1、变电站二次设备 雷击过电压防护技术交流,深圳普顺科技有限公司,2 电力二次设备雷击防护必要性,4 变电站二次设备防雷方案,1 雷电基础,3 目前国内电力防雷动态,5 电力系统防雷产品性能要求,6 公司及产品介绍,1.2 雷击分类,1 雷电基础,1.1 雷云,1.1 雷云,+ + + + + + + +,- - - - - -,带电的云称为雷云,1.2 雷击分类,雷电是一种自然现象，归为大气物理学，雷击的分类方法比较多，按雷击形式分三类：直接雷击、感应雷击、球形雷。,直接雷击：雷云对地面某一点或雷云之间的迅猛放电。主要破坏对象是野外的建筑物、人、畜等。,+ + + + + + + +,- - -
2、 - - -,I KA,t us,10,350,10/350US模拟直接雷电流波,0.1,0.5,0.9,1,直接雷击雷电波,感应雷击：直接雷击发生时，由于静电感应与电磁感应引起的过电压。其主要破坏对象是电子设备。电力二次设备防护是感应雷击防护。,+ + + + + + + +,- - - - - -,I KA,t us,8,20,8/20US模拟感应雷电流波,0.1,0.5,0.9,1,雷击过电压是高达几千甚至上万伏，微秒级的电脉冲。,感应雷击雷电波,球形雷：飘浮的带电高能量的球体，发生几率很小，目前还没科学的认识，有科学家认为是一个发生“核聚变”的气体球。其危害也是随机的。,2 电力二次设
3、备雷电防护必要性,2.4 雷电防护基本原则,2.2 电力二次设备雷电防护必要性分析,2.1 雷电危害的几种形式,2.3 雷电入侵楼内设备途径分析,雷电是人类社会八大灾害之一，据初步统计全球每年雷击造成直接经济损失超过140亿美元。在中国一个大中型以上城市每年雷击造成直接经济损失超过6000万。,重大的雷击案例,1987年美国弗吉尼亚州的一火箭发射场，五枚即将发射的火箭，其中三枚因雷击自燃点火升空。,我国山东黄岛油库雷击起火100多人伤亡，数万立方被毁，周围生态环境严重破坏。,2.1 雷电危害的几种形式,雷击危害的几种形式： （1）热效应的破坏作用，雷击中心通道的温度可达3000度以上。,300
4、0度以上高温，可熔化钢铁等金属。,（2）冲击波的破坏作用，雷击通道因温度高使气体快速膨胀，产生冲击波，该冲击波对人、畜有很大的伤害，对建筑物等有破坏作用。,气体快速膨胀,类似炸弹,产生强大的冲击波,可以使附近的人畜受伤,震碎门窗玻璃等.,（3）动力效应的破坏作用，雷击时强大的雷电流流过导体时，导体之间有强大的电磁力作用。,雷电流I,雷电流I,由于雷电电磁场作用,两导体间有强大的作用力.,（4）感应雷电的破坏作用，雷击时，周围产生强大的电磁场，该电磁场损坏附近的设备，处在该电磁场内的导体会感应到感应电动势，即过电压。,雷击时强大的电磁场可能直接破坏设备，可能使处在其内的导体感应到很高的过电压,（
5、5）雷击引起的高电压反击，雷击时附近某处产生高电压，该高电压对其附近的人、畜、设备等都有危害。,- - - - - -,雷击时树为高电位，在其下的人可能被该高电位放电产生危险。,2003年开始与清华教授等对国内200多个35KV以上的变电站的二次设备雷害情况进行了调查，并编写了变电站二次设备雷击过电压防护的必要性与可行性研究，调查结果具体如下。,2.2 电力二次设备雷电防护必要性分析,2年只有一次雷击的站所占比例,2年只有二次雷击的站所占比例,2年只有三次雷击的站所占比例,2年只有四次雷击的站所占比例,2年有五次以上雷击的站所占比例,39.2%,32.8%,12%,8.8%,6.4%,2年没有
