摘要：随着油田变电站综合自动化的改造和综合自动化变电站的新建、升压，大量的集成电路、单片机等弱电设备在变电站控制、保护、遥信通讯等回路中的广范应用，对变电站弱电设备的过电压保护提出了新的要求，尤其是雷电过电压的防护。本文通过作者在2000年和2002年对35kV永二变、永一变进行综合自动化改造过程中，经历的通讯模块雷击过电压和对弱电设备雷电过电压的原因分析，阐述了变电站弱电设备对雷电过电压防护的一点见解。
关键词：综合自动化 弱电设备 雷电过电压 防护
一 、概述
变电站一次系统和二次系统是一个完整的、不可分割的整体，一次系统担负着电能的输送、分配和使用。我们通过二次系统完成对一次系统、设备的控制、保护、监视和测量。随着胜利油田的发展，越来越多的综合自动化变电站的改造、升压新建和节电改造等，使得大量的集成电路、单片机、变频器、逆变器等在电力系统中的普遍应用，提出了一个关键性的问题—弱电设备雷电过电压的防护问题。二次系统的弱电设备承受的过电压水平要比一次系统小的很多，如果变电站二次系统的防雷设施不完善，极易由于雷电反击造成变电站二次回路瘫痪、保护误动或拒动而造成一次系统故障，发生大面积的停电事故，甚至使变电站、电网遭受毁灭性的损坏。
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接地网流入大地，在接地网上会产生一定数值的电位。在严重的情况下，会在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线流入大地时，会在接地网周围产生强大的电磁场，从而在保护模块、通讯模块、远动模块的电缆、连接线、或数据线上，甚至是某弱电元件上产生过电压，损坏这些元件，甚至造成设备损坏，引起供电中断或电力系统崩溃。
尽管在综合自动化的设计中，加强了对二次设备的防过电压保护，但由于大量的集成电路等弱电设备的耐压水平不到100V。所以在对变电站的保护、远动、通讯等弱电设备进行综合自动化改造、升级换代或新建时一定要考虑并做好这些设备的防过电压措施。
永一变、永二变、王岗变等变电站都出现过由于一次系统防雷设备落雷而损坏微机模块、远动、遥信通讯等设备的事故，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，主要是由于二次系统中弱电设备的防过电压能力低，对其防过电压的措施认识不足，设施不完善，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。
二、遭受雷击原因分析
变电站直击雷防护系统主要有避雷器、避雷针、接地网及线路避雷器、避雷线等防雷系统，目前这些设施已经得到完善而日趋成熟，而变电站二次系统随着大规模集成电路在保护、远动、通讯等弱电设备的运用而对变电站的防雷保护提出了更高的要求。
根据变电站的一次防雷系统落雷时，产生的影响变电站二次系统损坏原因主要有以下几个方面：
1、由于接地网之间的电位差损坏弱电设备
油田的变电站在设计时大部分将通讯塔建在控制室附近。当雷电击到通讯塔时，雷电流主要通过通讯塔的接地体向四周扩散，由于通讯塔与控制室接地网很近，基本上可以将控制室的地和通讯塔的地看做等电位，根据资料估算雷击通讯塔时通讯塔的接地电位为1kV以上，而较远的高压开关场的地电位为零，在他们的地间就会出现一个1kV的电位差。对于保护模块、通讯模块等集成电路来说，100V的电压就远远超过了他所能承受的电压，以至将其损坏，何况存在一个近似1kV的电压呢。
2、变电站内的弱电设备产生感应过电压
感应雷过电压由静电感应和电磁感应产生，由于感应雷电而造成变电站的集成电路等弱电设备的损坏。变电站的感应雷电过电压和过电流主要有以下途径侵入弱电设备。
（1）由低压交流电源侵入
变电站的低压电源由站用变压器输入到室内交流屏上，再从交流屏分配给各低压用电设备。当电力线路遭受直击雷和感应雷时，可能经过站用变压器耦合到低压侧线路，通过220V线路进入集成电路等弱电设备将这些设备损坏。再者220/380V电源线可能被直击雷击中或感应出雷电过电压,直接入侵到弱电设备上造成损坏。
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（2）进、出控制室的电缆感应过电压
