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1、第七章、弱电系统防雷保护,第一节 弱电系统防雷的特点 我国是雷电活动十分频繁的国家，全国有21个省会城市雷暴日都在50天以上，最多可达134 天。据不完全统计，我国每年因雷击造成人员伤亡达30004000人，损失财产50100亿元人民币。近年来，随着社会经济发展和现代化水平的提高，特别是信息技术的快速发展，雷电灾害程度和造成的经济损失及社会影响也越来越大2。如1990年7月30日郑（州）、三（门峡）微波干线大沟口微波站因雷击而损坏38块盘，损失十分严重3。据广东省统计，在19961999年的四年间，全省发生雷击事故6143起，伤亡699人，直接经济损失达15亿元。在1998和1999年的两年中
2、，全国造成直接经济损失在百万元以上的雷电灾害就有38起。雷电也是一直危害电力系统安全可靠运行的重要因素之一。随着科学技术的发展，避雷器制造水平的提高以及金属氧化物避雷器的推广使用，使变电站一次高压部分的雷电过电压的保护得到了保证。但另一方面，随着电力系统自动化程度的提高，以微电子为主要元件的控制、保护、信号、通信、监控等设备得到普遍应用6，在一些大型发变电站中，即使在采样和计量系统中也普遍采用。由于常规电磁保护,的装置单元多为单元件的电阻、电感和电容等，耐热容量大，对尖峰脉冲的耐受能力也比较强，所以能承受高能的雷电暂态冲击，而对于运行电压只有几伏，信号电流只有微安级的这些电子设备来说，就不一定
3、经受的住。电气和电子技术是现代物质文明的基础，虽然其迅猛发展促进了生产力的发展，加速了社会繁荣与进步的进程，但同时也带来了麻烦问题：一方面，电气和电子设备的广泛应用造成了严重的环境电磁噪声干扰；另一方面，电子技术正向高频率、高速度、微型化、网络化和智能化方向发展，电磁干扰、特别是雷电干扰对这些设备和系统的影响越来越突出，对这些设备造成的损坏事故的发生率逐年增高。电子信息系统受损后，除直接损失外，间接损失往往很难估量，这是90年代以来雷电灾害最显著的特征7。当人类进入电子信息时代后，雷电灾害的特点与以往有极大的不同，可以概括为：（1）受灾面积大大扩大，从电力、建筑这两个传统领域扩展到几乎所有行业
4、，特别是与高新技术关系最密切的领域，如航天航空、国防、邮电电信、计算机、电子工业、石油化工、金融证券等。,（2）从二维空间侵入变为三维空间侵入。从闪电直击和过电压波沿线传输变为空间闪电的脉冲电磁场从三维空间入侵到任何角落，无孔不入地造成灾害，因而防雷工程已从防直击雷、感应雷转变为防雷电电磁脉冲（LEMP）。（3）雷灾的经济损失和危害程度大大增加了。雷电袭击的对象本身的直接经济损失有时并不太大，但由此产生的间接经济损失和影响却是难以估计的。（4）雷电灾害的主要对象已集中在微电子器件设备上。雷电本身并没有变，而是科学技术的发展，使得人类社会的生产生活状况变了。微电子技术应用渗透到各种生产和生活领域
5、，微电子器件极端灵敏这一特点很容易受到无孔不入的雷电干扰的作用，造成微电子设备的失控或者损害。我国实测到的雷电流最大可达200kA 以上,一般低于100kA。这样大的电流无论是沿建筑物钢筋结构、避雷线(针)流入大地或是大地中的电流都可能在附近导线上感应出能量很强的浪涌,对弱电设备造成干扰。因此，变电站弱电系统的雷电防护是一件关系到我国电网安全稳定运行的关键，有必要对其进行深入研究。,我国是雷电活动十分频繁的国家，全国有21个省会城市雷暴日都在50天以上，最多可达134 天。据不完全统计，我国每年因雷击造成人员伤亡达30004000人，损失财产50100亿元人民币。近年来，随着社会经济发展和现代
6、化水平的提高，特别是信息技术的快速发展，雷电灾害程度和造成的经济损失及社会影响也越来越大2。如1990年7月30日郑（州）、三（门峡）微波干线大沟口微波站因雷击而损坏38块盘，损失十分严重3。据广东省统计，在19961999年的四年间，全省发生雷击事故6143起，伤亡699人，直接经济损失达15亿元。在1998和1999年的两年中，全国造成直接经济损失在百万元以上的雷电灾害就有38起。在电力系统中，对于强电设备的防雷措施已比较完善，经验已比较丰富，但是对于弱电设备（如通讯设备，自动化设备，计算机及网络设备，弱电电源设备等）的防雷却显得很薄弱。每年各种弱电因雷击而遭受破坏的事列屡见不鲜。随着电力
