田志崗 李建明 文 麗 郭 強(qiáng)

（1.西華大學(xué)，成都 610039；2.四川電力科學(xué)研究院，成都 610072； 3.樂(lè)山電業(yè)局，四川 樂(lè)山 614000）

雷電流侵入變電站時(shí)，會(huì)導(dǎo)致接地點(diǎn)與遠(yuǎn)端零電位處電壓的不平衡，若此時(shí)的二次系統(tǒng)直接與一次地網(wǎng)相連，很有可能對(duì)二次設(shè)備構(gòu)成較大危害，尤其在大電網(wǎng)、大容量的系統(tǒng)中，故障時(shí)的入地電流最大可達(dá)到幾kA，導(dǎo)致在接地點(diǎn)產(chǎn)生上百伏的電壓。

隨著科技的發(fā)展，大規(guī)模集成電路廣泛應(yīng)用于變電站二次設(shè)備，系統(tǒng)集成度越高，電路越復(fù)雜，電子元件工作電壓就越低，對(duì)工作環(huán)境要求就越高[1-2]。近年來(lái)，不斷有標(biāo)準(zhǔn)對(duì)二次系統(tǒng)安全運(yùn)行進(jìn)行規(guī)范，綜合雷電防護(hù)系統(tǒng)也不斷完善，采取了各種過(guò)電壓保護(hù)措施[3]。對(duì)于二次保護(hù)電子設(shè)備由于其集成化、網(wǎng)格化、自動(dòng)化程度高，特別是對(duì)電子和微電子裝置，其耐壓水平和抗干擾能力都比較弱[4]。因二次設(shè)備接地不良或不符合要求而引起的事故屢見不鮮，所以對(duì)二次系統(tǒng)接地情況的測(cè)量與檢查工作不容忽視。根據(jù)DL/T 266—2012 接地裝置沖擊接地參數(shù)測(cè)試導(dǎo)則對(duì)沖擊反擊電位的測(cè)試要求，本文對(duì)二次系統(tǒng)接地有效性和合理性進(jìn)行了評(píng)價(jià)，詳細(xì)闡述了測(cè)量及試驗(yàn)方法，對(duì)二次系統(tǒng)安全運(yùn)行有重要意義。

1 二次系統(tǒng)接地分析

要對(duì)二次系統(tǒng)接地特性進(jìn)行評(píng)價(jià)，首先要了解造成二次系統(tǒng)及設(shè)備損壞的主要原因，以及二次系統(tǒng)的接地特點(diǎn)，從而找到正確的測(cè)試方法，得出可靠、有說(shuō)服力的依據(jù)。

在DL/T 621—1997 標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了二次系統(tǒng)的三大類接地形式，即TN、TT、IT。這幾種接地方式均是考慮電源線接入作用，不僅本身具有不足之處，同時(shí)也忽略了通信電纜的引入。

如圖1所示，在TN 系統(tǒng)中，一次設(shè)備與二次設(shè)備共用一個(gè)接地網(wǎng)，會(huì)對(duì)二次系統(tǒng)造成嚴(yán)重干擾[5]。當(dāng)雷電流或系統(tǒng)故障電流侵襲時(shí)，接地點(diǎn)電位迅速升高，使設(shè)備外殼呈現(xiàn)高電位，不僅危害人身安全，還會(huì)造成二次設(shè)備的損壞。因此，在實(shí)際工程中大多不采用這種方式。

圖1 TN 系統(tǒng)

如圖2所示的TT 系統(tǒng)，較TN 系統(tǒng)抗沖擊強(qiáng)度有所增強(qiáng)，能降低地網(wǎng)電位大幅波動(dòng)情況，符合《〈國(guó)家電網(wǎng)公司十大項(xiàng)電網(wǎng)重大反事故措施〉繼電保護(hù)專業(yè)重點(diǎn)實(shí)施要求》將接地移至控制室的規(guī)定[6]。但在實(shí)際廠站的敷設(shè)過(guò)程中，均按自己的理解執(zhí)行，隨意性較大，導(dǎo)致各廠、站之間千差萬(wàn)別。

圖2 TT 系統(tǒng)

近年來(lái)，一些研究及實(shí)施情況融合了TT 系統(tǒng)和TN 系統(tǒng)的接地方式，即在二次控制室及保護(hù)室等地方敷設(shè)等電位接地網(wǎng),，構(gòu)成等電位面，最后再與主地網(wǎng)相連的銅排可靠連接，或是與主地網(wǎng)在電纜豎井處一點(diǎn)連接。

由于二次系統(tǒng)本身的特點(diǎn)，一般不會(huì)直接發(fā)生雷擊接閃，且二次系統(tǒng)供電容量較小，不會(huì)發(fā)生像一次那樣的大接地電流，因此將二次系統(tǒng)的接地從一次系統(tǒng)分離出來(lái)，為重要設(shè)備單獨(dú)建立接地網(wǎng)已成為一種較有效的阻斷干擾與入侵雷電的措施。