6、一次雷击的站所占比例,0.8%,变电站二次设备2年内遭雷击损坏几率,保护、录波等设备的站所占比例,后台机的站所占比例,测控（远动）设备所占比例,通信设备所占比例,其他设备所占比例,11.9%,50.5%,6.3%,28.8%,9.4%,交流配电设备所占比例,11.4%,二年内雷击损坏变电站二次设备统计,直流电源设备所占比例,32.8%,载波馈线所占比例,以太网线、RS232线、RS485线等（站内被感应）所占比例,PT线占比例,微波馈线所占比例,普通电话线、语音线占比例,25.9%,46.3%,21.3%,23.8%,19.7%,交流电源线所占比例,27.6%,变电站二次设备2年内遭雷击损坏原
7、因(雷电入侵途径)统计,直流电源线路所占比例,7.8%,雷击但具体原因不明占比例,6.3%,2.3 雷电入侵楼内设备途径分析,雷电入侵楼内设备简单地说有路与场两条途径，其中路是指设备的配电线路、通信线路、接地线路等，场是指雷击电磁场。,引下线、附近雷击等引起的楼内电磁场,地线,通信线,配电线,地网,电源线路：电源线架空（还可能遭直接雷击）或走电缆沟，当其穿过雷电电磁场时都会感应到雷击过电压，据IEEE等标准电源线路上的雷击过电压可达20KV，雷电流可达20KA。该过电压沿配电线路直接传到设备，并可能将设备损坏。,通信线路：通信线架空（还可能遭直接雷击）或走电缆沟，当其穿过雷电电磁场时都会感应到
8、雷击过电压，据IEEE等标准电源线路上的雷击过电压可达10KV，雷电流可达3KA。该过电压沿通信线路直接传到设备，并可能将设备损坏。,接地线路：主要是当设备同时接有几个地时存在地反击，或设备接地不规范造成的危害等。,雷电电磁场：雷击时，附近有很强的电磁场，该电磁场可能直接损坏设备，也可能通过线路感应出过电压损坏设备。,2.4 雷电防护基本原则,雷电防护基本原则是采取综合防护措施使得线路与空间都“干净”。主要的措施有安装SPD、等电位、屏蔽等。,安装SPD：SPD能泄放线路上的雷击过电流，并将雷电压钳位在设备能承受的范围内。目前比较先进的SPD是并联型短路工作原理。SPD相当于一快速的电子开关，
9、雷电过来时，开关闭合，雷电入地，保护了后续设备。,被保护设备,并联型SPD,等电位：正常不带电的大件金属体（机柜外壳等）连接起来，并与地（采用共用接地方式）做良好连接，以消除金属件之间的电位差，防止地反击等现象发生。,机柜,接地母排（柜下的槽钢）,地网,屏蔽：采用屏蔽电缆，金属机柜屏蔽等措施，一般的屏蔽措施虽不能完全将雷电屏蔽，但屏蔽能有效地防止高频干扰。,一端接地效果差,两端接地效果良好,套金属管双层屏蔽能屏蔽90%的雷电。,电力系统高压防雷很早就开始，并取得了良好的效果,但二次设备防雷工作近几年才开始，还没有统一的行业标准。目前还在试点推广应用中。,3 目前国内电力防雷动态,电力系统还没二
10、次设备防雷的行业标准。,随着电力自动化的快速发展，才出了弱电设备防雷的需求。,电力系统研究雷电防护最早，早期研究高压线路防雷。,各省电力已经开始了二次设备防雷的试点，部分省电力起草了自己的企业标准。,近几年的变电站二次设备防雷取得了良好的防护效果。,行业标准已经在筹备中，在行业标准推出前，变电站二次设备防雷还存在局限性。,4 变电站二次设备防雷,4.5 主通道信号线防雷方案,4.4 交直流配电线防雷方案,4.6 接地与屏蔽,4.1 变电站雷击特点,4.2 雷电入侵站内二次设备途径分析,4.3 变电站二次设备雷击过电压防护原理及原则,4.7 实际案例,4.1 变电站雷击特点,变电站是个包括高压场
