【阿里巴巴冶金】

变电站微机综合主动化体系的浪涌防护

李占全1,金小强2,唐会祥2,王利红2

(1.义马煤业团体公司永兴工程公司,河南三门峡467000; 2.中国矿业大学信电学院,江苏徐州221008)摘　要:简略介绍寥ナ浪涌的起源和特征,详细介绍了各种浪涌防护的方式及体系中的各类“地”的处置,联合实际从电源体系的防护、通讯体系的防护两方面讨论了变电站综合主动化体系的浪涌防护办法。

要害词:变电站;浪涌;供电事故;防护

中图分类号:TD611+. 2　　　文献标识码:B　　　文章编号:1003-496X(2009)01-0049-04

　　当前,基于分层散布式构造的微机综合主动化体系在电力体系中获得了普遍的利用,大多数工矿企业也纷繁对其管辖保护的变电站进行了综合主动化改革。综合主动化妆置是由大批的电子元器件组成的,如晶体管、阻容元件、集成电路、MOS电路等,这些电子器件大多在低电压、弱电流下工作,其耐压(50 V左右)、抗流(150mA左右)才能很差,同时对各种电磁干扰非常敏感。对于这些电子器件而言,超过1 kV的电压、大于几安的电流,就足以造成毁坏。

当变电站进行开关操作、切除故障或遭遇雷击时,就可能会在其二次体系中引起瞬态过电压(流)冲击(在弱电体系又被称为浪涌或电涌,相应的维护器件称为浪涌克制器)。据统计,浪涌对盘算机弱电体系的损坏在许多行业、处所都呈现过,永城工程公司有一35 kV变电站就产生过一次由于雷击后的残压侵入而将所有低压开关柜上微机维护单元通讯口(CAN口)烧坏的事故,造成变电站的通讯与操纵测量功效瘫痪。

与变电站一次体系相对比,二次体系的电涌防护须要斟酌的因素更多,因此对克制办法请求更加完美细腻,本文将对此进行一些简略探讨。

1　浪涌的起源和特征

(1)外部浪涌。依据电力体系过电压理论可知,外部浪涌最重要的起源是雷电,它可以是通过传导繁杂的电磁感应侵入变电站的二次体系;外部浪涌的另一个起源是就是电力体系的内部过电压。

(2)内部浪涌。内部浪涌重要来自站用变压器所带的其他用电装备,重要是一些感性非线性负载如空调机、电焊机、日光灯、水泵、开关电源等。

(3)浪涌的特征。幅值频谱剖析表明浪涌大多显现低频特色,即能量重要集中在频率较低的频段。

但是即使非常低的能量就会造成集成电路的状况杂乱或毁坏,因慈ナ浪涌波形中所含的高频能量即使比例较小也足以影响半导体电路的正常运行。高频能量则需通过滤波和屏蔽技能进行操纵;而低频能量可以通过硅二极管、压敏电阻、接地等方式进行打消。

2　电涌侵入的道路

电涌的侵入道路可以通过图1来阐明〔1〕。

图1　电涌的侵入道路示意图

　　当一次过电压侵入变电站或对变电站避雷针、避雷器直接放电后,有可能会造成过电流在地网流动,虽然变电站的防雷接地与微机维护体系的接地不存在直接的电气联接,但是电涌可以通过繁杂的电磁耦合进入主控室,进而侵入变电站的二次微机体系,具体可分为下述几种情势。

(1)传导耦合。在分层散布式的变电站综合主动化体系中,室内二次装备仍然要通过各种操纵电缆、电力电缆、通讯电缆、接地网等与室外一次舷?连接,室外一次装备的过电压冲击可以通过二次电缆直接进入二次体系。

(2)线路间散布电容电感耦合。一次装备、接地网上的骚扰电压通过与二次电缆、装备之间的散布电容和电感侵入二次装备。

(3)电磁感应耦合。电磁辐射通过空间传递,在二次装备和相接洽的电缆上发生过电压。雷电流在建筑物钢筋网架和避雷针下引地线上流过时,在室内的盘算机体系上发生感应过电压。

(4)地电位还击。直击雷电流入地,尽管接地电阻很小,但由于雷电流往往很大,因而使地网电位进步,对室内二次装备造成还击。

3　浪涌防护办法

3. 1　安装浪涌维护器

浪涌维护器(SPD)实际上是一种非线性元件,这种非线性元件的工作状况取决于施加在其两端的电压,其重要作用是当浪涌来临时动作,进行泄流或电压钳位以及暂态均压,维护被维护装备。

