变电站微机型综合自动化二次系统防雷
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摘 要：本文分析了综合自动化变电站二次设备遭受雷击的原因，并针对其雷击特性设计出完备的解决方案。
关键词：综合自动化 变电站 防雷 解决方案
【分类号】TM862
1. 引言
近年来，随着我国电力系统的不断改造，随着我国科学技术的发展，特别是计算机技术的发展，变电站微机型综合自动化系统以它独特的优势在电力系统中被广泛的接纳和应用。
变电站实现综合自动化不仅为变电站实现无人值守和配电网实现自动化奠定了基础，而且也为供电部门提供更安全、经济、可靠和高质量的电能创造了条件。
变电站实现综合自动化是传统变电站二次系统的重大变革，其装置形式、功能配置以及操作方法都发生了根本变化。利用多台微型计算机和大规模集成电路装置组成的自动化系统，代替常规的测量和监视仪表，代替了常规的控制屏、中央信号系统和远动屏，及常规的继电保护。
但是，随着而出现的问题是，对于使用超大规模集成电路、运行电压只有数伏、信号电流仅为微安级的微机装置，相比以往的电磁式保护装置所具备耐热容量要小，对尖峰脉冲的耐受能力比较脆弱，特别是雷击过电压的暂态冲击会造成变电站二次系统严重损坏，因此目前变电站综合自动化设备的防雷击问题已经纳入了电力系统正常的保护工作当中。
2. 变电站二次自动化设备工作原理及受雷击损坏的原因
我们首先来介绍一下变电站二次自动化设备原理及受雷击损坏的原因，以从根本上认识雷电对二次自动化设备所造成的危害。
2.1 变电站二次自动化设备原理
变电站二次自动化设备中，中心处理机是整个系统的枢纽，中心处理机通过串行口和前端采集及处理模块进行通讯，并将接收到的信息通过调制解调器的编码以电话通讯网络为载体发送到远端的调度中心处，本地的其他工作站可以通过局域网络访问中心处理机，并可以通过并行口同打印机连接，打印数据。
2.2 变电站二次自动化设备受雷击损坏的原因
1. 电源线引入雷电电磁脉冲引起瞬态过电压，如果不经处理，直接进入电源系统，将引起二次设备电源损坏。
2. 通信线引入雷电引起的感应过电压使通信线与设备之间有一定的电位差直接作用于串行通信口，会损坏微型计算机和通讯设备的串行口，严重时会损坏微型计算机。
3. 二次电缆引入雷电：直接与一次设备相连的二次连接电缆由于雷电电磁脉冲引起的感应过电压直接作用于前端的中心处理计算机，轻则把功能板元件烧毁，重则烧毁整台计算机。
4. 接地不规范：当有雷电电磁脉冲引起接地点之间电位差，产生的电磁场干扰会影响前端的中心处理计算机的运行，损坏前端的中心处理计算机的模板，同时，接地电阻不合格，雷电引起的地电位升高，亦会通过设备的接地线引入前端的中心处理计算机中，同时会损坏前端的中心处理计算机的插件。
3. 解决方案
变电站遭受的雷击是下行雷，主要来自两个方面：一是雷直击在变电站的电气设备上；二是架空线路的感应雷过电压和直击雷过电压形成的雷电波沿线路侵入变电站。因此，直击雷和雷电波对变电站进线及变压器的破坏的防护十分重要，所以本文就以这两种雷击的防护措施加以阐述。
对于直击雷主要是采用避雷针、避雷器、避雷线和避雷网作为接闪器，然后通过良好的接地装置迅速而安全的把雷电流引入大地，选择以避雷针做接闪器时要选择限流接闪器，其在接闪的过程中可初步对雷电流的峰值和陡度进行抑制达到限制流入大地的雷电流幅值的作用，尽量减少雷电反击和感应电磁脉冲的量级。
对于感应雷则需要从整体和系统建立起三维的防护体系，主要包括以下几个方面。
3.1 电源的防护
因综合自动化装置的电源均取自于变电站内10kV/380V所内变压器，且经验证明变电站内60%的累积事故均为电源系统防雷措施不完善造成的，故对综合自动化装置的防雷，电源系统防护应放于首位。参照GB50057.《建筑物防雷设计规范》2010年版、IEC1312―1及GB50343-2012《建筑物电子信息系统防雷技术规范》对雷电引起电磁场脉冲的防护，对建筑物内电子信息系统设备的雷电电磁脉冲的防护等级的要求，将变电站综合自动化系统的低压配电系统确定为第二类防雷建筑物，对此类建筑物可采用3～4级电涌保护器进行保护。
1级电源保护：在10kV/380V所内变压器低压侧安装大容量1级试验的三相电源电涌保护器即电涌保护器的电压保护水平值不应小于或等于2.5千伏，每一保护模式的冲击电流值，应取等于或大于12.5千安，故此处可选10/350波形25千安电涌保护器一套。（其技术指标为LKX-B380-25G型电涌保护器：电压380V、保护水平 2000V、雷电电磁脉冲25kA、10/350μs冲击波形、响应时间≤25ns，
