变电站二次系统四级全链路防雷技术探讨

一、研究概述

在电力系统中，变电站一次和二次设备是相互关联、相互作用、相辅相成的整体，其中二次设备是电力系统安全运行的“神经中枢”。每年我国域内因雷电灾害对电力系统的安全运行危害性极高，电力系统的二次设备的耐过电压水平要比一次设备小得多，当雷电过电压或干扰达到一定程度时，就可能引起二次设备的误动作或者导致元器件甚至设备的永久性损坏，由此每年造成的电网局部或区域性停电事故较多。尽管在变电站二次系统的设计中加强了对防雷电过电压保护，但随着智能化、数字化综合自动化技术在变电站、电厂二次系统中的运用，电力系统的二次设备、电缆以及传输设备更加错综复杂，不仅遭受雷电干扰的机率和频次有所提升，而且出现故障后排查的难度较高。因此，为提升电力系统的安全运行可靠性，必须加大对二次设备防雷电过电压的技术研究。

二、雷电侵入二次系统的主要途径

（一）直击雷侵入

雷云通过线路或电气设备放电时为直击雷，直击雷引起的瞬时放电能达到数十万 A 的巨大雷电流，若没有适当设备讲雷电流迅速引入大地，大量电荷将使线路或设备产生很高的过电压，势必将一次或二次的绝缘薄弱处击穿，就会烧毁电厂、变电站继电保护装置、自动化终端、通信设备等核心部件，造成硬件永久性损坏。

（二）感应雷影响

感应过电压对二次线缆是常见的影响方式。信号线、控制线与机房终端设备相接，如载波线、RS234、RS485 信号控制线、CAN 网缆、RS422 保护测控馈线、电话音频线等。这类线缆传输距离较长，感应雷电通过这些线缆侵入，其高电压直接加在二次设备上，有可能造成线缆、通讯端口烧毁或引起设备电路板、芯片损坏。

（三）地电位反击

雷电导致变电站接地网电位急剧升高，当二次设备的接地端与电源端存在电位差时，会形成反击电流，击穿二次设备绝缘，会损坏各种功能模块。另外，由于接地不规范，不同接地点之间雷电极易形成较高的电位差，产生的电磁干扰会影响自动化系统的运行。这些因雷电产生的影响最终将可能导致继电保护装置误动或拒动、自动化监控系统数据中断或错误、通信系统瘫痪，进而威胁到整个电网的安全稳定运行。

三、四级全链路防雷技术措施

变电站二次系统四级全链路防雷核心技术概括为：电力系统二次设备防雷总体要求是“整体规划、多级防护”，具体就是要构建“源头拦截—路径削弱—终端防护—系统均压”四级全链路防护体系，通过拦截、分流、均压、接地等技术手段，实现对雷电过电压和过电流层层防御，最终限制在设备耐受范围内。

（一）源头拦截

此阶段属于外部防护，目的就是阻断直击雷威胁，减少雷电流直接侵入二次系统。

1、外部防雷：在变电站厂区及二次设备所在建筑物（如主控楼、继保室）周围，合理布置避雷设施，通过变电站的避雷针、避雷器以及线路避雷线等外部防雷装置，直接拦截雷电直击，将大部分雷电引入大地，避免雷电直接击中二次设备以及所在建筑物。要建立避雷设施定期检测检验制度，确保设备设施完好运行状态。

2、区域隔离：为了减少二次系统由一次设备带来的感应耦合，要将二次设备机房、电缆沟等设施与高压设备（如主变、高压母线）保持安全距离，减少高压设备遭受累计时对二次设备的电磁感应影响。二次电缆应尽可能避开高压电缆和暂态强电流的入地点，并尽可能减少平行长度。高压电缆和避雷针是强烈的干扰源，加大二次电缆与其距离是减少电磁耦合的有效措施。

（二）路径削弱

此阶段属于线路防护，目的就是削弱沿电源、信号线路侵入二次系统的雷电感应过电压，降低能量传递。

1、交流电源线路分级防护：按“总配电箱- 分配电箱- 设备端”