3. 1. 1　浪涌维护器的类型

遵照接入情势划分:并联型浪涌维护器和串联型浪涌维护器。

按其工作原理划分:

(1)二极管瞬变电压克制器(TVS),电流调节才能强,工作电压和钳位电压低,响应速度快,用于维护400 V以下的低压电路,能蒙受50~500 A的浪涌电流,有串联型和并联型两种,是电路板维护的幻想器件。

(2)金属氧化物变阻器(压敏电阻),响应速度比TVS管慢,但通流量大于TVS管,可维护电压低于2 kV的装备,常用于电源维护回路。

(3)气体放电管或放电火花间隙,是一个充有惰性气体的密封式火花间隙,当两端呈现超过其维护电压的干扰时,一小段延时后间隙被击穿变为低阻抗,通流量大(>20 kA),维护电压可达10 kV,合适信号维护回路使用,但其毛病是性能不稳固。

(4)固体放电管,是基于晶闸管原理和构造的一种二端负阻器件,响应速度快,无穷反复,功耗小,起动电压5~500 V,瞬间冲击电流达50~3 000 A,实用于维护电子元器件。

3. 1. 2　浪涌维护器的安装

依据统计材料,变电站综合主动化体系维护装置被烧坏的往往是电源板和通讯端口,因此实践中我们在维护单元装置的电源板和通讯端口安装寥ナ浪涌维护器,在电源接口安装了金属氧化物型(ZnO压敏电阻)浪涌维护器,在通讯端口安装了二极管瞬变电压克制器型(TVS)浪涌维护器。

维护器件都涉及功率问题,如果浪涌功率太大,单靠一级维护很难彻底完成维护功效,应采纳多级的串级维护计划。高能量的浪涌维护器应安装在前端,以泄放浪涌能量的重要部分;低能量的则安装在靠近被维护装备处,将浪涌电压钳位到装备的安全电压以下,但要注意电涌维护器与被维护装备两端之间应尽可能操纵在0. 5 m以内,即遵照通常所说的0. 5 m原则〔2, 3〕。

3. 2　下降接地网电阻准确处置主动化体系中的各类“地”下降避雷装置的接地电阻,可以下降接地网上的还击电位,规程规定防雷接地的接地电阻一般应<10Ω,并且避雷装置的接地不与变电站的接地网直接进行电气衔接。

在变电站综合主动化体系中,存在各种各样的“地”,其中有的是真正意义上的接地,有的只是一些参考电位,准确处置这些“地”,可以对防护过电压和电磁干扰的侵入起到积极作用〔3〕。

3. 2. 1　“地”的类型

(1)直流地:即盘算机本身的逻辑参考地,同时也是盘算机中数字电路的等电位地。重要作用是构成低电平信号的通路,以保证电子装备的正常工作,同时也为盘算机的数字电路供应一个稳固的电位参考点,因此也可称为工作地。直流地的接地电阻值原则上越小越好,一般请求<1Ω。直流地按情势可分为直流地悬空和直流地接大地两种。

直流地悬空:即直流地与大地之间的绝缘电阻在1MΩ以上。这种方法重要是为了避免交换电信号对盘算机的干扰,防止浪涌电流进入盘算机直流地体系而销毁弱电流元件等。

直流地接大地:直流地经低电阻与大地衔接。

有时盘算机的直流地与大地之间难以满足电气上的绝缘请求,当盘算机直流地悬空与邻近其它接地点存在高电位时,便会干扰盘算机的正常工作。实际综合主动化体系中直流地接大地常采纳串联接地方法,即将体系中诸装备的直流地以串联情势接至直流地的母线上,如图2。

图2　直流地串联接地方法

　　(2)交换地:又称功率地。在盘算机低压体系中,交换工作地实际上是交换电力变压器中性点的地,属于大电流体系的地,对于直流地而言,它是噪声地。我国通用的电气规程规定,交换工作地的接地电阻≤4Ω。

(3)安全地:如果电源进线绝缘被毁坏,电气装备的金属外壳,有可能带上危险的相电压。为了防止这种危险电压,保证人员安全,将装备金属外壳接地,即称为安全地。其接地电阻请求≤4Ω。

(4)防静电接地:是为了打消盘算机体系运行历程中发生的静电荷而设的地。一般可以不防静电接地,若设其接地电阻一般应<100Ω。

(5)屏蔽接地:为了防止外界电磁场干扰盘算机的正常运行,而将装备屏蔽网和大地之间用一条低阻抗导线衔接起来,为高频干扰信号供应低阻抗通路。屏蔽接地的接地电阻一般<2Ω。

