变电站的安全防护

详细内容

一、变电站的安全地位评价及其影响因素
1． 变电站的安全地位
电是国家能源的核心。
能源安全事关国家安全。
变电站是电力输送控制的核心环节。
变电站电压等级越高，供电范围越大，地位越重要。
安全第一的思想贯穿于工作的各个环节、各个方面。
2． 变电站的安全风险
变电站的安全风险，是指由于安全因素的变化，安全状况的变化程度。
安全风险是一个动态参数。
安全风险与安全因素的变化量成正比，与人的认识和控制程度成反比。
人对安全因素认识的范围越广，程度越深，安全风险就越低。
人对安全因素的认识，最终要变为行动才能起作用。
变电站的风险可防、可控。
3． 影响变电站安全的因素
1）天气：
风——断线，短路，倒塌；
雷电——过电压，设备损毁，误动；
雾雨——绝缘；
霜雪——绝缘，断线，倒塌。
2）人为破坏：
一般破坏——可防
军事破坏——高科技，难防，但可防。
3）操作失误：
取决于操作员业务素质和心理素质，前者是智商，后者是情商（意志、毅力、耐心）。
4）设备本身：
一次设备——设备质量。诊断办法：巡视检查，仪器检测。
二次设备——设备质量。意外因素下的设备误动、拒动（设备原因和现场工程原因）。
5） 电磁干扰：
感应雷电对敏感设备的干扰；
电磁脉冲破坏；
操作设备对敏感设备的干扰；
设备之间的电磁干扰；（电磁兼容设计，EMC认证）
设备内部的电磁干扰；（电磁兼容设计，EMC认证）
静电干扰。
6） 大地及其它因素：
接地电阻：
地电阻率随频率增加而减少，频率无穷大时，ρf=ρ0*ρ/(ρ0+ρ)
ρ0 ：直流测量的电阻率，Ωm
ρ：地中可被极化物体完全激发的电阻率，Ωm。
一般雷电电阻率：2000Ωm。
未冻土与冻土电阻率：500~15000Ωm，相差几十倍（中国西北）。
土壤电阻率：10~500Ωm
砂砾电阻率：1000Ωm
岩石电阻率：5000Ωm
雷电的地反击电压：由于接地电阻的存在。只能减小，不能消除。
非等电位接地网的危害：设备之间地电位有差别。
直流输电对地电位有重要影响（线路走廊）：变压器躁声增大。
太阳风暴（氢爆，质子流）影响地球磁场，入地质子流对大地电位的拔高作用：
太阳风暴持续时间较长，因而造成地电位升高的时间也较长，与雷击不同（3uS）。
1984年加拿大大停电原因未明（疑与地理特点、太阳风暴造成的地电位晃动有关）。
（影响零序电流，应对：零序方向保护；影响二次设备，死机，应对：数字浮地）
二、减少操作失误的技术措施
1． 变电站综合自动化是主要措施
前提条件：除了断路器外，接地刀闸等辅助设备必须可自动控制。
通过监视器+键盘操作（软件设防误闭锁功能）。
直接减少了人工操作次数。
操作失误率与操作次数成正比。
计算机操作逻辑经过了反复论证和检验，毋庸怀疑。除非编程错误和采样数据错误。
因此，变电站综合自动化提高变电站的操作安全性(从可靠性理论看，有反作用)。
2． 不断强化、提高业务水平。
八字诀：心清 目明 预想 总结
心清：站内主接线图、设备位置对应准确，牢记于心。
目明：环境、设备外部状况明察秋毫。
事前预想。
事后总结。
3．注重心理素质训练
成功者智商因素只占三分之一，情商占三分之二。（布什，柳传志/倪光南，科大生）
飞行员、航天员选拔主要看心理素质。（注意力、意志力、毅力、恒心）
因此，心理素质对操作员十分重要。
（英国牙病死人的故事：滴水杀人的故事。）
事前举轻若重，事中举重若轻。
大将军本色：泰山崩于前而不改色。
举重若轻则态度从容，举放有序；
举重若轻必高度专注，专注境界：忘我，无它。功夫的最高境界。
三、 提高设备可靠性的措施
1．设备本身的质量控制
属于制造商的问题。
设计原因。
工艺原因。
装配原因。