三级配备浪涌保护器浪涌保护器（SPD）。

（1）一级：在站用变低压侧、UPS 进线端加装大通流量 SPD（通流量 ⩾ 80kA），泄放大部分线路侵入的雷电流。变电站采用的电源避雷器应具有劣化指示、损坏告警、遥信接点、热熔和过流保护等功能。

（2）二级：在继保室配电柜、电源屏进线端加装中大通流量 SPD（通流量20-40kA），进一步削弱残余过电压。

（3）三级：在单个二次设备电源端口加装小通流量 SPD（通流量5-10kA），精准抑制末端过电压。

2、直流电源防护：第一级 SPD 配置在直流电源母线上，当被保护直流设备距离一级 SPD 超过 30 米时，宜在设备的直流电源入口处配置第二级SPD。

3、信号线路防护：在二次设备信号回路、控制电缆两端加装适配的信号型浪涌保护器（SPD），削弱沿线路侵入的雷电感应过电压，降低雷电感应能量等级。

4、电缆防护：二次电缆应采用屏蔽电缆，并将屏蔽层两端接地；电缆敷设时应远离高压母线、避雷器等易产生感应过电压的设备，必要时穿金属管或敷设在金属电缆沟内，减少雷电感应耦合的影响。

5、限幅防护：限幅是在电源和信号回路与接地间安装防雷器件以限制电压幅值，起削峰的作用。在正常情况下，防雷器处于高阻状态，当被保护线路回路受雷击或感应出现瞬时脉冲电压时，防雷器立即在纳秒级时间内导通，将该脉冲电压短路到大地泄放，从而达到保护连接设备的目的。但该脉冲电压流过防雷器后，防雷器又变为高阻状态，从而不影响设备正常运行。

（三）终端防护

此阶段属于设备终端防护，目的是确保进入二次设备内部的过电压、电流完全处于设备耐受范围内。

1、设备内置防护：优先选用自带防雷功能的二次设备（如具备端口过电压保护的继电保护装置），其内部保护元件可快速吸收微小残余过电压。

2、设备端口管控：在继电保护装置、测控装置等二次设备的电源端口、信号端口处，安装适配的小型浪涌保护器或内置防护电路，进一步吸收残余过电压，确保设备端口不超过其耐受值。

（四）系统均压

此阶段属于等电位防护，目的就是避免雷电冲击下系统各部位因电位差产生放电。

1、等电位连接：二次设备所有屏柜内应设置专用接地铜排，截面不得小于 75mm² ，将二次设备的金属外壳、柜体、电缆屏蔽层、接地排等，通过导线或接地干线可靠连接，使各部位电位保持一致，避免雷电冲击下因电位差产生放电而损坏设备。

2、接地网保障：二次系统的工作接地（如装置电源接地）、保护接地（如设备外壳接地）、屏蔽接地（如电缆屏蔽层接地）均需直接且可靠连接至变电站主接地网，确保雷电流能快速、均匀泄入大地，防止地电位升高导致设备“反击”而损坏。

3、低阻抗接地网：构建以水平接地体为主、垂直接地体为辅的低阻抗接地网，接地电阻应不大于 1Ω ，确保防雷装置（避雷针、SPD）和设备接地端能快速将雷电流导入大地，避免接地网点位升高导致反击。

结束语：

加强变电站二次系统防雷技术管理对电网安全运行具有十分重要的意义。不同的变电站应根据其实际情况进行二次系统防雷设计，并通过运行实践持续加以改进和完善，提升电网安全运行水平，为中国式现代化建设和经济社会高质量发展提供更加安全、可靠、绿色的电力保障。

参考文献：

[1] 交流电气装置的接地设计规范（GB ⁄ T50065-2011）[S] 北京，中国计划出版社，2011.12

[2] 电力系统二次设备 SPD 防雷技术规范（Q ⁄ GDW413-2010）[S]，北京 : 中国电力出版社，2010.3