陕西电网变电站二次系统设备防雷技术报告

陕西电网变电站二次系统设备防雷技术报告内容摘要：

雷击电流波形 如上所述，一些国家通过现场观测发表了很多测 试结果。 因观测的地理环境和气候条件的不同，测试结果也各不相同。 即使在同样条件下，观测得到的数据也不尽相同。 根据长时间的观测和统计，国际电工委员会 (IEC)在 1995 年颁布的文件中提供了雷电流参数。 考虑到防雷的经济性，综合建筑物的重要性、使用性质、发生雷电灾害事故的可能性及后果，我国采用 IEC 标准，在 GB5005794(2020 版 )中公布了雷电流参数见表 、表 、表 所示。 13 表 首次雷击的雷电流参量 雷电流参数 防雷建筑物类别 一类 二类 三类 I 幅值（ KA） 200 150 100 T1波头时间（ 181。 s) 10 10 10 T2半值时间（ 181。 s) 350 350 350 Qs 电荷量（ C） 100 75 50 W/R 单位能量（ MJ/Ω） 10 表 后续雷击的雷电流参量 雷电流参数 防雷建筑物类别 一类 二类 三类 I 幅值（ KA） 50 25 T1波头时间（ 181。 s) T2半值时间（ 181。 s) 100 100 100 I/T1平均陡度（ KA/181。 s） 200 150 100 表 长时间雷击的雷电流参 量 雷电流参数 防雷建筑物类别 一类 二类 三类 Qs 电荷量（ C） 100 75 50 T 持续时间（ s) 雷电流的波形分析 1 雷电流波形种类 雷电流波形可用雷电流的波头时间和半值时间表示。 如波形的波头时间为 2μs，半值时间为 80μs，那么这个雷电流波形就表示成 2/80μs。 各国测得的雷电流波形基本一致，波头长度大多在 1～ 5μs，平均约为 2～。 我国在防雷保护设计中建议采用。 半值时间在 20～ 100μs，平均约为 50μs，大于 50μs 的仅 14 占 18～ 30%。 在防雷保护计算中，雷电流的波形可采用。 为了对电力系统和通信系统的精密设备进行有效的防护，使其免遭雷电的危害， GB5005794(2020 版 )规定首次雷击的波形采用 10/350μs，后续雷击波形采用。 2 雷电流波形函数表示 （ 1） 双指数函数 经过长期的观测与实验，雷电流随时间近似指数函数上升到峰值，然后又近似指数函数下降，因此雷电流可采用两个指数曲线之差的形式来表示其波形，这种表示方式和大多数实际测得的波形比较相似。 称为 BruceGolde 方程，又可称双指 数函数经验公式表示 [5]。 )()( 210 TtTt eeItI   式 (33) 后来又表示成 )()( 0 tt eeItI    式 (34) 上式中 I(t)—— t 时刻的回击电流强度，单位： kA； I0—— 雷电流峰值，单位： kA； α —— 波前衰减系数； β —— 波尾衰减系数； 双指数函数 在数值运算和傅氏变换中能够简化运算，又能够很好的模拟雷电流波形，但它在 t=0 时导数最大，这与实际情况中电流波形在 t=0 时导数为 0 不符，不适用于电磁场计算。 （ 2） 余弦函数 经过近年的观测得到大多数的第一次主放电电流波形在其上升到幅值之前时比较缓慢，然后再转入陡的部分，其波头接近于用余弦函数来表示的波形。 用余弦曲线表示时，因为雷电流最大陡度出现在 I0/2 处， 以此进行雷击电流计算时可以得到较高的结果而偏于可靠。 因此在防雷设计时，采用半余弦波函数如公式 (35)所示 [6]。  )( 2/)2c o s1()(2100tTTtI ftIti  2110 TtT Tt  式 (35) (3) 斜角波函数 余弦曲线计算较为繁琐，因而往往简化为直线，也就是用斜角波来表示，通过最大陡度和平均陡度的转化，可以使采用斜角波的计算结果和采用余弦波的计算结果基本一致。 