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變電站微機綜合主動化體系的浪涌防護

李占全1,金小強2,唐會祥2,王利紅2

(1.義馬煤業團體公司永興工程公司,河南三門峽467000; 2.中國礦業大學信電學院,江蘇徐州221008)摘　要:簡略介紹寥ナ浪涌的起源和特征,詳細介紹了各種浪涌防護的方式及體系中的各類“地”的處置,聯合實際從電源體系的防護、通訊體系的防護兩方面討論了變電站綜合主動化體系的浪涌防護辦法。

要害詞:變電站;浪涌;供電事故;防護

中圖分類號:TD611+. 2　　　文獻標識碼:B　　　文章編號:1003-496X(2009)01-0049-04

　　當前,基于分層散布式構造的微機綜合主動化體系在電力體系中獲得了普遍的利用,大多數工礦企業也紛繁對其管轄保護的變電站進行了綜合主動化改革。綜合主動化妝置是由大批的電子元器件組成的,如晶體管、阻容元件、集成電路、MOS電路等,這些電子器件大多在低電壓、弱電流下工作,其耐壓(50 V左右)、抗流(150mA左右)才能很差,同時對各種電磁干擾非常敏感。對于這些電子器件而言,超過1 kV的電壓、大于幾安的電流,就足以造成毀壞。

當變電站進行開關操作、切除故障或遭遇雷擊時,就可能會在其二次體系中引起瞬態過電壓(流)沖擊(在弱電體系又被稱為浪涌或電涌,相應的維護器件稱為浪涌克制器)。據統計,浪涌對盤算機弱電體系的損壞在許多行業、處所都呈現過,永城工程公司有一35 kV變電站就產生過一次由于雷擊后的殘壓侵入而將所有低壓開關柜上微機維護單元通訊口(CAN口)燒壞的事故,造成變電站的通訊與操縱測量功效癱瘓。

與變電站一次體系相對比,二次體系的電涌防護須要斟酌的因素更多,因此對克制辦法請求更加完美細膩,本文將對此進行一些簡略探討。

1　浪涌的起源和特征

(1)外部浪涌。依據電力體系過電壓理論可知,外部浪涌最重要的起源是雷電,它可以是通過傳導繁雜的電磁感應侵入變電站的二次體系;外部浪涌的另一個起源是就是電力體系的內部過電壓。

(2)內部浪涌。內部浪涌重要來自站用變壓器所帶的其他用電裝備,重要是一些感性非線性負載如空調機、電焊機、日光燈、水泵、開關電源等。

(3)浪涌的特征。幅值頻譜剖析表明浪涌大多顯現低頻特色,即能量重要集中在頻率較低的頻段。

但是即使非常低的能量就會造成集成電路的狀況雜亂或毀壞,因慈ナ浪涌波形中所含的高頻能量即使比例較小也足以影響半導體電路的正常運行。高頻能量則需通過濾波和屏蔽技能進行操縱;而低頻能量可以通過硅二極管、壓敏電阻、接地等方式進行打消。

2　電涌侵入的道路

電涌的侵入道路可以通過圖1來闡明〔1〕。

圖1　電涌的侵入道路示意圖

　　當一次過電壓侵入變電站或對變電站避雷針、避雷器直接放電后,有可能會造成過電流在地網流動,雖然變電站的防雷接地與微機維護體系的接地不存在直接的電氣聯接,但是電涌可以通過繁雜的電磁耦合進入主控室,進而侵入變電站的二次微機體系,具體可分為下述幾種情勢。

(1)傳導耦合。在分層散布式的變電站綜合主動化體系中,室內二次裝備仍然要通過各種操縱電纜、電力電纜、通訊電纜、接地網等與室外一次舷?連接,室外一次裝備的過電壓沖擊可以通過二次電纜直接進入二次體系。

(2)線路間散布電容電感耦合。一次裝備、接地網上的騷擾電壓通過與二次電纜、裝備之間的散布電容和電感侵入二次裝備。

(3)電磁感應耦合。電磁輻射通過空間傳遞,在二次裝備和相接洽的電纜上發生過電壓。雷電流在建筑物鋼筋網架和避雷針下引地線上流過時,在室內的盤算機體系上發生感應過電壓。

(4)地電位還擊。直擊雷電流入地,盡管接地電阻很小,但由于雷電流往往很大,因而使地網電位進步,對室內二次裝備造成還擊。

3　浪涌防護辦法

3. 1　安裝浪涌維護器

浪涌維護器(SPD)實際上是一種非線性元件,這種非線性元件的工作狀況取決于施加在其兩端的電壓,其重要作用是當浪涌來臨時動作,進行泄流或電壓鉗位以及暫態均壓,維護被維護裝備。