7、系统现代化、信息化的发展，弱电系统在电力系统的发展占据举足轻重的地位。因此如何保护弱电系统免受灾害已越来越引起各方面的高度重视。随着现代电子技术的不断发展，大量精密电子设备的使用及联网，使安装在弱电系统中的设备，经受着电源质量不良（如电源谐波放大、开关电磁脉冲）、,直击雷、感应雷、工业操作瞬间过电压、零电位飘移等浪涌和过电压的侵袭，经常会受到各种过电压、过电流的危害。由于一些电子设备工作电压仅几伏，传递信息电流也很小，对外界的干扰极其敏感，而雷电的电压可高达数106V，瞬间电流可高达数104A，因此，具有极大的破坏性。避雷针能防止直接雷击，但不能阻止感应雷击过电压、操作过电压、零电位飘移过电压
8、以及因这些过电压在泄放电流时在其周围所产生的很强的感应电压，而这些过电压却是破坏大量电子设备的罪魁祸首。雷电造成的危害是无孔不入的。尤其对计算机网络系统的危害更大。据研究当磁场强度Bm0.0710-4T时，无屏蔽的计算机会发生暂时性失效或误动作；当Bm2.410-4T时，计算机元件会发生永久性损坏。而雷电电流周围出现的瞬变电磁场强度往往超过2.410-4T。因此，有效地防止雷电对弱电系统设备所产生的危害，是保证弱电系统设备安全、稳定运行的重要前提。对变电站二次弱电设备的防雷保护的研究最早是从电磁兼容角度出发的，上世纪60年代美国电力工程技术人员对变电站的电磁干扰问题主要从电子电路到电缆的电磁干
9、扰耦合过程进行研究，其成果后来形成了美国国家标准协会（ANSI-American National Standards Institute）的ANSI C37.90标准的一部分8。1978年美国电力科学研究启动了编号为RP1359的研究项目，建立了一套新的变电站开关柜的电磁干扰进行了研究。全部工作历时十余年，分为两个阶段完成。,第一阶段的研究工作于1983年结束，并提出了研究报告9。该报告介绍了测量系统的研制、变电站电磁环境的测量和数据分析方法以及初步结果，其中的测量数据包括一个345kV变电站、一个500kV变电站的实测结果和一个高压实验室的模拟测量结果。基于此项工作，发表了一系列的论文91
10、2。文献9介绍了瞬态测量系统的组成及其技术指标，描述了在一个115kV变电站进行的实际测量工作，给出了典型的电雷电干扰波形。文献10论述了通过模拟变电站的雷电瞬态干扰对二次设备进行抗扰度测试的问题，比较了时域和频域测试的特点，给出了在变电站实测的典型雷电干扰波形，总结了高压实验室模拟测试的优缺点。文献1112提出了一种分析变电站雷电瞬态电磁干扰问题的时域模型，利用斜坡函数对时域雷电干扰波形进行分解，并计算空间的时域电场和磁场，将预测分析的结果与实测数据做了对比。第二阶段的研究土作从1986年至1993年。测量工作涉及7个空气绝缘变电站和2个气体绝缘变电站，共组织了13次集中现场测试，测得近80
11、0多次事件的3000多个雷电电磁干扰波形，数据量约500MB。基于此项工作，提出了完整的研究报告13，发表了一系列的论文1417。文献14介绍了变电站的瞬态电磁场的测量工作，总结了微脉冲的特点，给出了部分测量结果，并对不同频率和不同场强产生的原因进行了定性分析。文献15给出了变电站雷电产生的瞬态电磁干,扰对几种变电站电缆和内部电缆线影响的测量结果，介绍了通过CT的场耦合和直接耦合的模型。将预测分析的结果与实测数据进行了对比。文献1617总结了变电站瞬态电磁干扰的建模方法和测量技术，并将预测分析的结果与实测数据进行了对比。分析比较了开关操作、雷击和故障三种瞬态电磁干扰波形的特点，少与现有抗扰度试
12、验标准中的限值进行了对比。但是上述工作并未对二次设备所处的电磁环境进行研究。我国的广播、邮电、交通、船舶、航大和军工等行业在电磁兼容研究方而起步较早，结合各自的行业特点开展了许多很有成效的研究工作2526。20世纪80年代，随着基于微电子技术的继电保护装置的应用与推广，变电站的电磁兼容问题在电力部门开始得到关注27。由于欧共体从1996年1月1日起执行“89/336/EEC!电磁兼容性指令”，使得我国各行业加大了对电磁兼容问题的研究力度。改革开放以来我国电力工业迅猛发展的趋势也迫切要求尽快解决电力系统的电磁兼容问题。在此背景下，国家电力公司所属的中国电力科学研究院、南京自动化研究院、武汉高压研