11、地（部分新建站是室内高压）与一栋以中控室为主的小楼，设备主要集中在中控室，部分站还有通信楼。,变电站虽然楼层不高，但有自带高压、外露金属线很多特点，因此，雷击几率及强度都很大、应该按强雷区来设计防护措施。,4.2 雷电入侵站内二次设备途径分析,变电站的防直接雷击系统完善，地网接地电阻小，雷电泄放快。雷电入侵中控室内的自动化、继保、通信等二次设备主要途径如下：,低压交流配电线路：站用变前端的高压交流线路虽然有避雷线、高压避雷器等，但到站用变还有1万多2万伏以上的过电压脉冲，变压器不能完全抑制这过电压，因此，过电压会传到低压线路，并传到站内二次设备。,220V直流配电线路：变电站的自动化等很多二次
12、设备是直流220V配电，该直流的还送到了高压场地，因此，220V直流线路会感应到雷电，并传到站内二次设备。,站内布线层内线路相互感应：变电站的特点就是进出站的线多，站内各屏（柜）之间的连接线多，而且这些都经过布线层进出，因此，这些信号线相互感应的几率很大，室内线路之间感应的过电压不会太高，但就足可损坏一些敏感的通信接口（如RJ45口，232口、485口等）。,进出站的信号线路：高压场地有很多各种通信控制线路经布线层到中控室，这些线路虽然大多数有屏蔽层，但因雷电能量集中在中低频，一般的屏蔽措施效果不显著，因此，这些信号线路会感应到雷电，并传到站内二次设备。,测控,交流,直流,高压场地,主控,通信
13、,后台,保护,GPS,到局调度等,PTCTYXYC等线,变电站主通道示意图,4.3 变电站二次设备雷击过电压防护原理及原则,原则：目前没有相关标准，而现有的其他行业标准及框架式的国标在变电站内没有可操作性。在标准颁布前，变电站二次设备的防雷还是必须的措施，并非完善的措施。,原理：可能引入雷电过电压的各种主要线路安装相应的SPD，做好等电位连接。,4.4 交直流配电线防雷方案,站用变,备份,交流屏,直流屏,通信,保护,测控,主控,后台监控,UPS,48V整流,直流母线,（1）交流屏：作为变电站主要设备的交流总配电，应在交流屏输入端安装SPD，将雷电在入口处尽量地泄放入地。其作用是作为设备总保护，
14、同时减少室内雷电电磁场。,（2）直流屏、通信电源屏、UPS、主控屏等：其交流配电输入端应安装SPD，其作用有二，一是抑制室内电源线路上感应的过电压，二是作为重要设备的双重保护。,（3）保护屏、测控屏等：其交流配电输入端为建议安装SPD。这些屏的主要装置主要为直流配电，但也有交流，应按 根据实际情况来区别对待。,（4）直流屏：因直流电源送到了高压场地，应当外线看待，直流屏的控母和合母都应安装SPD，做为直流的总保护。,（5）保护屏、测控屏、主控屏等：其直流配电输入端应安装SPD。这些屏的主要装置主要为直流配电，应安装SPD。其作用有二，一是抑制室内直流电源线路上感应的过电压，二是作为重要设备的双
15、重保护。,（6）通信屏：通信屏的直流配电输入端为建议安装SPD。这些屏的主要装置主要为直流配电，但有时线路非常短，应按 根据实际情况来区别对待。,4.5 中控室主要通道信号线防雷方案,交流屏,直流屏,通信,保护,测控,主控,后台监控,PT、CT,M,光纤,载波等,GPS,RJ45网线,485,CAN,485,语音线,CT,PT,去调度,变电站的通信线路非常多，在没有标准情况下，我们根据实际经验，以主控屏为核心按照如下设计：,（1）PT、CT：根据实际情况来设计。,（2）主控屏到后台的网线：在主控屏侧安装SPD。,（3）主控屏到保护、测控的485线（或网线）：在主控屏侧安装SPD。,（4）主控屏
16、到交流屏、直流屏的485线（或网线）：在主控屏侧安装SPD。,（5）主控屏GPS线：在主控屏侧安装SPD。,（8）主控屏到后台屏的数据线（或网线）：在后台机侧安装SPD。,（7）主控屏到通信屏的语音线（或网线）：在通信屏侧安装SPD。,（6）主控屏到通信屏的语音线（或网线）：在主控屏侧安装SPD。,（9）通信屏的微波线、载波线：在通信屏侧安装SPD。,4.6 接地与屏蔽,变电站地网,A、共用接地方式,B、主地线4*40以上铜或钢(2条以上),C、设备及需接地的点就近接地排(槽钢)。,屏蔽措施:机柜接地有良好的屏蔽作用,采用屏蔽电缆.,目前，变电站的接地与屏蔽已经比较规范，比较规范的措施如下：,
