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当变电站二次控制系统雷电过电压损坏实例分析

发布时间:2021-09-09 21:07:41 阅读: 来源:清水离心泵厂家

变电站二次控制系统雷电过电压损坏实例分析

大规模集成电路在变电站保护、远动、通讯升级中的使用,对变电站二次系统 的过电压保护提出了新的要求,本文通过220kV变电站雷电反击变电站二次控制系统的实例分析,阐述了对变电站二次系统过电压防护的见解。

1 概述

变电站一次系统和二次系统是一个相辅相承的整体,其相互关联,但二次系统的耐过电压水 平要比一次系统小的很多很多,如果二次系统的防雷设施不完善,极易由于一次系统对二次系统的雷电反击造成变电站二次控制部分瘫痪而发生变电站毁灭性的事故。

变电站的一次防雷系统落雷时,会产生两方面的影响:一是雷电流要通过变电站的地泻入大地,在地上会产生一定的冲击电位,在严重的情况下,会在部分设备上产生一个电位差 而损坏设备;二是雷电流通过防雷装置的接地引下线入地时,会在周围空间产生强大的暂态 电磁场,从而在各种通讯、远动、保护等的电缆,甚至是主控室内的弱电部件上产生暂态过电压,损坏这些弱点设备。

尽管在变电站的设计中加强了对二次设备的防过电压保护,但近几年来,大量的微机保护等 在变电站保护、远动、通讯的升级中使用,大规模集成电路的耐过电压水平比原来的晶体管 电路脆弱了许多,晶体管设备的耐压水平可达到500~1000V,而大规模集成电路的耐压水平 不到100V。所以在对变电站的保护、远动、通讯等弱电设备进行升级换代时一定要考虑设备的防过电压措施。

在1998年一年的时间中,大同供电分公司先后有3个变电站的主控室由于变电站的一次系统 防雷设备落雷而损坏微机保护、远动、通讯等设备,影响了电力生产的正常进行。分析这几 次变电站弱电设备损坏的原因,主要是由于变电站的二次设备在更新换代过程中,为了提高 设备推动新材料产业调和发展、错位发展的功能和性能,使用了大规模的集成电路,但这些设备的防过电压能力由于大规模集成 电路的使用而变的相当低,在变电站二次设备更新换代的过程中对其防过电压的措施未能及 时完善,这样一旦变电站一次防雷设备有雷电流流过,就极有可能对变电站的二次系统造成损坏。

下边重点对大同北郊220kV变电站的微波塔落雷后对变电站二次系统的损坏情况进行分析,同时对变电站的二次系统过电压防护提出一些见解。

2 北郊变电站二次系统损坏情况及防雷现状

1998年7月4日16:42时,下雨并伴随雷电,北郊变电站中央信号屏警铃响,大北231开关重合闸动作,220开关呼唤,微机保护故障,234开关微机保护故障光字牌亮。234开关102屏CPU1巡检中断,有报告灯亮;220开关保护屏CPU1巡检中断,有报告灯亮;231开关102屏重合闸启动,有报告灯亮;103屏巡检中断,有报告灯亮,负荷监测微机死机。汇报调度时发现 省调、地调全部中断,打印事故报告时,不能打印。

2.1 设备损坏情况

2.1.1 微机保护装置损坏情况

(1)220开关打印机,人机对话CPU0板、高频插件CPU1板损坏。

(2)231开关102屏打印机,人机对话CPU0板,综重插件CPU4逆变电源损坏。

(3)234开关102屏打印机,人机对话CPU0板,高频插件CPU1板另序插件CPU3板损坏。

2.1.2 远动设备损坏情况

远动变送器损坏均是工作电源部分,变送器的电源板上电源变压器、桥式整流电路、三端稳压器等均烧坏。与二次PT和CT连接部分A、C相测功板完好无损;与RTU连接部分变送器输出 电路有不同程度的损坏现象。

RTU中模拟量输入处理模件板、键盘显示器接口模件板从外观上看已严重损坏,其它板件也有不同程度损坏。

远动专用UPS事故后处于故障状态,后经试验发现无法进行交直流自动切换,控制部分损坏 。

2.1.3 保护录波器损坏情况

3台微机保护和220kV微机录波器也受到雷击,其智慧能源(600869)公告中大北线、北高线、220kV旁路各有一台微机保护的人机对话插件损坏,CPU插件也有不同程度损坏,220kV微机录波器的后台机(486工 控计算机)主板也击坏。