13、究所和华北电力大学等单位，以及四方公司、清华大学和武汉大学等单位相继开展了有关的研究工作。其中，中国电力科学研究院对高压线路的电磁环境进行了深入研究巨2829，还组织出版了发电厂和变电站电磁兼容导则。清华大学则针对电力线路干扰临近通信线路或金属管线的问题在数学建模和计算方法方而开展了深入研究3031。南京自动化研究院和四方公司的研究工作则主要侧重在二次弱电设备的抗干扰问题研究方面32。,由于我国在建的变电站在电压等级和主接线结构等方面的技术特点与国外不同，因此，国外的测量与分析结果仅能作为参考。要想搞清我国变电站雷电瞬态电磁环境的实际情况，必须进行独立的测量和分析工作。就目前的文献来看，对于电
14、力系统二次弱电设备的研究主要集中于以下几个方面:1)输电线路过电压引起的二次部分电磁兼容问题3335；2)操作过电压引起的电磁兼容问题；3)有限长线路耦合电磁场算法问题研究3637；4)建筑物内雷电感应过电压研究等38。国外文献大部集中在变电站电磁环境及其算法的研究。鲜有文献提出整个发变电站在遭受雷击后二次系统各种控制、信号、通讯等弱电设备如何采取具体措施降低其过电压，以达到保护设备，减少损失之目的。,第二节 雷电侵入弱电系统的途径,7.2.1 雷电侵入弱电系统的途径雷击浪涌入侵微机保护及监控系统的3种途径如图7-1。,图7-1 雷击浪涌入侵方式示意图,以容量为500kVA，变比为10/0.4
15、kV的变压器为例分析雷击浪涌的传播途径，相应的参数为：绕组间的互电容C12为944pF，低压侧对地电容C0为1239pF。（一）线路来波1、雷电过电压较高，避雷器动作如10kV线路遭受雷击，雷电波沿线路向变电站传播，如果雷电过电压达到一定的幅值，安装在变电站出线上的避雷器动作，避雷器与所用变压器之间的电气距离为，则施加在变压器高压侧的电压约为：式中，施加在所用变压器高压侧绕组的电压，kV；避雷器动作后的残压，kV；雷电波的陡度，kV/；避雷器与变压器之间沿连接线分开的距离即电气距离，m；雷电波的波速，m/；避雷器接地引下线的电感，；通过避雷器的雷电流，kA。,10kA，8/20s的雷电波下，1
16、0kV避雷器的残压最大不超过45kV，取L=1H，di/dt=1.25kA，则引下线上的压降为1.25kV。取避雷器与变压器之间的距离，则由式（3.1）可得变压器高压侧的电压最大值约为Ut=45+21.2550/300+1.25=46.6kV（1）电磁感应所用变压器高压侧绕组电压将会通过所用变压器的电磁耦合感应到400V低压侧，则低压侧的最大电磁感应过电压为式中，为感应到所用变压器低压侧的雷电过电压，kV；所用变压器的变压比；Z1变压器高压侧线路的波阻，；Z2变压器低压侧线路的波阻，。取Z1=500，Z2=50，由式（7-2）可求得Ud=3.67kV,（2）电容耦合高压侧的电压还会通过变压器高
17、低压绕组间的互电容耦合至低压侧。在电力系统中，绕组间电容传递过电压是常见的38。如负载变压器低压侧开路，高压侧遭受雷击，出现雷电过电压 时，它将通过绕组间相互部分电容C12与低压侧三相对地部分电容 所组成的电容耦合回路传递至低压侧，使低压侧出现传递过电压U2，由图3.2可知，则有39：（7-3）图7-2 绕组间电容传递过电压等效电路,（二）变电站附近落雷 1、电磁感应 雷电在低压线路附近活动时，雷电形成的场将会在线路上产生很高的感应过电压，并沿着线路传至接在低压电网上的微机保护、综合自动化系统、调度系统或通信系统的低压电源系统，由于这一干扰电压远远大于微机保护装置的工作电源电压（在几伏至几十伏
18、之间），从而导致电源系统的损坏。此时，低压系统产生雷电过电压的概率与低压网络的大小，以及低压电网有无架空线路部分有关。过电压的幅值主要与低压网络雷电活动的强度有关。2、电容耦合 雷电直击于变电站，雷电流经避雷针引入地网，当雷电流通过地网散流时就会在地网的节点上产生很高的电位差。由于地网与二次电缆屏蔽层直接或者间接相连，这个电位差会施加在电缆的屏蔽皮上并通过电容耦合作用使电缆芯线上产生电压和电流，若该干扰电压幅值超过微机保护装置电源电压可以承受的干扰最大值，就会使电源损坏。雷击浪涌入侵微机保护及监控系统的3种途径如图7-3。,图7-3雷击浪涌入侵方式示意图,以容量为500kVA，变比为10/0.