2级电源保护：分配电柜线路输出端的电源安装三相电源型电涌保护器即KJRX60-B/4M或KJRX40-B/4M两种类型电涌保护器一套。
3级电源保护：电子信息设备交流电源进线端安装三相电源型电涌保护器即KJRX40-B/4M或KJRX20-B/4M两种类型电涌保护器一套。
4级电源保护：由于自动监控系统的控制电源及采集机构的需要，必须将交流电转换成直流电，因此直流电源的安全稳定是控制及采集机构安全稳定的基础，为防止雷电电磁脉冲对直流电源造成损害，我们在整流电源侧以及各控制装置及采集机构前加安KJRA系列电源型电涌保护器，进而从根本上解决雷击对直流系统的损害。
通过逐级的防护，可以将雷电流最大限度的控制在自动化装置允许的耐受范围之内，以确保设备稳定运行。示意电路见图3-1。
3.2 通讯系统的防护
变电站二次自动化设备中包括很多网络设备如网卡，调制解调器等。这些设备通过网线和电话线同局域网和广域网相连。所以应该在其通讯线路两端加装信号电涌保护器，包括保护电话线的音频电涌保护器和保护网络连接设备的RJ45型电涌保护器。以及在通讯设备电源处加设电涌保护器。以及针对雷电电磁脉冲产生的地电位反击而安装等电位连接器，这样能够针对变电站中的网络传输系统就有了一个比较全面的保护。
3.3 信号采集及控制线路的防护
在监控系统中，不可避免的要有采样信号和控制信号的传递，在变电站二次自动化设备中也是如此，在现有的使用二次自动化设备的变电站中绝大多数是使用串口进行信号传输的，同时通过并口连接打印设备。这就需要我们就计算机的串口和并口两种信号传递端口进行保护，在两种端口前端加设DB9和DB25两种电涌保护器。在信号采集和控制的执行机构前增加控制信号电涌保护器，并且针对雷电电磁脉冲产生的地电位反击而安装等电位连接器，这样能够比较完善的保护信号采集及控制线路。
3.4 计量及保护系统的防护
在二次自动化设备中，信号显示、功率计算、异常监测和线路保护的判断依据都是由变电站的电流互感器和电压互感器采样进入的，雷电电磁脉冲很容易从这两种设备侵入二次自动化监控系统造成对电子设备的损坏，甚至造成系统的瘫痪，所以对电流互感器和电压互感器后端的电子设备的保护是至关重要的。为了提高防护质量，应该同电源防护一样进行分级防护，一级防护：在电流互感器或电压互感器的低压侧安装电流、电压互感器型电涌保护器，二级防护：在电流互感器或电压互感器线路进入控制配电柜处安装电流、电压互感器型电涌保护器。如此，经过双层保护，使从互感器窜入的雷电流基本能够控制在线路能够承受的额度之内，从而保证了整个系统的正常运行。
3.5 温度检测系统的防护
对于变电站来说，变压器是整个系统的核心，所有的监视设备和保护设备都是为了使之正常、稳定的运行而设立的，检测变压器异常的最直接方法就是检测变压器的温度，因此，很多的变电站二次综合自动化系统都加入了变压器温度检测的部分，其原理是利用温度传感器和温度控制器组成温度检测回路，并将温度传感器置于变压器上，当变压器温度过高时，由温度控制器、降温风扇和警铃组成的报警降温回路接通，对变压器进行降温同时报警。
当发生雷击时，会在温度检测和报警回路中产生极高的感应电压，烧毁回路中设备。为了保护温度检测和报警回路，应该在温度传感器和温度控制器处安装电涌保护器，对温度传感器和温度控制器进行保护，保证变压器的正常运行。
如图3-2所示，将以上各部分的防护组合到一起就组成了一个立体的变电站二次设备防雷体系， 完美的解决了感应雷的影响。
图 3―1 变电站内电源部分的防浪涌保护
图 3―2 信号系统防雷原理图
4. 结束语
通过以上各种方式对各系统的保护，组成了一个从电源到信号的完整的高效的防雷网络，通过使雷电电磁脉冲层层削弱的方式将雷击造成的危害降低到最小的程度，尽可能的保证了二次自动化设备的正常运行，从而保证了变电站的正常运行。
防雷设施是属于预防性的投资，在事故发生之前人们往往觉得可有可无，可少则少。等到事故发生后才发现得不偿失、后悔莫及。我们应树立防患于未然的思想，以小投资保证大投资的安全才是明智之举。
参考文献
1. 《现代防雷技术》 潘忠林编著
2. 《国际防雷技术标准规范汇编》 广东省防雷中心等编译
3. GB18802.1-202 低压配电系统的电涌保护器
4. GA173-1998 计算机信息系统的防雷保护器
5. GB50057.2010《建筑物防雷设计规范》
6. GB50343-2012《建筑物电子信息系统防雷技术规范》