3. 1. 1　浪涌維護器的類型

遵照接入情勢劃分:并聯型浪涌維護器和串聯型浪涌維護器。

按其工作原理劃分:

(1)二極管瞬變電壓克制器(TVS),電流調節才能強,工作電壓和鉗位電壓低,響應速度快,用于維護400 V以下的低壓電路,能蒙受50~500 A的浪涌電流,有串聯型和并聯型兩種,是電路板維護的幻想器件。

(2)金屬氧化物變阻器(壓敏電阻),響應速度比TVS管慢,但通流量大于TVS管,可維護電壓低于2 kV的裝備,常用于電源維護回路。

(3)氣體放電管或放電火花間隙,是一個充有惰性氣體的密封式火花間隙,當兩端呈現超過其維護電壓的干擾時,一小段延時后間隙被擊穿變為低阻抗,通流量大(>20 kA),維護電壓可達10 kV,合適信號維護回路使用,但其毛病是性能不穩固。

(4)固體放電管,是基于晶閘管原理和構造的一種二端負阻器件,響應速度快,無窮反復,功耗小,起動電壓5~500 V,瞬間沖擊電流達50~3 000 A,實用于維護電子元器件。

3. 1. 2　浪涌維護器的安裝

依據統計材料,變電站綜合主動化體系維護裝置被燒壞的往往是電源板和通訊端口,因此實踐中我們在維護單元裝置的電源板和通訊端口安裝寥ナ浪涌維護器,在電源接口安裝了金屬氧化物型(ZnO壓敏電阻)浪涌維護器,在通訊端口安裝了二極管瞬變電壓克制器型(TVS)浪涌維護器。

維護器件都涉及功率問題,如果浪涌功率太大,單靠一級維護很難徹底完成維護功效,應采納多級的串級維護計劃。高能量的浪涌維護器應安裝在前端,以泄放浪涌能量的重要部分;低能量的則安裝在靠近被維護裝備處,將浪涌電壓鉗位到裝備的安全電壓以下,但要注意電涌維護器與被維護裝備兩端之間應盡可能操縱在0. 5 m以內,即遵照通常所說的0. 5 m原則〔2, 3〕。

3. 2　下降接地網電阻準確處置主動化體系中的各類“地”下降避雷裝置的接地電阻,可以下降接地網上的還擊電位,規程規定防雷接地的接地電阻一般應<10Ω,并且避雷裝置的接地不與變電站的接地網直接進行電氣銜接。

在變電站綜合主動化體系中,存在各種各樣的“地”,其中有的是真正意義上的接地,有的只是一些參考電位,準確處置這些“地”,可以對防護過電壓和電磁干擾的侵入起到積極作用〔3〕。

3. 2. 1　“地”的類型

(1)直流地:即盤算機本身的邏輯參考地,同時也是盤算機中數字電路的等電位地。重要作用是構成低電平信號的通路,以保證電子裝備的正常工作,同時也為盤算機的數字電路供應一個穩固的電位參考點,因此也可稱為工作地。直流地的接地電阻值原則上越小越好,一般請求<1Ω。直流地按情勢可分為直流地懸空和直流地接大地兩種。

直流地懸空:即直流地與大地之間的絕緣電阻在1MΩ以上。這種方法重要是為了避免交換電信號對盤算機的干擾,防止浪涌電流進入盤算機直流地體系而銷毀弱電流元件等。

直流地接大地:直流地經低電阻與大地銜接。

有時盤算機的直流地與大地之間難以滿足電氣上的絕緣請求,當盤算機直流地懸空與鄰近其它接地點存在高電位時,便會干擾盤算機的正常工作。實際綜合主動化體系中直流地接大地常采納串聯接地方法,即將體系中諸裝備的直流地以串聯情勢接至直流地的母線上,如圖2。

圖2　直流地串聯接地方法

　　(2)交換地:又稱功率地。在盤算機低壓體系中,交換工作地實際上是交換電力變壓器中性點的地,屬于大電流體系的地,對于直流地而言,它是噪聲地。我國通用的電氣規程規定,交換工作地的接地電阻≤4Ω。

(3)安全地:如果電源進線絕緣被毀壞,電氣裝備的金屬外殼,有可能帶上危險的相電壓。為了防止這種危險電壓,保證人員安全,將裝備金屬外殼接地,即稱為安全地。其接地電阻請求≤4Ω。

(4)防靜電接地:是為了打消盤算機體系運行歷程中發生的靜電荷而設的地。一般可以不防靜電接地,若設其接地電阻一般應<100Ω。

(5)屏蔽接地:為了防止外界電磁場干擾盤算機的正常運行,而將裝備屏蔽網和大地之間用一條低阻抗導線銜接起來,為高頻干擾信號供應低阻抗通路。屏蔽接地的接地電阻一般<2Ω。