19、4kV的变压器为例分析雷击浪涌的传播途径，相应的参数为：绕组间的互电容C12为944pF，低压侧对地电容C0为1239pF。（三）地电位反击引入 当雷电流经构架避雷针、避雷线或避雷器的接地引下线进入发电厂、变电所的接地网，再经接地网流入大地时，由于地电位分布不均会造成接地网的局部电位升高，而地网附近的电缆沟内往往有二次保护、计量、通信、控制等弱电设备的低压电缆，这个电位差在电缆屏蔽层产生表皮电流，然后通过芯线-屏蔽层之间的耦合对电缆芯线产生干扰电压，造成二次弱电设备的干扰。根据干扰方式的不同可分为共模干扰和差模干扰两类，具体形式如下图所示。(1)共模干扰 共模干扰出现于电缆导线（如信号线、电源
20、线）与地线之间的干扰，它的出现往往是由于地网的地电位升高引起的，如图2.7所示，Un是正常信号源，M是测量仪器，Zm是仪器的输入阻抗。若由于某种原因，A点地电位突变，这相当于在该点与地之间接入一个电压源UG，它作用于回路中所有端子与地之间，称之为共模电压。在绝对平衡的电路内，如果AD、BC两根连线完全一样，C端、D端对地的杂散电容,完全一样，则在C、D两端不会出现干扰信号，只是对地电位都有变化。如若线路阻抗和杂散电容不同，由共模电压UG引起的电流I1、I2就不同，在C、D两端作用的共模电压也就不同，于是在C、D两端就会出现干扰信号，称之为共模干扰电压。,图7-4 共模干扰,(2)差模干扰 差模
21、干扰出现于信号回路的与正常信号电压相串联的一种耦合。最常见于不平衡线路(如同轴电缆)的磁耦合。当有电磁波作用于两条信号线时，在信号回路内出现感应电压UG，它与正常信号Un相串联，共同作用于M的输入端。如图2.8所示。,图7-5 差模干扰,关于地电位干扰将在第八章详细讨述这里不在多讲。,第三节 雷电对弱电系统的危害,弱电系统的雷害事故 近年来随着电力系统的发展,微机保护和综合自动化系统在电力系统中得到大量的应用,这对提高电力系统的自动化水平,提高电力系统的运行灵活性起了很大的作用。这与过去传统的保护和控制装置相比，是一次技术上的革命。但是计算机综合自动化系统现在面临的一个问题，就是各种干扰的问题
22、。因为微机保护、综合自动化系统运行在高电压、强电场的电磁环境中，既有大电流造成的磁场干扰;又有高电压造成的电场干扰;有大电流流经接地装置时由地电位差引起的地电位干扰，特别是在雷击时由雷电过电压产生的雷电过电压干扰，雷电过电流干扰、静电干扰。而计算机等电子器件又是对干扰非常敏感的元件,特别是雷电干扰对其危害最为严重,近年来在电力系统中多次发生因雷电造成微机保护和综合自动化系统模块损环,使微机保护误动、拒动或因微机保护“死机”使事故扩大,主设备烧坏,或者发生“火烧连营”事故。近年来发电厂变电所一次设备的防雷技术已日趋完善，但在弱电系统防雷领域还存在有许多漏洞，也发生了许多雷害事故。,1981年8月
23、27日，江苏省常州市某微波站遭到雷击，电力载波204、102电路终端机报警整流器的3只整流二极管被击穿；铅皮电缆外皮与地网接触处烧出凹坑；微波设备回路机的4线收发信号衰耗器烧坏，致使南京方向的7、8、11路电话中断，上海方向的第7路不通。1983年9月西南某工程遭受一次雷击，使配套的一批电子设备损坏，系统工作无法进行，损坏的电子设备和元件有：数字传输机损坏集成电路芯片20多块；通信系统8台机中有6台受到不同程度的损坏；时控单元脉冲处理回路和脉冲变换电路4块芯片损坏；遥测系统由于连接电缆较长，损坏电路板3块。华中大电网有微波站近百个，其中进口设备站65个。事故统计表明，造成设备损坏、导致长时间通
24、信中断的主要原因就是雷害。武-衡线段的15个微波站有12个曾遭受雷击影响正常通信，甚至损坏多台设备。1987年8月1日三门峡站受雷击损坏16台装置柜。1989年8月30日有5个站遭雷击损坏11块电路盘，通信中断17小时。,1992年6月22日傍晚，北京城区下了一阵中雨。8时左右，雷电击中国国家气象中心大楼楼顶，楼内的大型计算机与小型计算机网络瘫痪，6条同步线路和1条国际同步线路被中断。整个计算机系统停止工作46小时，气象业务受到严重影响，损失数十万元，次日中央电视台气象预报空白。因为大楼装有避雷针，使闪电由避雷针引入大地，所以大楼、人员及普通设备安然无恙，但是雷电流在四周产生的巨大脉冲电磁场，