软件、硬件材料质量原因。
2．工程原因
工程质量是个系统工程，除了设备本身质量可靠，现场配套措施必须全面彻底，厂家与业主必须充分沟通，紧密配合。只有如此才能保证工程质量。其中关键在业主。某个环节的疏漏，往往就是一个安全隐患。
质量控制体系是安全的保证。
运行操作部门必须了解设备和工程的重要技术细节。这是业务能力延伸的标志。如：防雷、接地、绝缘，保护动作参数等。
四、 雷电、核磁脉冲、一般电磁干扰及应对措施
1．雷电波形状：波头持续时间2——3uS，几十万伏，多峰（间隔几十微妙），频谱宽。
避雷线上雷电流效应：
沿导线电位的下降陡度为1kV/uS,直到接闪装置（产生雷电反击电压）。
沿导线周围感应出电流和电压。
2．防雷的一般原则
1）防雷覆盖要全面，避雷针，建筑物顶置环形等电位金属体。
2）多下引线，法拉第笼。
3）建筑物周围埋设环行接地装置（等电位）。
4）接地电阻一定要小。地网面积越大越好。
5）接地引线一定要粗、牢。
3． 根据雷电来源的防护
1）直击雷的防护：
避雷针（环形避雷带，多对角下引线，法拉第笼）+接地（板，网，蛛网，脚桩蛛网）
避雷针的覆盖范围：45角。全面防护必须仔细设计避雷针阵列。
避雷针反击电压极高，因此其他设备及设备电缆必须远离避雷针。
防雷线：沿铁塔接地。
中低压线避雷器，接地下引线越靠近变压器越好。如是低压变压器则入户后二次防护。为防变压器匝绝缘击穿，串电抗器更好。
2）空间感应雷的防护
由于空间电磁场，导线互感等，通过空间感应。
辐射电磁场的特点是电场与磁场同时存在。电压高，电流小的干扰源主要是电场；电压低，电流大的干扰源表现为磁场。
防护措施：屏蔽网。
不同性质的干扰对屏蔽结构的要求是不同的。
电场可通过简单的金属层、网阻挡。
电磁场可在穿过导体，传播深度与频率有关，频率越高，屏蔽厚度越薄。厚度接近波长时衰减近零。网状屏蔽层对小于网口的波长无效果。
低频电磁波应采用磁性材料屏蔽，否则一般导体屏蔽层太厚。或多层独立屏蔽。
3）导线上感应来波的防护
导线应全屏蔽。
配电变压器低压侧设避雷器。
供电电源采用隔离变压器。
设备电源设滤波器和吸收电容器。
每条引线设压敏电阻或浪涌保护器，或放电管（防火墙）。
4． 一般电磁干扰及防护
干扰源：除了雷电外，站内还存在一般电磁干扰，如设备操作，继电器电火化等。
措施：一般可通过屏蔽、隔离、接地消除。
大电流设备动作时会对沿线设备或导线产生磁场干扰。因此动力线与信号线并行时必须分开布置，距离不小于0.5米。
信号线最好采用屏蔽电缆，非屏蔽电缆最好采用双绞线，双绞线上干扰可相互抵消。
隔离是指信号线上的电信号与内部电气隔离，电源、信号都要隔离。光隔离最彻底。
屏蔽层、设备外壳、设备电气地必须一点接地，防止环地电流造成地电位干扰。
对空间电磁波来说，屏蔽层必须对各个角度、各种波长的电磁波都能屏蔽，屏蔽层必须严密，且接地。
5.核爆电磁脉冲特点：
γ离子流转换为电磁脉冲（射线），波头微秒级，频谱宽。比雷电波更陡，时间更短。
防护措施：与雷电相同。
彻底防护：严密屏蔽；接地；地下工程。
五、 接地
以下是有关“地”的定理和事实：
第一， 大地是一个无限导体。
第二， 接地是一切防护的根本措施。
第三， 增大接地网的面积是减小接地电阻的主要办法。
第四， 土壤及周围介质的导电率是决定接地电阻的主要因素。
第五， 地网的电位不总是“零电位”。
工程中的一切设计或防护措施，均以上述事实为依据。
1． 影响接地网电位的因素
1）土壤或介质导电率：这是决定因素。
地网最好方案依次为：水中地网（防触电）；潮湿盐碱地（防腐）；湿地；沙砾层；
2）雷电冲击接地电阻：冲击接地电阻不等于工频接地电阻。
土壤的雷电冲击电阻是指雷电对地放电时的电阻。