因此在雷电过电压计算中常采用等值斜角波函数为 [6] 15  )( )/()(21010tTTtI TtIti 2110 TtT Tt   式（ 36) (4) 脉冲函数 由于指数函数能够便于傅氏变换及相关计算，因此，文献 [7]提出了雷电流脉冲函数表示，脉冲函数克服了双指数函数在 0 处不可导的困难，大大减小了雷电流数值计算工作量，有助于更加方便地进行雷电电磁场的理论计算。 其表达式如下   21 )1(0  tnt eeItI  式 (37) 其中峰值修正因子 21 /)1(  ana tt ， )/( 211  nta  相对双指数而言， 2/1 ， 1/1 ，当 n=2 时，脉冲函数与 Heidler 函数能够拟合的非常好。 因此，在计算过程中，电磁脉冲函数可以表示成公式 (38)。 tt eeItI   20 )1()( 式（ 38） 其中    )2.()22( 2  式（ 39） 典型雷电流冲击波破坏能力对比分析 前面我们已经介绍了，描述雷电流 的参数有很多。 但是决定雷电流破坏能力的参数主要为雷电流的幅值、单位能量、最大陡度以及最大感应电磁场。 在雷电过程中，有首次雷击、后续雷击等多种雷击形式，那么，在实际防雷设计中，只要能防止破坏性最大的雷电流对生命财产造成破坏，就能够确保防雷工程的合理性。 下面针对 节所描述的 10/350μs、 ，取其波形参数 (幅值最大值对应参量 )，分别对其进行分析。 (1)单位能量 W/R 根据表 以及表 中的相关参数，参考式 (32)可计算如下 22)()2/1(/ TIRW   /10350)200()()2/1(/ 2)350/10( MJskARW s   / 0 0)50()()2/1(/ 2)100/( MJskARW s  16 (2)最大陡度 kA/μs 根据表 以及表 中的相关参数，参考式 (34)可得出下列方程组 首次雷击 (10/350μs) 6146121035 01010442211tttteeeeeetttttt 后续雷击 () 61461210100442211tttteeeeeetttttt 解上述方程组求得。 首次雷击：α = 103，β = 105 后续雷击：α = 103，β = 107 又根据式 (38)，将上所求的α、β值分别代入，可得出脉冲函数的解析式为： 首次雷击： tt eeItI 35 )1(9 )(  式（ 310） 后续雷击： tt eeItI 37 )1()(  式（ 311） 要求 max(di/dt)，可利用微分法，对 di/dt 进行微分，即 d(di/dt)/dt，令 d(di/dt)/dt=0，可求得最大陡度时间，从而得到最大陡度值。 计算如下 ])2()(2[/])1([/)(/)2()(020ttttteeeIdteeIddttdIdtdi 式（ 312） 于是， ])2()(2[])2()(2[)/()2(2)(220)2()(20tttttteeeIeeeIdtdtdid  式 (313） 令 d(di/dt)dt=0，并分别代入α、β值，可计算出最大陡度值和时间，结果如下： 10/350μs 波形中，当 t= 时， di/dt 取最大值，为 ，此时雷电流为幅 17 值的 1/4 左右； ，当 t= 时， di/dt 取最大值，为 kA/μs，此时雷电流为幅值的 1/4 左右。 (3)瞬态最大磁场值 在其他条件相同情况下，雷电流产生的瞬态磁场值与电 流值成正比，即 )(/)()(/)( 2121 tititHtH  因此， 450/200 // )100/ a x ()350/10m a x ()100/ a x ()350/10m a x (   ssss iiHH  通过以上计算，我们得到了一些非常有用的数值。 