25、却损坏了具有极为敏感的微电子器件及计算机系统。1993年5月17日和6月3日，雷击广西人民银行证券中心，击坏计算机16台，损失11万元。广西南宁市两个专业银行的计算机网络及电信局程控机也同时损坏。1994年7月5日和17日两天，四川省气象局业务系统连遭雷击，计算机网络、气象雷达、卫星接收系统等电子设备被损坏。1995年9月3日19时55分到4日21时26分，河南省三门峡市出现强雷雨天气，致使中国工行三门峡市湖滨支行遭受严重雷击，当即击毁计算机16部、内部电话总机1台，直接经济损失15万元。,1996年8月31日，华夏证券公司广州分公司遭雷击，损坏彩色及单色LBE大屏幕设备、交换式集成器、四块电
26、话语音卡、微机设备等，经济损失约28多万元。1996年6月22日晚9时前后，天空乌云密布，雷声隆隆，忽远忽近。一声巨响之后，北京东直门附近一座居民楼2至6层的20户居民中，15台电视机被强大的雷电击毁；一层办公室中的视盘机、一台触摸式台灯和小型程控电话交换机也被雷击损坏；邻近的一栋楼上，也有数台电话机遭到破坏。据报道，同日西城区展览路也有居民的电视机和单位的电话机遭到雷击。1997年10月13日吉山珠村化工仓库遭雷击造成严重的火灾爆炸事故，烧毁两座共贮存240吨纯苯的简易仓库，直接经济损失70万元。幸好消防部门扑救及时，不致使爆炸蔓延酿成更大灾害。1998年7月29日上海市某电子工程有限公司智
27、能大楼遭雷电袭击，楼内安防管理监控报警、对讲系统、6只摄像机、13部电梯的电脑控制程序遭损坏，损失严重。1999年8月9日，吉林省蛟河发生雷害，天岗地区某单位的通讯设备被雷击毁，当地1000余台电视机和300余部电话出现故障。雷害发生后的36小时内，远离百里的蛟河市区，市话、手机全停，银行专线无法正常运行，损失严重。相当多的公安机关的专线和军事机关的雷达也受到雷击。,2001年2月21日凌晨，由于大雾闪络造成外部电网对邯郸钢铁股份有限公司电力供应中断，使炼铁、炼钢、轧钢三大系统全面停产，这是公司历史上从未有过的特大事故。由于停电影响，炼铁厂全部高炉断水、断电、断气，不同程度发生灌渣、烧坏冷却设
28、备等事故；炼钢系统导致铁水、钢水落地，部分铁包、钢包损坏；轧钢系统造成部分设备损坏。本次停电事故，给公司生产带来严重影响，初步估计直接经济损失达数千万元。从以上的雷电事故来看，自二十世纪八十年代以来，我国几乎每年都有由于雷电引起的弱电系统重大事故发生，这也说明对于弱电系统的防雷保护措施还有待加强。因此，对于弱电系统的防雷保护的各项措施还应不断完善。7.3.2 500kv曲江变二次雷害分析 500 kV 曲江变电站地处广东省韶关市，是粤北地区第一个500 kV 变电站，是粤北电网的重要枢纽，担负着粤北电网与省网的连接和功率交换，对粤北乃至整个广东省电网的安全、稳定运行起着十分重要的作用。站内包括
29、500 kV，220 kV 和35 kV 3 个电压等级，是目前国内综合自动化水平最高的500 kV 变电站之一。,曲江变电站系统采用分层分布式结构，综合了常规控制仪表屏、继电保护装置屏、模拟屏、变送器屏、远动装置屏、中央信号系统及保护、控制全微机化等特点，实现了测量、控制、自检、保护信息自传、电度量采集、电气五防闭锁、远传等自动化功能。500kV曲江变电站和所有500kV变电站一样，有如下特点：线路和设备的电压等级高，工作电流大，设备本身外形尺寸均很大，例如：500kV变压器和并联电抗起套管的对地距离近9m，断路器和隔离开关的本体高度近7m，避雷器高度近6.5m。500kV曲江变电站与330
30、kV及以下变电站相比，具有很多特点，就二次系统而言，有35：对控制系统的可靠性要求高。500kV变电站的容量大、电压高、出线回路数多，在电力系统中一般都是电力输送的枢纽性变电站，所以，500kV变电站在电力系统中的地位是极为重要的。由于控制、保护等方面的任何失误，造成变电站的故障或事故，不仅影响变电站自身的安全运行，而且对电力系统的影响也很大，往往会造成极为严重的后果。因此，要求500kV变电站的控制系统应具有高度的可靠性。被控制的对象多。除了高压配电装置中大量的断路器和隔离开关需要控制外，还有变压器的有载调压开关、无功功率补偿装置，变电站需要控制的对象数量远远大于330kV及220kV变电站
31、。,控制对象的距离远。由于控制对象远，控制电缆长，加大了控制电缆中的电压降。另外，由于电流、电压互感器二次回路电缆长，引起二次负担加大，影响测量表计和继电保护装置测量环节测的准确度，甚至有可能造成这些装置的不正常工作。控制电缆用量大。由于在500kV变电站中，被控制的对象多，控制距离远，控制、信号、继电保护的接线也比较复杂，引起电缆用量的大幅度增加。自动化水平要求高。随着电力系统的不断发展，为保障安全可靠地供电，对电力系统自动化水平要求也越来越高。抗干扰问题突出。因此，500kV变电站的正确设计和安全运行十分重要。由于近年来计算机技术的飞速发展，在二次系统方面，近年来大力发展变电站自动化系统，