2.2 北郊变电站接地防雷情况

(1)北郊变电站的接地接地电阻为:0.4 ,合格。

(2)站内共有4根独立避雷针,主要分布在35kV设备区和主控室的周围,其与主地不连通,相互的距离也大于规程要求的5m,接地电阻在合格范围。220kV设备区有6根架构避雷针,110kV设备区有8根架构避雷针,架构避雷针的接地与主地连通。

(3)微波塔位于主控室的旁边,其本体接地电阻为2.2 ,合格。由于其与主地和主控室的 距离较近,所以其与主地相连通。

(4)220kV、110kV母线1号、2号主变的220kV、110kV侧加装了氧化锌避雷器,35kV母线、1号 、2号主变的35kV侧加装普阀式避雷器。

(5)进入主控室的电缆,110kV使用了铜屏蔽电缆,35kV、220kV侧未使用屏蔽电缆。

(6)地的各点连通情况使用万用表测量连通情况良好。

3 雷击原因分析

变电站直击雷防护系统随着避雷器、避雷针接地及线路防雷系统的不断完善而日趋成熟, 相比较而言,变电站二次系统随着大规模集成电路在保护、远动、通讯等设备的运用而对变电站的防雷保护提出了新要求。

变电站的一次防雷系统落雷时,会产生两方面的影响:一是雷电流要通过变电站的地泻入 大地,在地上会产生一定的冲击电位,在严重的情况下,会在部分设备上产生一个电位差而损坏设备;二是雷电流通过防雷装置的接地引下线入地时,会在周围空间产生强大在国内的暂态电磁场,从而在各种通讯、远动、保护等的电缆,甚至是主控室内的弱电部件上产生的暂态 过电压,损坏这些弱点设备。

经分析认为北郊变电站二次系统损坏原因有以下几个方面:

3.1 由于主控室的地和35kV设备区的地之间的电位差损坏设备

当雷电击到微波塔时雷电流主要通过微波塔的接地泻放,部分通过其它接地泻放,由于微波 塔与主控室地的连接点很近,基本上可以将主控室的地和微波塔的地视为等电位,估算雷击微波塔时微波塔的接地电位为1000V以上。

35kV设备区地电位为零,所以加于交流电源220kV之间的电压为1000V以上,

380V配电装置和二次回路的交流试验电压为1000V,由于配电线路和二次回路的绝缘裕度较 大,而且雷电压为冲击电压,所以220V的交流电源线未击穿。但对于大规模集成电路来说,100V的电压就远远超过了他所能承受的电压,以至将其损坏。其中变送器、保护录波器及微 机保护的打印机,经分析这种原因损坏的可能性比较大。

3.2 流过微波塔的雷电流对主控室设备的感应电压

感应雷电过电压可由静电感应产生,也可由电磁感应产生,形成感应雷电过电压的机率很高 ,感应雷电尤其对变电站的大规模集成电路的损坏情况较多。变电站的感应雷电过电压和过电流的途径主要有以下三种:

3.2.1 由交流220V电源入侵

变电站的电源由站用变压器输入室内,电力线路可能遭受直击雷和感应雷,直击雷雷击高压线路,经过站用变压器耦合到220V低压线路,通过220V线路进入设备将设备损坏。

从现场设备损坏勘察和检验情况来看,远动变送器损坏均是工作电源部分,变送器的电源板 上电源变压器、桥式整流电路、三端稳做为食品接触材料生产者压器等均烧坏。与二次回路PT和CT连接部分A、C相测功板完好无损;与RTU连接部分变送器输出电路有不同程度的损坏现象;6个变送器输出高达 27V(正常为0~5V),保护的录波器的损坏部分也与220V电源电压有关。所以分析远动变送器 和保护录波器的损坏,主要是由于主控室的地和35kV设备区的地之间的电位差抬高或220V电 源线感应过电压,使220V交流电源的电压提高,使设备的电源部分损坏,有的还因设备电源 损坏而连锁反应损坏下一级设备。

