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電力調(diào)度自動(dòng)化設(shè)備現(xiàn)代防雷新技術(shù)
[ 通信界 / 張穎聰 / m.6611o.com / 2009/7/23 14:46:19 ]
 

  摘 要:介紹電力調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)防雷新技術(shù):電源系統(tǒng)等電位技術(shù)和避雷器殘壓衰減技術(shù)。
  關(guān)鍵詞:調(diào)度自動(dòng)化;防雷;隔離變壓器;中和變壓器


  隨著電力系統(tǒng)容量的增加和自動(dòng)化水平的不斷提高,電力調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)已廣泛使用計(jì)算機(jī)、RTU等微電子設(shè)備。縣級(jí)電力調(diào)度及其變電站由于其所在地土壤電阻率較高或地處山區(qū)等,其地網(wǎng)的接地電阻往往很難達(dá)到規(guī)程的要求,其防雷工作更需引起重視。由于一些微電子器件工作電壓僅幾伏,傳遞信息電流小至微安級(jí),對(duì)外界的干擾極其敏感,而雷電流產(chǎn)生的瞬變電磁場(chǎng)對(duì)微電子設(shè)備的干擾和損害尤為嚴(yán)重。在雷雨季節(jié),有些縣電力公司調(diào)度大樓和電力公司所屬自動(dòng)化顯示系統(tǒng)、通信聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)(Modem、載波機(jī)、程控交換機(jī)等)等常常遭到雷擊,造成較大的經(jīng)濟(jì)損失,嚴(yán)重影響當(dāng)?shù)仉娏ο到y(tǒng)的正常調(diào)度、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民的日常生活。盡管有些電力調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)采取了一定的防雷措施,但其效果并不理想,仍然經(jīng)常發(fā)生雷害事故。本文通過(guò)在縣級(jí)電力調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)防雷的實(shí)踐,提出調(diào)度自動(dòng)化設(shè)備的現(xiàn)代防雷技術(shù)。
  1 雷電入侵通道
   雷電直接擊在變電所設(shè)備上,這種情況幾率比較小,因?yàn)樵O(shè)計(jì)和施工的時(shí)候都會(huì)考慮到安裝獨(dú)立的避雷針,避雷帶和避雷網(wǎng)。
   雷電可能沿著電源線入侵,雷電波沿線路侵入到變電所,如避雷器動(dòng)作,則是避雷器殘壓疊加后,通過(guò)所用變的電磁感應(yīng)耦合到低壓網(wǎng)絡(luò),使微機(jī)保護(hù)、綜合自動(dòng)化電源模塊損壞的。此時(shí),低壓電網(wǎng)過(guò)電壓的幅值主要與避雷器的殘壓,避雷器與變壓器距離和避雷器接地引下線的長(zhǎng)度有關(guān)。
   雷電可能沿著通信線入侵,雷電引起的過(guò)電壓在通信線路與設(shè)備之間有一定電位差直接作用于串行通信口(RS232/422/485等),根本原因是在400V低壓電源側(cè)缺少必要的防雷保護(hù)措施,特別是缺少相應(yīng)電壓等級(jí)的避雷器保護(hù),使低壓網(wǎng)絡(luò)中的雷電過(guò)電壓得不到有效的限制。同時(shí),雷電對(duì)微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)和通信系統(tǒng)的電源又沒(méi)有與其他電源分離,或采取特別的防止雷電干擾的措施而使雷害事故發(fā)生。
   雷電感應(yīng)時(shí)常發(fā)生,通過(guò)35kV或10kV高壓感應(yīng)到400V的低壓線路。如低壓網(wǎng)絡(luò)較大,或有低壓架空線路時(shí),當(dāng)雷電在其近區(qū)活動(dòng)時(shí),會(huì)在400V低壓網(wǎng)絡(luò)上感應(yīng)出較高的過(guò)電壓而打壞接在低壓電網(wǎng)上的微機(jī)保護(hù)、綜合自動(dòng)化系統(tǒng),調(diào)度系統(tǒng)或通信系統(tǒng)的電源部分。
   此外,雷電還通過(guò)反擊、截波以及倒灌等方式作用在設(shè)備上,如圖1所示。
  



  圖1 雷電入侵通道
  2 目前二次設(shè)備防雷存在的問(wèn)題
  2.1 MOV殘壓與二次設(shè)備耐壓值配合不合理
   由于目前的制造工藝有限,使得避雷器的殘壓比額定電壓高6倍。例如在220V線路上使用的低壓避雷器殘壓為1.3kV,而一些敏感芯片的耐壓值僅為6~10V,其殘壓值極大地超過(guò)了芯片的安全電壓。
  2.2 MOV動(dòng)作時(shí)引起截波過(guò)電壓
   避雷器在動(dòng)作時(shí)電壓下調(diào)(截波),通過(guò)避雷器安裝點(diǎn)到二次設(shè)備端之間導(dǎo)線的電感與二次設(shè)備輸入端對(duì)地電容構(gòu)成諧振回路。截波通過(guò)該諧振回路會(huì)產(chǎn)生很高的過(guò)電壓(截波過(guò)電壓)。
  3 針對(duì)問(wèn)題的對(duì)策
  3.1 電源系統(tǒng)等電位技術(shù)
   IEC1024規(guī)定:為實(shí)現(xiàn)雷擊保護(hù)電位均衡,應(yīng)采用均壓等電位導(dǎo)體或過(guò)電壓保護(hù)器,將處于被保護(hù)空間中的外部避雷裝置、建筑物鋼筋架、安裝設(shè)備、各種導(dǎo)電體、供電及通信設(shè)備等連接在一起。當(dāng)雷擊時(shí),地網(wǎng)電位升高φ=IRch=100kA×2Ω=200kV,水平方向的電位以1kV/m的速度下降。由于二次設(shè)備所用電源都是由變電站的站用變壓器所供給,站內(nèi)各二次設(shè)備分布在不同位置,而設(shè)備外殼則是就近接地,電源中性點(diǎn)與設(shè)備外殼間的電位差引發(fā)反擊,如圖2所示。由電源系統(tǒng)造成巨大的電位差,導(dǎo)致反擊和“倒灌”的發(fā)生。
  