32、其中以变电站的综合自动化系统和电力系统的能量管理系统应用最为有成效。与此同时，曲江变电站建于众山环绕之间，处于雷击频繁的环境，几乎每年均要遭受雷电的危害，特别是在韶关5，6 月份的雷雨季节，该站的计算机综合自动化系统雷害事故频发。特别值得一提的是，2005年5月12日和2006年09月09日该变电站分别发生了两起比较严重的雷电侵害事故，直接影响了该变电站的安全、稳定运行。,7.3.2.1 2005年雷害事故故障分析 2005年5月12日05时55分，曲江站运行人员在检查设备过程中，发现曲北甲线5012、5013开关跳闸，中调、地调自动化系统及曲江站监控系统后台无报警记录。对500kV继保室检查
33、：操作箱跳闸指示灯亮，但保护没有动作。对现场检查：500kV曲北甲线5012、5013开关三相在分闸位置，设备外表正常，开关空气压力及SF6气体压力正常。此时后台机及模拟屏上显示500kV曲北甲线5012、5013开关在合闸位置，无任何相关信息、报文，预告信号显示正常，后台监控系统500kV电气设备遥测值不刷新。据雷电定位系统显示，当5012、5013开关跳闸期间曲江站附近雷电频繁，开关跳闸时曲北甲线线行离曲江站约1km处有雷击，雷电流幅值约62千安。事故发生后，根据现场有关故障信息初步判断500kV 曲江站监控系统500kV 间隔层通信完全中断，为尽快排除故障，恢复系统并查明故障原因，通过对
34、保护装置、故障录波系统、自动化系统、雷电定位系统等站内设备在故障发生时所记录的信息，现场初步分析如下：根据雷电定位系统显示，当5012、5013开关跳闸期间曲江站附近雷电频繁，开关跳闸时在曲北甲线线行离曲江站1km处有雷击，其中有一雷击产生时间与曲北甲线的跳闸时间相符，距离曲北甲线N3塔约为292米，离控制室约为900米，雷电流为62kA。从录波图反映曲北甲线,电流、电压均正常，证明当时雷电可能落在曲北甲线避雷线上，并经曲北甲线构架设置的接地线引入曲江站地网。根据监控系统异常信息，初步判断曲江站500kV监控系统在故障时出现异常，并有受到雷电侵入的迹象。综合以上分析可做如下结论：5 月12 日
35、曲江站曲北甲线避雷线遭受雷击时，雷电波沿线路侵入变电站后台，由曲北甲线的信号（遥信、闭锁、同期）回路（DC+55V，在测控屏与工作电源并接）串入，使电源模块的各组输出（VCC、VDD、+12V）产生了不同程度的干扰，造成曲江站总控A，总控C10、C13 稳压管被击穿，总控CAN 网，曲北甲线高抗测控装置CAN 网接口故障的现象。在遥控执行回路，造成全部光耦开放，造成正常遥控逻辑（开始-选择-返较-执行）混乱，遥控模块的出口继电器向操作箱手跳回路发出11ms-12ms 的脉冲操作电压。当5011、5012、5013 开关操作箱收到这一跳闸脉冲后，由于手跳继电器动作特性存在一定的差异，导致5012
36、 开关三相跳闸、5013 开关BC 相跳闸，再经开关三相不一致保护跳开A 相、5011 开关没有跳闸。经过测试，曲江变电站接地网和各接地线的接地电阻值均符合规程要求。但对于设备保护而言，小于4的接地电阻，即满足要求，因为建筑物之220V/380V用电设备的绝缘耐冲击电压按国际电工委员会的,规定最大为6kV。但雷电流的幅值如取其雷电发生概率40%时的量值约为40kA，当雷电流侵入设备，即使设备保护接地电阻为1，但设备电源或信号输入端的雷电电压已达40kV，是上述耐冲击电压6kV的6.7倍，可见在防止用电设备绝缘被击穿，仅靠降低地阻是不行的，需在设备的电源，信号传输线输入端子接地系统之间装设电子避
37、雷器，在雷电流侵入的瞬间起动，泄放雷电能量互接地系统，形成瞬间暂态等电位，从而保护设备。针对以上情况，我们对曲江变电站的系统防雷进行了调查了解，这个过程中发现变电站的一次防雷系统基本上比较完善，主要的薄弱部分是在二次弱电设备的防护上。分析这些原因，主要是由于变电站的微电子设备在更新换代和升级过程中，设备的功能和性能在使用了大规模的微机设备后有了大幅度提高，但这些设备的防过电压能力相对于电磁型装置却相当低，在变电站微电子设备更新换代的过程中，对其防过电压的措施未能完善，这样一旦变电站一次防雷设备有雷电流流过或其它干扰出现时，就极有可能对变电站的二次造成损坏或使其不正确动作。可见，该次事故是由于雷
