屬機柜屏蔽等措施，一般的屏蔽措施雖不能完全將雷電屏蔽，但屏蔽能有效地防止高頻干擾。一端接地效果差兩端接地效果良好套金屬管雙層屏蔽能屏蔽90%的雷電。第二十七頁，共五十五頁，2022年，8月28日

電力系統高壓防雷很早就開始，并取得了良好的效果,但二次設備防雷工作近幾年才開始，還沒有統一的行業(yè)標準。目前還在試點推廣應用中。3目前國內電力防雷動態(tài)第二十八頁，共五十五頁，2022年，8月28日

電力系統還沒二次設備防雷的行業(yè)標準。

隨著電力自動化的快速發(fā)展，才出了弱電設備防雷的需求。

電力系統研究雷電防護最早，早期研究高壓線路防雷。各省電力已經開始了二次設備防雷的試點，部分省電力起草了自己的企業(yè)標準。

近幾年的變電站二次設備防雷取得了良好的防護效果。行業(yè)標準已經在籌備中，在行業(yè)標準推出前，變電站二次設備防雷還存在局限性。第二十九頁，共五十五頁，2022年，8月28日4變電站二次設備防雷第三十頁，共五十五頁，2022年，8月28日4.5主通道信號線防雷方案4.4交直流配電線防雷方案4.6接地與屏蔽4.1變電站雷擊特點4.2雷電入侵站內二次設備途徑分析4.3變電站二次設備雷擊過電壓防護原理及原則4.7實際案例第三十一頁，共五十五頁，2022年，8月28日4.1變電站雷擊特點

變電站是個包括高壓場地（部分新建站是室內高壓）與一棟以中控室為主的小樓，設備主要集中在中控室，部分站還有通信樓。第三十二頁，共五十五頁，2022年，8月28日

變電站雖然樓層不高，但有自帶高壓、外露金屬線很多特點，因此，雷擊幾率及強度都很大、應該按強雷區(qū)來設計防護措施。第三十三頁，共五十五頁，2022年，8月28日4.2雷電入侵站內二次設備途徑分析

變電站的防直接雷擊系統完善，地網接地電阻小，雷電泄放快。雷電入侵中控室內的自動化、繼保、通信等二次設備主要途徑如下：

低壓交流配電線路：站用變前端的高壓交流線路雖然有避雷線、高壓避雷器等，但到站用變還有1萬多2萬伏以上的過電壓脈沖，變壓器不能完全抑制這過電壓，因此，過電壓會傳到低壓線路，并傳到站內二次設備。

220V直流配電線路：變電站的自動化等很多二次設備是直流220V配電，該直流的還送到了高壓場地，因此，220V直流線路會感應到雷電，并傳到站內二次設備。第三十四頁，共五十五頁，2022年，8月28日站內布線層內線路相互感應：變電站的特點就是進出站的線多，站內各屏（柜）之間的連接線多，而且這些都經過布線層進出，因此，這些信號線相互感應的幾率很大，室內線路之間感應的過電壓不會太高，但就足可損壞一些敏感的通信接口（如RJ45口，232口、485口等）。