總的來(lái)說(shuō)，對(duì)于二次系統(tǒng)，一方面要防止雷電擊中避雷針、輸電線路等高壓系統(tǒng)時(shí)，地面電位瞬時(shí)升高，對(duì)二次設(shè)備造成反擊；另一方面雷電直接擊中埋設(shè)于遠(yuǎn)方的通信、電源線纜或在其上產(chǎn)生感應(yīng)雷時(shí)，將會(huì)在設(shè)備信號(hào)線、電源線與設(shè)備外殼之間產(chǎn)生很高的暫態(tài)電壓，造成設(shè)備損壞[7-8]。

2 測(cè)試研究

2.1 試驗(yàn)裝置

采用小功率沖擊電流發(fā)生器產(chǎn)生電流幅值為20～50A，波頭時(shí)間低于10μs，放電時(shí)間為30～70μs的沖擊電流對(duì)二次系統(tǒng)進(jìn)行沖擊接地試驗(yàn)。

沖擊電流法測(cè)量接地點(diǎn)電位升是把沖擊電流發(fā)生器產(chǎn)生的模擬雷電流作為測(cè)試電流注入接地體（或接地網(wǎng)），然后經(jīng)數(shù)據(jù)采集裝置得到接地體電壓、電流信號(hào)，并經(jīng)串口傳輸?shù)絇C 軟件分析平臺(tái)進(jìn)行計(jì)算分析，最后將信號(hào)波形FFT 變換到頻域，采用頻譜法計(jì)算出被測(cè)點(diǎn)的對(duì)地電壓[9-11]。

圖3 沖擊電流測(cè)量原理框圖

沖擊電流發(fā)生器采用交流220V 電源供電，經(jīng)倍壓整流電路對(duì)脈沖電容充電，電容上電壓測(cè)量裝置及可控硅分別控制放電能量和電路的導(dǎo)通，輸出電壓可調(diào)，最高至2kV，調(diào)節(jié)可調(diào)電阻和電感可以得到所需要的沖擊電流波形；分壓電阻和分流電阻采用無(wú)感電阻以增強(qiáng)裝置的抗干擾能力。

2.2 試驗(yàn)方法與測(cè)量回路設(shè)計(jì)

由于采用獨(dú)立地網(wǎng)的二次系統(tǒng)直接遭受雷擊的可能性很小，所以測(cè)試時(shí)根據(jù)雷電傳播的兩個(gè)主要途徑依次進(jìn)行試驗(yàn)，即主要考慮沖擊電流從低壓電源中性點(diǎn)侵入和一次地網(wǎng)引下體侵入的情況。對(duì)攀鋼電動(dòng)鼓風(fēng)站二次系統(tǒng)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，該站接地網(wǎng)在建設(shè)時(shí)地網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，地下管線較多，并且旁邊有放散塔等較大的管線，其接地系統(tǒng)如圖4所示。其中，G1為低壓電源中性點(diǎn)，G2為該站主接地網(wǎng)，G3為站內(nèi)二次系統(tǒng)獨(dú)立小接地網(wǎng)。試驗(yàn)時(shí)首先以地網(wǎng)外圍為沖擊電流注入點(diǎn)，分別測(cè)量G1、G2、G3對(duì)地電壓，探討高電位升來(lái)自遠(yuǎn)方時(shí)對(duì)二次系統(tǒng)的影響，然后以主地網(wǎng)為沖擊電流注入點(diǎn)，再次測(cè)量沖擊下G1、G2、G3對(duì)地電壓，探討一次地網(wǎng)對(duì)二次系統(tǒng)的影響。

圖4 攀鋼電動(dòng)鼓風(fēng)站接地系統(tǒng)

采用平行法測(cè)量，其中P 極和C 極用角鋼打在鼓風(fēng)站大門外草坪，兩極相隔50m。測(cè)量對(duì)地電壓時(shí)，大門外兩接地極不變，電流流出極C2接接地極P 極、C1接C 極、電壓輸出極P2與C2極連接、P1分別與G1、G2、G3的引下線連接。試驗(yàn)時(shí)用沖擊電流發(fā)生器加壓到500V，經(jīng)過(guò)放電和數(shù)據(jù)處理后可由示波器觀測(cè)接地電阻值和沖擊電流作用下接地裝置上的電流和電壓波形。同一試驗(yàn)條件下進(jìn)行多次試驗(yàn)，取數(shù)值大小居中數(shù)據(jù)的平均值作為該條件下接地網(wǎng)沖擊試驗(yàn)的有效測(cè)量值，每次試驗(yàn)后應(yīng)讓整個(gè)充、放電回路放電完全。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