38、击线路，雷电波经配电变压器传递至变电站的低压输电电缆，而曲江变电站的低压电源系统和通信系统无任何的过电压保护措施，雷电过电压得不到有效限制，在低压电源系统中的绝缘薄弱处造成干扰、击穿而引发的。,7.3.2.2 2006年事故分析,500kV曲江变电站经过2005年事故后的二次系统防雷改造，已拥有了比较完善的低压防雷保护措施，并且取得了一定成效。但是在采取了这些措施后，2006年09月09日，曲江变电站附近有强烈的雷电现象。据雷电定位系统显示如图2.4，00：45分500kV曲花甲线距离曲江站约1km处有雷击，雷电流幅值约9.5千安。5012开关单相开关保护动作且重合成功，同时后台监控机出现大量
39、500kV部分遥信数据刷新，随后很快发现500kV部分遥测数据停止刷新，现场检查为通信CAN网中断。根据现场勘查情况来看，曲江变电站虽有比较完善的二次系统防雷保护措施，但接地系统却还存在严重问题。1）现场实验 1、对测控屏外壳接地电阻与测量测控屏至保护操作箱之间的二次控制电缆绝缘进行检测；对各电缆芯对地、各电缆芯之间的绝缘检测，电缆屏蔽层接地检测，其结果均正常。2、对现场的各条控制、信号、电源电缆敷设及接地，站内地网参数等进行了认真的检查，检查结果证实，有关线缆敷设及其接地情况良好，站内地网接地电阻为0.13 欧。,表7-1 各测控装置屏的接地状况,3、对曲江变电站二次系统等电位接地铜网进行检
40、查。该变电站各保护屏柜均架在槽钢上与主地网相联接，对微机进行保护的低压避雷器接地引下线接至屏柜下方的等电位接地铜排上，铜排与屏柜之间是用绝缘子支起来（图2.5圈处所示）。同时，各屏内的接地排用铜缆一一连接起来，并且在电缆间内铜缆也用绝缘子支持钉在支架上（如图2.6圈处所示），最后在控制室内一点接地（如图2.7所示）。实际上，这种做法存在很大问题。,图7-6曲江变电站微机屏柜内接地实物图,图7-7 曲江变电站电缆间内接地铜缆架设点实物图,图7-8等电位连接铜缆在电缆间一点接地实物图,2）事故原因分析 当变电站遭受雷击时，雷电流经避雷器或避雷针接地引下线流入接地网，由于地网的接地阻抗，特别是感抗的
41、作用，使得在雷电流下的地网电位极不均匀，不同两点间的电位差也会很大。国家电网公司十八项电网重大反事故措施（下文简称反措）继电保护专业重点实施要求，根据开关场和一次设备安装的实际情况，敷设与厂、站主接地网紧密连接的等电位接地网，为二次设备和二次电缆敷设专用接地铜排，构造等电位面，消除地电位差干扰。现代防雷理论里最主要的是均压等电位连接，可以把具体实施雷电防护的措施及各种方法看成是均压等电位连接网络的形成。根据设备所处位置，不仅要对内部的金属部件及信息系统做等电位连接，而且需要对穿越各界面的金属部件及信息系统在各界面处做等电位连接。曲江变电站在执行反措继电保护专业重点实施要求时，按照该要求规定敷设
42、了专用等电位连接铜网，并将各控制屏柜铜排用铜缆连接起来一点接地，实际上这种做法是存在很大问题的。,图7-9曲江变电站微机系统接地简图,图2.8为曲江变电站微机系统接地简图，在这种情况下，根据保护室的大小不同，用于连接接地铜排的铜缆前后绕行最少200米，不能忽视铜缆在雷电流作用下的电感值。所以当雷击变电站等有高频干扰的情况下，由于接地点相距较远造成的地电位差，屏柜与其内部芯片将处于不同的电位，其电位差为低压避雷器动作的残压和铜缆的等效电感上的电压之和，即：其中，Ud为在微机内部产生的电位差，Ur为避雷器残压，i为流过铜缆的电流值，L为电缆在雷电流作用下的电感值。可以看出，曲江变电站的这种一点接地
43、的等电位连接方法，用于等电位连接的铜缆长度太长，由于地电位差异，在微机系统内产生的电位差将随着铜缆电感值和雷电流陡度的增加而增加。对于一些尖峰脉冲，其di/dt值很大，这样Ud就会远远高出微机的耐压水平，而导致其失灵和损坏。这种接法实际上反而引入了高电位，当有雷电侵入时，避雷器不动作时，说明冲击电压尚在微机的承受范围内。一旦避雷器动作，由于上述两部分电压的影响，很容易引发二次设备误动作甚至击穿。,例如，根据雷电流在连接线上产生电压的式子U=Ldi/dt，假如连接铜缆长达到5m，20kA(8/20s)雷电流通过防雷器时，防雷器两端电压被限制在1kV，而连接线上由感抗引起的电压却达到了3.8 kV
44、，使得总的残压达到了4.8 kV。这时，防雷器是工作了，但加在设备上的仍是危险电压。综合以上的现场检测、实验和理论分析，可以看出，2006年这次事故是由于变电站附近落雷，雷电强度大，雷电形成的很强的电场在通信和控制线路上产生了很高的感应过电压，并沿着线路传递至接在低压电网上的通信系统，通信接口处的浪涌保护器动作，将雷电感应过电压泄放入专用等电位连接铜网。由于该变电站二次系统等电位连接的铜缆采用的是存在严重问题的一点接地方式，约有200米铜缆在雷电过电压冲击下的等效电感上产生的反击过电压，加之浪涌保护器的残压，对通信系统进行反击，打坏通信CAN网，造成了该次事故。,第四节 弱电系统的防雷器件及装