首次雷击波形中，max(di/dt)=；后续雷击波形中， max(di/dt)= kA/μs。 两者陡度最大值都在雷电流幅值的 1/4 处左右。 并得到了以下结论： （ 1） 首次雷击的雷电流单位能量远大于后续雷击，是后续雷击单位能量的 55 倍多，能够造成更严重的物理破坏作用和 产生焦耳热量，对物质的直接破坏作用大； （ 2） 首次雷击的雷电流幅值以及产生的最大磁场也大于后续雷击，而磁感应强度会直接或间接影响着电子设备的安全和正常工作，磁感应强度越强，对电子设备的危害也越大； （ 3） 但是，后续雷击的最大陡度却是首次雷击最大陡度的 10 倍左右。 陡度越大，在金属物质上感应的电压或电流就会越大，对电子设备会造成直接的破坏。 由此可知，后续雷击所产生的环路感应电压要比首次雷击强，后续雷击的破坏作用大。 因此，对 LEMP(雷击电磁脉冲 )防护而言，应主要考虑首次雷击的感应电磁场破坏作用和后续雷击的 感应过电压（或过电流）破坏作用。 这为雷电的分析研究和防护工程提供了方向。 雷电感应电磁环境及其危害 根据上一节中提供的雷电流特性参数和对雷电流特性的分析研究，以及当前变电站二次系统设备对于雷电防护的紧迫性，确定在对变电站二次系统设备进行综合防护时，必须重点考虑雷电感应危害的防护。 一方面，考虑首次雷击强雷电流产生的感应电磁脉冲干扰破坏作用；另一方面，必须对后续雷击的感应过电压作用进行防护。 那么，雷击时，变电站内的电磁环境到底如何。 其对主控室内的二次系统设备的危害又有多大呢。 本节对变电站内雷电感应危害 予以分析研究。 18 雷电感应电磁场对二次系统设备的影响 变电站设备机房结构及二次系统设备 变电站二次系统设备很多，按功能系统分为综合自动化系统设备、继电保护及安全设备、GPS 对时系统设备、通信设备、电视监控设备、以及交、直流供电设备等等。 大多数二次系统设备都安装于主控室内，如交、直流电源设备、综合自动化系统设备、继电保护及安全设备、 GPS 对时系统设备等，通信设备一般安装在单独的通信房内，电视监控设备也一般不安装在主控室，而是安装在保卫室。 但实际情况并非都是这样，而是根据各变电站自身特 点和设计时的考虑进行分配的。 一般来说，二次系统设备机房都设有静电地板。 二次系统设备的致损值 当雷电感应电磁场或感应过电压达到一定程度时，就会导致设备的不正常工作或损坏，用致损抗扰度表示，它是指设备抗传导及辐射雷电效应而不损坏的能力 [8]。 普通 PC 机在电源线和 I/O 线均屏蔽的条件下，在频率达 MHz 级，脉冲磁场强度达 20A/m 的环境中可不受干扰，正常运行。 另有资料表明当 LEMP 强度超过 （ ）时就会引起微机失效或扰乱他们的正常工作，或出现信息上的差错，给国家或单位带来经济 损失。 当 LEMP 超过 191A/m（ ）时，集成电路、还有磁记录设备将发生永久性损坏。 国标中有相关规定，电子设备机房磁场干扰环境场强不应大于 800A/m[9][10]，也可以用 Gs表示， Gs（高斯）为磁感应单位。 它们之间的换算关系： 1Gs= A/m。 小于 10Gs 的磁感应强度虽然不足以损坏设备，但是会缩短设备的正常使用寿命。 在满足机房雷电防护安全下，根据机房的性质和考虑防雷工程的经济性，选择机房的电子设备的抗电磁干扰强度为 800A/m。 不同设备的耐压水平也有所不同，当无法获得设备的耐冲击电压 时， 220/380V 三相系统各种设备耐压额定值可由如表 [11]确定。 表 各种设备耐压额定值 设备的位置 电源处 的设备 配电线路和最后分支线路的设备 用电设备 特殊需要 保护的设备。