当雷击点离建筑物50m，雷电流为50kA时，感应的暂态电压会使门槛电压为220V的限压二极管动作。当变电站通讯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，由于进出控制室的电缆可能存在与雷电流方向一致的走向。这些电缆受通讯塔雷电流形成的磁场的影响较大，尤其是无屏蔽的控制电缆、连接线、数据线等。
当控制电缆回路紧贴雷击点下面的引下线且与其平行时，控制电缆感受到的暂态感应电压最高，所以分析二次回路因通讯塔落雷而造成暂态感应电压反击的可能性最大。
随着设备的不断更新换代，对设备的防过电压保护也采取了屏蔽、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
经过以上分析认为，弱电设备产生雷击过电压故障的主要原因如下：
1) 由于弱电设备的电源部分限雷措施不完善，使高电压通过电源进入而损坏；
2)由于控制电缆的无屏蔽、通讯塔的布置和接地与接地网的连接不合理而感应过电压，通过控制电缆、连接线、数据线等进入系统损坏弱电设备；
3)由于接地网不同点之间的地均压不好，流过大电流时出现较大的电位差，造成反击使弱电设备损坏；
三、变电站雷击过电压的防护措施
1、对于变电站控制室、远动、遥信通讯的各种设施的过电压防护由于这是弱电设备集中的地方，因此是防雷电过电压的薄弱环节和重点防护部位，应采取以下措施：
(1)对进入控制室、远动、通讯设施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、远动、通讯设施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、远动、通讯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靠接地。
2、设备及二次系统、端子箱、信号电缆、微波馈线、站用变压器及其电源线的过电压防护措施：
(1)加强屏蔽，将进入变电站的电缆线全部使用屏蔽电缆，并将屏蔽层进行可靠接地。
(2)对低压供电电源加装氧化锌避雷器，加装隔离变压器，限制电源电压的抬高。
(3)将微波馈线的屏蔽与通讯塔实现两点以上的连接；
（4）光缆，应将缆内的金属构件，在终端处接地；保持系统各部分不产生足以致损的电位差，即系统所在环境及系统本身所有金属导电体的电位在瞬态现象时保持基本相等，这实质是基于均压等电位连接的
3、对于变电站的独立避雷针、一次设备的避雷器、设备接地线和接地网、通讯塔及其接地的过电压防护措施：
(1)通讯铁塔接地网应围绕塔基作成闭合环形接地网，铁塔接地网与变电所的接地网间至少要用2根规格不小于40×4的扁钢相连，因为变电所主网与独立通讯塔两地网间距离很近，并有电气上的相互连接，若不相连，极易造成两地网间的反击而损坏设备，并且变电所通常是设通讯塔与避雷针合用，在变电运行规程中，避雷针是独立接地，不与主网相连。而一点多址微波的接地要求与常规的避雷针接地方式不一样，引起变电运行人员的困惑而出现挖断主网与微波塔地网间联接扁钢的事件，对微波设备的安全造成了极大的危害。
(2) 通讯塔加装独立接地体，独立接地体的接地电阻小于5Ω，如果通讯塔与主接地网相接，通讯塔与主接地网的连接点距电气设备与主地网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。
(3) 对主接地网的接地电阻、接地网之间的连通、设备的接地引下线进行逐级分别泄流。
(4)在变电所内建立良好的等电位接地网，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。
结束语：防雷是一个系统工程，要分析雷电的侵入的途径，然后针对每一种途径采取相应的防护措施，合理的设备布局和措施可有效减少雷害。当然也要考虑经济性和合理性。
参考文献
1 解广润《电力系统过电压》北京水利水电出版社.1985年
论文作者:邵志宏,宋洋,李传果
论文发表刊物:《基层建设》2016年第33期
论文发表时间:2017/3/6
标签：过电压论文; 变电站论文; 设备论文; 雷电论文; 通讯论文; 弱电论文; 系统论文; 《基层建设》2016年第33期论文;