17、（1）共用接地方式，所有需要接地的设备都接到同一个地网。,（2）中控室到主地网对称布设两条以上主地线，地线横截面积不小于100mm2。,（3）中控室内沿各屏柜布设接地母排，或直接用槽钢做为接地母排，各屏柜就近接到接地母排。,（4）各通信线采用屏蔽电缆，屏蔽层两端接地。,（5）进出高压场地的通信线路宜采用光纤改造。,4.7 实际案例,我们在广东、广西、云南、四川、江西、福建等承担了大量的电力二次设备防雷项目，取得了良好防护效果。,5 电力系统SPD技术性能要求,SPD是电力二次设备雷击过电压防护中须采用的主要防护设备，其性能的好坏直接影响防雷系统的效果。电力的二次设备比任何一个系统的设备都复杂，
18、它是一个包含了自动化、通信、计算机等多种弱电设备在内的复杂的系统。SPD不但要求能保护这些二次设备的安全，同时不能影响这些设备的正常运行。因此，电力系统的SPD比一般系统要求高。,电源SPD除常规电气性能必须满足我国电网要求，通信SPD必须满足频率等通信质量要求外，SPD在安全方面必须充分考虑如下性能要求：,5.1 放电电流,5.2 残压,5.3 保护模式,5.4 过流等脱扣,5.5 特殊要求,5.1 放电电流,交流电源SPD根据实际情况选择放电电流：雷环境较好地方选用20KA（8/20US），恶劣地方选用40KA（8/20US）。,48V、220V直流电源SPD一般选择放电电流：15KA （
19、8/20US） 。,通信及网络SPD一般选择放电电流：10KA （8/20US） 。,目前有些标准提出100KA（8/20）或25KA（10/350）的SPD，我们尊重这些标准，但实际上电力系统从来就不提10/350，电力一次设备防雷都只是提50KA（8/20），这是对架空高压线路的，难道对其后的二次线路还要安装100KA的SPD吗？,5.2 残压,残压可简单地理解为雷电被SPD泻放后的剩余电压。是表征防雷产品安全性能中最根本的参数，,IEEE 1100-1992 The Emerald Book 建议残压应不高于设备本身工作电压峰值的2倍.(few solid state devices c
20、an tolerate much more than twice their normal rating),UP,设备,SPD,残压是SPD最根本的安全性能参数，交流电源SPD残压应低于700V，48V直流电源SDP残压应低于180V，220V直流电源SPD残压应低于600V，通信SPD根据设备端口耐过压能力来定。,5.3 保护模式,性能优良的SPD应具备纵向保护和横向保护,即具备全保护.,L,N,E,V+,V-,整流,滤波,开关稳压,电力系统应用的SPD应具体全保护模式。有人说SPD1与SPD2的残压都是1000V，那L、N之间的残压就是0V，这是不对的，雷电是交流，是矢量，L与N之间的雷电压存在相位差，就如，A、B、C三相电存在相位差一样，A、B对N都是220V，但A与B之间是380V而不是0V。,SPD1,SPD2,SPD3,SPD的技术要求标准规定:电源SPD必须有脱扣装置.当SPD损坏短路时必须脱扣以免出现电气短路故障.,设备,SPD,脱扣,目前实现脱扣的一般有:快速熔断器空气开关机械等方式，性能优良的SPD具备了多路脱扣装置并联的热备份式脱扣系统。,5.4 过流等脱扣,电力系统应用的SPD应具热备份式脱扣系统。,5.5 特殊要求,PT线路SPD应确保不短路，CT线路SPD应确保不开路。,谢谢！,祝：身体健康工作顺利,