3. 2. 2　对各种“地”的处置

(1)直流地装置内部的参考电位,不应与变电站的地网衔接,即直流地与交换地应离开,以免地网中的干扰电位侵入装置,干扰装置数字电路的逻辑和数模转换的参考电位,影响数字电路的正常工作和采样准确性。

(2)安全地一般是机壳的接地,既机壳与维护屏体的接地铜排连通,保证在机壳带电时的人身安全,应与变电站地网可靠衔接。

(3)屏蔽接地应与机壳衔接。

(4)所有屏蔽接地应尽量辨别连通到机壳的总的一点接地,而不要用一根导体衔接所有各类接地点后再接到机壳或多个接地点。

3. 3　电源体系的防护

统计材料表明,盘算机网络体系80%以上的雷害事故都是因为与体系相连的电源线路上感应的雷电冲击过电压造成的。因此,做好电源线的防护是整体防雷中不容无视的一环。

目前,变电站主动化体系的电源一般由两部分构成:继电维护及主动装置、现场总线装备等一般由变电站直流体系供电;采纳工控机的当地监控体系则由站用电体系以单相交换供电,一般经过UPS提供不间断的交换电源,而UPS逆变装置在交换正常情形下并不工作。

虽然雷电波在大多数情形下都经过了线路避雷器、母线避雷器和变电站用变压器高压侧避雷器三级削峰,电压幅值大为降落。但在站用变低压出线上仍可能会呈现幅值相对很高、作用光阴很短的低能量尖峰脉冲。因此需对电源体系配备雷电维护装置,如图3所示〔3〕。

图3　主动化体系电源典范维护方法

　　在UPS电源输出端安装一组低压避雷器的目标重要是为了防止雷电从负载那侧的电源线还击回来,将UPS击坏,并且还可以克制瞬间的操作过电压。UPS的蓄电池组一端是接地的,为了防止落雷时地电位升高,雷电流通过蓄电池还击,因此该接地应与避雷器的接地进行等电位衔接。

3. 4　通讯体系的防护

3. 4. 1　通讯线的准确衔接

分层散布式综合主动化体系的一般构造是:后台微机监控体系位于主操纵室,微机维护单元散布安装在开关柜上。理论上,监控体系与微机维护单元的通讯介质最好采纳光缆,光缆沿二次电缆沟敷设,可以不斟酌遭遇直击雷的情形。但是斟酌到监控主机与维护单元的距离不会很远,为了下降费用,在实际中,基础上都不用光缆,而是采纳带屏蔽的双绞线进行通讯,遵照232、485或现场总线通讯协定。

通讯双绞线采纳串联接法,中间不可分岔,为了保证整条通信线不会因其中某个通信点检修而中止,在接线时应当采纳“T”形接法,使用绝缘套管和焊锡把进出线熔接在一起;双绞线屏蔽层的一端要可靠接地,并与一次装备的接地点离开,以下降接地两端的压差,避免形成“环流”;通讯线的总控端和最远端装置上面辨别并联一个00~120Ω的匹配电阻(通过跳线衔接),以进步通信可靠性。

为了使数据通讯线上不致发生太大的雷电感应电压,有时还对数据通讯线进行“全屏蔽”,即将数据通讯线穿入铁管内,并将所有铁管焊接在一起。不仅供应了完美的防雷维护,而且还可有利于战胜其他频率的干扰。

3. 4. 2　维护单元通讯端口的防护

如前所述,综合主动化体系的通讯总线大都采纳屏蔽双绞线,采纳RS485或CAN总线协定组网。

虽然大多数微机维护厂家在其通讯接口中都内置了光电隔离器或低频能量接收电路来克制浪涌或防止电磁干扰,但是在实际中还是经常呈现维护单元通讯端口被烧坏的现象,因此还应当在端口外部增添一套浪涌维护装置。为了避免引入干扰,不能在通讯线与地之间“T”接浪涌维护器,而应接在两个通讯接线端孔与装置外壳地之间,如图4所示。我们采纳的二极管瞬变电压克制器(TVS)。

图4　端孔接浪涌维护器示意图

4　收场语

随着经济的发展,微机综合主动化体系在变电站的利用越来越普遍,若不采用必要的浪涌过电压维护办法,微机电子装备很容易会遭遇冲击而毁坏,影响综合主动化体系的功效施展。

综合主动化体系的过电压维护办法,除了本文所提的方式之外,依据现场实际情形,还可以采用很多其它办法如接地、屏蔽、设置均压环、进行等电位衔接等等,并且将随着运行实践的检验还将不断加以弥补和完美。