進出站的信號線路：高壓場地有很多各種通信控制線路經布線層到中控室，這些線路雖然大多數有屏蔽層，但因雷電能量集中在中低頻，一般的屏蔽措施效果不顯著，因此，這些信號線路會感應到雷電，并傳到站內二次設備。第三十五頁，共五十五頁，2022年，8月28日測控交流直流高壓場地主控通信后臺保護GPS到局\調度等PT\CT\YX\YC等線變電站主通道示意圖4.3變電站二次設備雷擊過電壓防護原理及原則第三十六頁，共五十五頁，2022年，8月28日原則：目前沒有相關標準，而現有的其他行業(yè)標準及框架式的國標在變電站內沒有可操作性。在標準頒布前，變電站二次設備的防雷還是必須的措施，并非完善的措施。原理：可能引入雷電過電壓的各種主要線路安裝相應的SPD，做好等電位連接。第三十七頁，共五十五頁，2022年，8月28日4.4交直流配電線防雷方案站用變備份交流屏直流屏通信保護測控主控后臺監(jiān)控UPS48V整流直流母線第三十八頁，共五十五頁，2022年，8月28日（1）交流屏：作為變電站主要設備的交流總配電，應在交流屏輸入端安裝SPD，將雷電在入口處盡量地泄放入地。其作用是作為設備總保護，同時減少室內雷電電磁場。（2）直流屏、通信電源屏、UPS、主控屏等：其交流配電輸入端應安裝SPD，其作用有二，一是抑制室內電源線路上感應的過電壓，二是作為重要設備的雙重保護。（3）保護屏、測控屏等：其交流配電輸入端為建議安裝SPD。這些屏的主要裝置主要為直流配電，但也有交流，應按根據實際情況來區(qū)別對待。第三十九頁，共五十五頁，2022年，8月28日（4）直流屏：因直流電源送到了高壓場地，應當外線看待，直流屏的控母和合母都應安裝SPD，做為直流的總保護。（5）保護屏、測控屏、主控屏等：其直流配電輸入端應安裝SPD。這些屏的主要裝置主要為直流配電，應安裝SPD。其作用有二，一是抑制室內直流電源線路上感應的過電壓，二是作為重要設備的雙重保護。（6）通信屏：通信屏的直流配電輸入端為建議安裝SPD。這些屏的主要裝置主要為直流配電，但有時線路非常短，應按根據實際情況來區(qū)別對待。第四十頁，共五十五頁，2022年，8月28日4.5中控室主要通道信號線防雷方案交流屏直流屏通信保護測控主控后臺監(jiān)控PT、CTM光纖載波等GPSRJ45網線485CAN485語音線CTPT去調度第四十一頁，共五十五頁，2022年，8月28日變電站的通信線路非常多，在沒有標準情況下，我們根據實際經驗，以主控屏為核心按照如下設計：（1）PT、CT：根據實際情況來設計。（2）主控屏到后臺的網線：在主控屏側安裝SPD。（3）主控屏到保護、測控的485線（或網線）：在主控屏側安裝SPD。（4）主控屏到交流屏、直流屏的485線（或網線）：在主控屏側安裝SPD。（5）主控屏GPS線：在主控屏側安裝SPD。第四十二頁，共五十五頁，2022年，8月28日（8）主控屏到后臺屏的數據線（或網線）：在后臺機側安裝SPD。（7）主控屏到通信屏的語音線（或網線）：在通信屏側安裝SPD。（6）主控屏到通信屏的語音線（或網線）：在主控屏側安裝SPD。（9）通信屏的微波線、載波線：在通信屏側安裝SPD。第四十三頁，共五十五頁，2022年，8月28日4.6接地與屏蔽變電站地網A、共用接地方式B、主地線4*40以上銅或鋼(2條以上)C、設備及需接地的點就近接地排(槽鋼)。屏蔽措施:機柜接地有良好的屏蔽作用,采用屏蔽電纜.第四十四頁，共五十五頁，2022年，8月28日目前，變電站的接地與屏蔽已經比較規(guī)范，比較規(guī)范的措施如下：（1）共用接地方式，所有需要接地的設備都接到同一個地網。（2）中控室到主地網對稱布設兩條以上主地線，地線橫截面積不小于100mm2。（3）中控室內沿各屏柜布設接地母排，或直接用槽鋼做為接地母排，各屏柜就近接到接地母排。第四十五頁，共五十五頁，2022年，8月28日（4）各通信線采用屏蔽電纜，屏蔽層兩端接地。（5）進出高壓場地的通信線路宜采用光纖改造。第四十六頁，共五十五頁，2022年，8月28日4.7實際案例我們在廣東、廣西、云南、四川、江西、福建等承擔了大量的電力二次設備防雷項目，取得了良好防護效果。第四十七頁，共五十五頁，2022年，8月28日5電力系統SPD技術性能要求

SPD是電力二次設備雷擊過電壓防護中須采用的主要防護設備，其性能的好壞直接影響防雷系統的效果。電力的二次設備比任何一個系統的設備都復雜，它是一個包含了自動化、通信、計算機等多種弱電設備在內的復雜的系統。SPD不但要求能保護這些二次設備的安全，同時不能影響這些設備的正常運行。因此，電力系統的SPD比一般系統要求高。第四十八頁，共五十五頁，2022年，8月28日

電源SPD除常規(guī)電氣性能必須滿足我國電網要求，通信SPD必須滿足頻率等通信質量要求外，SPD在安全方面必須充分考慮如下性能要求：5.1放電電流5.2殘壓5.3保護模式5.4過流等脫扣5.5特殊要求第四十九頁，共五十五頁，2022年，8月28日5.1放電電流交流電源SPD根據實際情況選擇放電電流：雷環(huán)境較好地方選用20KA（8/20US），惡劣地方選用40KA（8/20US）。48V、220V直流電源SPD一般選擇放電電流：15KA（8/20US）。通信及網絡SPD一般選擇放電電流：10KA（8/20US）。目前有些標準提出100KA（8/20）或25KA（10/350）的SPD，我們尊重這些標準，但實際上電力系統從來就不提10/350，電力一次設備防雷都只是提50KA（8/20），這是對架空高壓線路的，難道對其后的二次線路還要安裝100KA的SPD嗎？第五十頁，共五十五頁，2022年，8月28日5.2殘壓殘壓可簡單地理解為雷電被SPD瀉放后的剩余電壓。是表征防雷產品安全性能中最根本的參數，IEEE1100-1992TheEmeraldBook建議殘壓應不高于設備本身工作電壓峰值的2倍.(fewsolidstatedev