3.2.2 由进入主控室的电缆暂态感应过电压

根据时域电路法计算分析,当雷击点离建筑物50m,雷电流为50kA时,在建筑物内试验回路 中,感应的暂态电压仍会使门槛电压为220V的限压二极管动作。

当变电站的微波塔的接地引下线流过大电流时,在其周围形成强大的电场和磁场,其中主要 是磁场的影响,一般情况下电场影响不大。从设备区引入主控室的各种电缆在户外是走电缆沟的,由于其走向与微波塔的雷电流方向垂直,所以雷电流形成的磁场方向对其影响不大。其中从电缆沟进入电缆夹层到主控室的电缆由于其于微波塔的接地引下线的方向一致,其受微波塔雷电流形成的磁场的影响较大。经分析,北郊变电站的110kV信号电缆的屏蔽较好,所以尽管110kV电缆*近微波塔,但其保护板也未损坏;但220kV信号电缆无屏蔽,所以尽管 其远离微波塔也使保护板遭至损坏。从这一点看,控制电缆使用屏蔽电缆是非常重要的。

当控制电缆回路紧*雷击点下面的引下线且与其平行时,控制电缆受暂态感应电压最高,所以分析二次回路因微波塔落雷而由于暂态感应电压反击的可能性最大。

北郊变电站1984年9月24日投运,投运时其保护及通讯设备为晶体管或普通集成块设备,当时的接地防雷基本上按当时的设备进行配置的,近年来由于微电子的迅速发展,大规模集成电路在微机保护、远动通讯方面的使用大量增加,在耐过电压方面,晶体管、普通集成快设 备的耐压水平可达到500~1000V,而大规模集成电路的耐压水平不到100V。

微机保护、远动、通讯等设备的不断更新换代,对设备防过电压保护也提出了屏蔽、均压、泄流、法拉第笼等各种措施,但在实际中由于部分措施实施难度大,雷击又为小概率事件, 所以大多数的变电站都未能完全实施。

北郊变电站的接地防雷的设计对当时的设备来说是完善的,但随着保护、远动、通讯的设备 不断更新换代,大规模集成电路的大量使用,相应的接地防雷措施不够彻底完善,经分析认为,北郊的雷击故障主要原因如下:(1)由于接地不同点之间的地均压不好,由于各点在 流过大电流时的电位差较大,反击使弱电设备损坏;(2)由于信号电缆的无屏蔽或屏蔽不好,加之微波塔的布置和接地与地的连接不合理而使暂态感应过电压,通过信号线进入系统损坏设备;(3)由于设备的电源部分限制措施不完善,使高电压通过电源损坏设备。

4 变电站过电压(包括雷击)防护

4.1 防止过电压(包括雷击)损坏设备的基本思路

为防止变电站保护、远动、通讯等过电压(包括雷击),建议对变电站采取分级、分区进 行防止过电压保护。变电站保护、远动、通讯大规模集成电路防过电压区域示意如图所示。

4.2 各级防过电压的防护措施

4.2.1 一级防过电压区

包括变电站的独立避雷针、架构避雷针、一次设备的避雷器、设备引下线接地、微波塔及 其接地。

一级防过电压区防护措施:(1)对主接地的接地电阻、接地之间的连通、设备的接地引 下线进行大电流测试;(2)逐级分别泄流,微波塔加装独立接地体,独立接地体的接地电阻 小于5 ,如果微波塔或独立避雷针与主接地相接,微波塔与主接地的连接点距35kV及以 下设备与主地的连接点的距离大于15m,以使其在遭雷击时主要通过自身的接地极泄放雷 电流,尽量少地波及到其它设备;(3)均匀地系统电压,各个设备区之间建立良好的等电 位接地,各设备区之间连接良好,主控室的低压控制部分加装均压带,使各点的接地为等电位。

4.2.2 二级防过电压区

包括设备的二次系统、端子箱、信号电缆、微波馈线、站用变电压器及其电源线。

二级防过电压区防护措施:(1)加强屏蔽,将进入变电站的电缆线全部使用屏蔽电缆,并将屏蔽层可*接地;(2)对低压电源限制,对低压供电电源加装金属氧化锌避雷器或加装电源 电压瞬变抑制器,限制电源电压的抬高,加装隔离变压器;(3)将微波馈线的屏蔽与微波塔实现两点以上相接。

4.2.3 三级防过电压区

包括变电站主控室、远动、通讯机房的各种设施,这部分中有大量的极易被过电压侵入而损 坏的大规模集成电路,是过电压防雷的薄弱环节和重点。

三级防过电压区防护措施:(1)对进入主控室、远动、通讯机房的信号线全部加装信号电压瞬变抑制器,对过电压信号限制后箝位;(2)对主控室、运动通讯机房的电源有规律地加装氧化锌避雷器或电源电压瞬变抑制器;(3)对主控室、运动通讯机房的设备接地进行全面检查,并加装均压带,将各种信号线的屏蔽可*接地。

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