45、置,7.3.1 气体放电管 1气体放电管结构 气体放电管采用陶瓷密闭封装，内部由两个或数个带间隙的金属电极，充以惰性气体（氩气或氖气）构成。当加到两电极的电压达到使气体放电管内的气体击穿时，气体放电管便开始放电，并由高阻变成低阻，使电极端的电压不超过击穿电压。火花间隙为两个形状像牛角的电极，彼此间有很短的距离。当两个电极间的电位差达到一定程度时，间隙被击穿打火放电，由此将过电流释放入地。气体放电管可以用于数据线、有线电视、交流电源、电话系统等方面进行浪涌保护，一般期间电压范围从7510000V，耐冲击峰值电流为20000A，可承受高达几千焦耳的放电。优点：放电能力强，通流容量大（可做到100k
46、A以上），绝缘电阻高，漏电流小；缺点：残压高（24kV），反应时间慢（100ns），动作电压精度较低有跟随电流（续流）。2气体放电管的特性,气体放电管也称避雷管。气体放电管具有很强的浪涌吸收能力、很高的绝缘电阻和很小的寄生电容，对正常工作的设备不会带来任何有害影响。但它对浪涌的起弧响应，与对直流电压起弧响应之间存在很大差异。如90V气体放电管对直流的起弧电压就是90V，而对50kV/s的浪涌起弧最大值可达到1000V。这表明气体放电管对浪涌电压的响应速度较低，故它比较适合作为线路和设备的一次保护。气体放电管是把一对放电间隙封装在充以放电介质（如惰性气体）的玻璃或陶瓷中，即构成气体放电管。常用的
47、放电管冲击击穿电压在一百多伏到几千伏，一旦冲击过电压达到放电管冲击击穿电压时，管内气体电离，放电管由原来的开路状态变为近似短路。气体放电管在电路中和被保护的设备并联。没有浪涌电压时，放电管的阻抗非常大，不会导通。当浪涌电压入侵时，放电管里的气体分子发生电离，产生出自由电子和正离子，这时气体就变得能导电了。此时，管压降下降，使设备两端电压降低，这样给浪涌电压提供了泻放通路，保护设备或系统免收雷电过电压的损坏。放电管允许的放电电流和放电时间有关。电流愈大，不损坏放电管所允许的时间就愈短。放电后，放电管要经过一段所谓恢复时间才能恢复原来的特性，放电电流愈小，放电时间愈短，则恢复时间也愈短。气体放电管
48、由于气体放电的特性，所以，它的浪涌吸收能力较大，可大于10kA（几十微秒），但它对浪涌电压响应速度较低。,虽然放电管具有可承受很大电流冲击的能力，且体积小、价格低，但它响应速度慢，在导通期间近似变为短路，有可能造成上一级空气开关跳闸。在一些不允许短暂中断电源的场合不应采用放电管来保护。但由于其价格便宜，在一般要求不高的场合，可用它作为第一级或第二级保护元件。3气体放电管的主要参数（1）反应时间：反应时间是指从外加电压超过击穿电压到产生击穿现象的时间，气体放电管反应时间一般在s数量级。（2）功率容量：功率容量是指气体放电管所能承受及散发的最大能量，其定义为在固定的8/20s电流波形下，所能承受及
49、散发的电流。（3）电容量：电容量是指在特定1MHz频率下测得的气体放电管两极间电容量。气体放电管电容量很小，一般为小于等于1pF。（4）直流击穿电压：当外施电压以500V/s的速度上升，放电管产生火花时的电压为击穿电压。气体放电管具有多种不同规格的直流击穿电压，其值取决于气体的种类和电极间的距离等因素。（5）温度范围：气体放电管的工作温度范围一般在-55-+125之间。（6）绝缘电阻：绝缘电阻是指在外施50V或100V直流电压时测量的气体放电管电阻，一般大于1010。,7.3.2 氧化锌压敏电阻,1氧化锌压敏电阻器微观结构及特性氧化锌压敏电阻器是一种以氧化锌为主体、添加多种金属氧化物、经典型的
50、电子陶瓷工艺制成的多晶半导体陶瓷元件。它的微观结构如图7-7所示。氧化锌陶瓷是由氧化锌晶粒及晶界物质组成的，其中氧化锌晶粒中掺有施主杂质而呈N型半导体，晶界物质中含有大量金属氧化物形成大量界面态，这样每一微观单元是一个背靠背肖特基势垒，整个陶瓷就是由许多背靠背肖特基垫垒串并联的组合体。图7-7是压敏电阻器的等效电路。,图7-7 微观结构,氧化锌压敏电阻器的典型V-I特性曲线如图7-8所示：,图7-8 压敏电阻器伏安特性曲线,预击穿区：在此区域内，施加于压敏电阻器两端的电压小于其压敏电压，其导电属于热激发电子电导机理。因此，压敏电阻器相当于一个10M以上的绝缘电阻(Rb远大于Rg)，这时通过压敏