  圖2 電源系統(tǒng)等電位
  電位差計(jì)算。
   三個(gè)設(shè)備外殼電位分別為:φ(A,B,C)=IR-L(1,2,3)ε;而電源的電位為:φD=IR-L4ε;設(shè)備外殼與電源電位差為:Δφ=φ(A,B,C)-φD。其中ε為電壓降常數(shù)1kV/m。
   各二次設(shè)備與電源系統(tǒng)的電位差數(shù)據(jù)表如表1所示。
  表1 二次設(shè)備與電源系統(tǒng)的電位差數(shù)據(jù)表
  


  解決辦法:二次設(shè)備用電源通過(guò)1:1 的隔離變壓器向二次設(shè)備供電,使被保護(hù)對(duì)象的各部位盡可能構(gòu)成等電位,從而杜絕電位差對(duì)電子設(shè)備造成的損害。
  如圖3所示
  


  圖3 隔離變?cè)韴D
   隔離變壓器的作用:電位浮動(dòng),二次設(shè)備用電源通過(guò)1:1隔離變壓器向二次設(shè)備供電,實(shí)現(xiàn)二次設(shè)備局部地網(wǎng)電位“浮動(dòng)”,利用“水漲船高”原理消除反擊。
   雷電波隔離,通過(guò)隔離變壓器初、次級(jí)開(kāi)路的原理對(duì)沿電源入侵的雷電波實(shí)現(xiàn)隔離,被隔離的雷電能量經(jīng)隔離變初、次級(jí)的避雷器入地。
  3.2 避雷器殘壓衰減技術(shù)
   針對(duì)避雷器殘壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于二次設(shè)備芯片耐雷水平的情況,可采用一種新型的中和變壓器對(duì)其進(jìn)行衰減。
   該中和變壓器由一環(huán)形鐵心和繞在鐵心上的線圈組成。如圖4所示,新型中和變壓器的工作原理:一般情況下,中和變壓器是在差模輸入的狀態(tài),產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)方向相反相互抵消,對(duì)于二次系統(tǒng)無(wú)任何影響。
  


  圖4 中和變壓器原理圖
   當(dāng)雷電入侵時(shí),變壓器是在共模輸入的狀態(tài),雷電流經(jīng)避雷器進(jìn)行泄放,在線圈里會(huì)感應(yīng)出很高的電勢(shì),這部分的變化電壓抵消部分殘壓,以達(dá)到降低殘壓的目的。
   U輸出=U入殘壓-ΔU,
   而ΔU=L(di/dt),此時(shí)兩線圈中的電流方向相同,則
   Φ=Φ1+Φ2,
   所以總電感值為:
   L=L1+L2+2M。
   兩線圈的互感系數(shù)M由磁通量和雷電流決定。
   雷電流的陡度是非常大的,根據(jù)上式則可明顯看到中和變壓器輸出給二次系統(tǒng)的電壓有很大減低。
   此外,使用中和變壓器還能消除直接使用避雷器而產(chǎn)生的截波過(guò)電壓。
  4 結(jié)束語(yǔ)
   隨著電力調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)電腦通信設(shè)備的大規(guī)模使用,雷電造成的危害越來(lái)越嚴(yán)重,以往的防護(hù)體系已不能滿足電腦通信網(wǎng)絡(luò)安全的要求。我們應(yīng)從防直擊雷,防感應(yīng)雷電波侵入,防雷電電磁感應(yīng),防地電位反擊等多方面作系統(tǒng)綜合考慮。嚴(yán)格按防雷接地規(guī)程辦事,應(yīng)用新技術(shù)新裝置,采用電源系統(tǒng)等電位技術(shù)和避雷器殘壓衰減技術(shù)是確保電力調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)極大減少雷害的重要手段。
  參考文獻(xiàn)
  [1] 唐興祚.高電壓技術(shù)[M].重慶大學(xué)出版社,1991.
  [2] 王劍,張學(xué)鵬.輸電線路防雷改進(jìn)措施的研究[J].華北電力技術(shù),1998(10):1~5.
  [3] 周澤存.高電壓技術(shù)[M].中國(guó)電力出版社,2004.
  [4] 王巨豐.現(xiàn)代防雷新技術(shù)[M],2007.7.

 

作者:張穎聰 合作媒體:專網(wǎng)通信世界-中國(guó)電力通信網(wǎng) 編輯:顧北

 

 

 
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