以該站內(nèi)北放散塔為電流注入點(diǎn)，與打在遠(yuǎn)處的電流極構(gòu)成電流回路，并以北放散塔為電位參考點(diǎn)，分別測(cè)量G1、G2、G3對(duì)此塔接地體的電位升，計(jì)算它們之間的電位差，折算到5kA 和10kA 時(shí)的電壓如表1所示。

表1 電流從一次系統(tǒng)入侵時(shí)的電位差

從表1中可以看出，低壓電源中性點(diǎn)與地網(wǎng)的電位差較大（大于5000kV）。也就是說(shuō)，當(dāng)雷電擊中避雷針、輸電線路后，雷電流過(guò)避雷針、引下體，經(jīng)一次地網(wǎng)散流時(shí)，易發(fā)生電壓反擊，對(duì)二次系統(tǒng)中的電源設(shè)備造成損壞。

為了進(jìn)一步探討該站二次系統(tǒng)防雷及抗干擾性能，改換低壓電源中性點(diǎn)為沖擊電流注入點(diǎn)，與打在遠(yuǎn)處的接地極共同構(gòu)成電流回路，分別測(cè)量近端接地極、主地網(wǎng)、獨(dú)立地網(wǎng)三者對(duì)中性點(diǎn)的電位，計(jì)算彼此之間的電位差，并折算到5kA 和10kA 時(shí)的電壓如表2所示。

表2 電流從中性點(diǎn)入侵時(shí)的電位差

根據(jù)表2計(jì)算數(shù)據(jù)所示，當(dāng)雷電擊中遠(yuǎn)方的電源線或在其上產(chǎn)生感應(yīng)雷時(shí)，會(huì)引起主地網(wǎng)與獨(dú)立地網(wǎng)的電位差較大，此暫態(tài)電壓足以對(duì)二次設(shè)備構(gòu)成損壞。而主地網(wǎng)、獨(dú)立地網(wǎng)與近端接地極的電位差很大，正說(shuō)明地網(wǎng)的泄流作用，以保證站外人員的安全。

3 技術(shù)整改方向

針對(duì)該站的測(cè)試及結(jié)果分析，就技術(shù)整改方向提出幾點(diǎn)建議。

1）在日常管理中，進(jìn)行供電系統(tǒng)、各獨(dú)立接地點(diǎn)及各獨(dú)立接地點(diǎn)之間的過(guò)電壓檢測(cè)，對(duì)站內(nèi)地網(wǎng)結(jié)構(gòu)性、有效性、安全性、合理性進(jìn)行相關(guān)的技術(shù)論證分析和保護(hù)裝置承受過(guò)電壓損壞的絕緣能力校核。

2）對(duì)于電源系統(tǒng)和信號(hào)系統(tǒng)要合理選擇保護(hù)器及其安裝位置和數(shù)量，以達(dá)到有效較低設(shè)備上的過(guò)電壓目的。

3）在主控室、保護(hù)室和配電室等安裝保護(hù)裝置的場(chǎng)所，以及開關(guān)場(chǎng)端子箱、PLC 柜、配電柜、保護(hù)用結(jié)合濾波器和電纜溝道等敷設(shè)二次電纜的地點(diǎn)，應(yīng)使用水平接地體不小于40mm×4mm 熱鍍鋅扁鋼敷設(shè)二次系統(tǒng)等電位接地網(wǎng)。

4 結(jié)論

1）本文從接地角度，探討了二次系統(tǒng)采用獨(dú)立地網(wǎng)時(shí)，防雷與抗干擾性能測(cè)試的方法，通過(guò)測(cè)量各接地裝置之間的暫態(tài)電壓，有助于綜合評(píng)定，進(jìn)而采取對(duì)策措施，以達(dá)到預(yù)防事故，減少危害的目的。

2）從以上分析可得，該電動(dòng)鼓風(fēng)站接地網(wǎng)設(shè)備節(jié)點(diǎn)電位差偏大，存在受雷電過(guò)電壓侵襲的安全隱患。在發(fā)生雷擊的情況下，主電網(wǎng)和獨(dú)立小地位與中性點(diǎn)之間的電位差較大；電源接地體之間的電位差超過(guò)了二次設(shè)備的耐壓水平。這樣，使得二次系統(tǒng)在雷電流等高頻作用下，容易發(fā)生反擊。

3）站所在管理運(yùn)行中，應(yīng)做好過(guò)電壓檢測(cè)工作，才能有備無(wú)患；其次，有針對(duì)地增加電源系統(tǒng)和通信系統(tǒng)的防雷性能，以及整改有缺陷的接地裝置和不完善的地網(wǎng)，才能保證站所的安全運(yùn)行。

4）采用沖擊電流模擬雷電流測(cè)量接地電阻的方法，不僅在測(cè)量接地網(wǎng)沖擊電阻行之有效，便于工程應(yīng)用，也同樣適用于二次系統(tǒng)的測(cè)試工作。

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