3. 2. 2　對各種“地”的處置

(1)直流地裝置內部的參考電位,不應與變電站的地網銜接,即直流地與交換地應離開,以免地網中的干擾電位侵入裝置,干擾裝置數字電路的邏輯和數模轉換的參考電位,影響數字電路的正常工作和采樣準確性。

(2)安全地一般是機殼的接地,既機殼與維護屏體的接地銅排連通,保證在機殼帶電時的人身安全,應與變電站地網可靠銜接。

(3)屏蔽接地應與機殼銜接。

(4)所有屏蔽接地應盡量辨別連通到機殼的總的一點接地,而不要用一根導體銜接所有各類接地點后再接到機殼或多個接地點。

3. 3　電源體系的防護

統計材料表明,盤算機網絡體系80%以上的雷害事故都是因為與體系相連的電源線路上感應的雷電沖擊過電壓造成的。因此,做好電源線的防護是整體防雷中不容無視的一環。

目前,變電站主動化體系的電源一般由兩部分構成:繼電維護及主動裝置、現場總線裝備等一般由變電站直流體系供電;采納工控機的當地監控體系則由站用電體系以單相交換供電,一般經過UPS提供不間斷的交換電源,而UPS逆變裝置在交換正常情形下并不工作。

雖然雷電波在大多數情形下都經過了線路避雷器、母線避雷器和變電站用變壓器高壓側避雷器三級削峰,電壓幅值大為降落。但在站用變低壓出線上仍可能會呈現幅值相對很高、作用光陰很短的低能量尖峰脈沖。因此需對電源體系配備雷電維護裝置,如圖3所示〔3〕。

圖3　主動化體系電源典范維護方法

　　在UPS電源輸出端安裝一組低壓避雷器的目標重要是為了防止雷電從負載那側的電源線還擊回來,將UPS擊壞,并且還可以克制瞬間的操作過電壓。UPS的蓄電池組一端是接地的,為了防止落雷時地電位升高,雷電流通過蓄電池還擊,因此該接地應與避雷器的接地進行等電位銜接。

3. 4　通訊體系的防護

3. 4. 1　通訊線的準確銜接

分層散布式綜合主動化體系的一般構造是:后臺微機監控體系位于主操縱室,微機維護單元散布安裝在開關柜上。理論上,監控體系與微機維護單元的通訊介質最好采納光纜,光纜沿二次電纜溝敷設,可以不斟酌遭遇直擊雷的情形。但是斟酌到監控主機與維護單元的距離不會很遠,為了下降費用,在實際中,基礎上都不用光纜,而是采納帶屏蔽的雙絞線進行通訊,遵照232、485或現場總線通訊協定。

通訊雙絞線采納串聯接法,中間不可分岔,為了保證整條通信線不會因其中某個通信點檢修而中止,在接線時應當采納“T”形接法,使用絕緣套管和焊錫把進出線熔接在一起;雙絞線屏蔽層的一端要可靠接地,并與一次裝備的接地點離開,以下降接地兩端的壓差,避免形成“環流”;通訊線的總控端和最遠端裝置上面辨別并聯一個00~120Ω的匹配電阻(通過跳線銜接),以進步通信可靠性。

為了使數據通訊線上不致發生太大的雷電感應電壓,有時還對數據通訊線進行“全屏蔽”,即將數據通訊線穿入鐵管內,并將所有鐵管焊接在一起。不僅供應了完美的防雷維護,而且還可有利于戰勝其他頻率的干擾。

3. 4. 2　維護單元通訊端口的防護

如前所述,綜合主動化體系的通訊總線大都采納屏蔽雙絞線,采納RS485或CAN總線協定組網。

雖然大多數微機維護廠家在其通訊接口中都內置了光電隔離器或低頻能量接收電路來克制浪涌或防止電磁干擾,但是在實際中還是經常呈現維護單元通訊端口被燒壞的現象,因此還應當在端口外部增添一套浪涌維護裝置。為了避免引入干擾,不能在通訊線與地之間“T”接浪涌維護器,而應接在兩個通訊接線端孔與裝置外殼地之間,如圖4所示。我們采納的二極管瞬變電壓克制器(TVS)。

圖4　端孔接浪涌維護器示意圖

4　收場語

隨著經濟的發展,微機綜合主動化體系在變電站的利用越來越普遍,若不采用必要的浪涌過電壓維護辦法,微機電子裝備很容易會遭遇沖擊而毀壞,影響綜合主動化體系的功效施展。

綜合主動化體系的過電壓維護辦法,除了本文所提的方式之外,依據現場實際情形,還可以采用很多其它辦法如接地、屏蔽、設置均壓環、進行等電位銜接等等,并且將隨著運行實踐的檢驗還將不斷加以彌補和完美。