土壤电阻率100Ωm时，雷电对土壤放电的电流密度：J=0.85A/cm2
土壤耐压强度：8.5kV/cm，当超过耐压强度时即放电（V=J*S，S:面积），放电时等值电阻率大为减小。因此，冲击接地电阻比工频接地电阻小。冲击接地电阻越小，冲击电流泄漏越快，对地电位影响越小。
雷电对地冲击产生反击电压，如果防雷接地网与二次重要设备接地网是一个网将直接影响二次设备。
3）工频接地电流。大电流设备对地短路时将产生很大电流，由于接地电阻的存在，不仅短路处地电位大幅升高，而且如果地网设计不科学，地网将产生电流，影响接入地网上的其他设备。因此，二次设备一般不与大电流一次设备共用一个地网，除非地网考虑了均压问题，设计科学、接地优良。
降低工频接地电阻的措施：接地电阻降低到2000/I以下很困难时，则考虑以下措施，
主厂房水下的钢筋混凝土。
各类钢筋混凝土基础或钢板衬砌的竖井、厂房。
架空线路的“地线-杆塔”接地系统。
埋于地下的金属自来水管和有金属外皮的电缆。
厂房钢筋混凝土地基。
4）接地网形状影响接地效果。条型、板型地网不能做到均压，良好均压地网依次是环型——井型——蛛网型——桩脚蛛网型，面积依次增大。接地电阻小不等于耐冲击电流和大工频接地电流，泻流容量最关键。
5）直流输电系统的“地”对变电站地网的影响
单极直流输电运行以大地为回线，大地电流与单极线电流相同。因此高压直流走廊地电位受直流电流影响。有研究报告为证。
双极直流输电理想条件下，地线电流互相抵消，大小为零。若换流器并联，则大地电流是单极的两倍。
研究报告表明，高压直流投运后，附近变压器躁声升高。其它严重后果只能待以后验证。
2． 工程中提高接地效果的简便或辅助措施
1）水下接地网最简单可靠。但必须在水下加固，且人际罕至，水位常年稳定。
2）潮湿混凝土可作接地，但其电流密度极限值为4.2~15.7A/cm2，平均密度0.039A/cm2。
3）钢塔是很好的接地极。
4）混凝土基础也是好的接地极（取决于土壤电阻率）。
3．变电站接地网
1）满足工频短路接地电流和雷电冲击电流的要求。防雷接地和一次设备接地可共用一个地网。
2）二次设备对地要求更敏感。接地网的接地电阻一般不超过4Ω。为防止一次设备地网的冲击电压，最好为独立地网，而且地网也要考虑均压问题。二次设备也接入该地网。
地网不均压，则二次设备的电压反击也造成控制和保护设备损坏。
3）接地线的热稳定：接地引线面积必须足够大，接头必须牢固。如烧断地线，地线开路，则高压向保护电缆反击，有瘫痪继电保护设备的隐患（CT、PT要加放火墙最好）。
4）接地网的防腐。
4．低压配电系统的几种接地制式及安全应对措施
IEC规定：接地制式由两个字母表示，第一个字母表示电源接地点对地的关系，T-直接接地，I-不接地，或通过阻抗接地。
第二个字母表示电气设备的外露导电部分与地的关系，T-独立于电源接地点的直接接地。N-直接与电源系统接地点或与该点引出的导体相连接。
后续字母表示中性线与保护线之间的关系。C-表示中性线N与保护线PE合并为PEN线；S-保护线与中性线分开；C-S表示在电源侧为PEN,从某点分开为N及PE。
根据以上分类方法，接地制式分为如下几种：TN-S,TN-C,TN-C-S,TT,IT等。
TN系统：
保护线在变电所附近接地。如是三角型接线，未引出中性线，可将一相接地，但该线不能作为PEN线。配电线引入建筑物时，保护线在入口处接地。PEN线断裂，则危险（电位升高，铜线面积10mm2，铝线16mm2以上）。建筑物内的外露导线、金属管道、总接地端子等连成等电位。
TN-C系统：简单，经济。缺点：但三相不平衡时，PEN线有电流，对敏感电子设备不利。相线接地时，对地电压升高，扩大事故范围。
TN-S系统：保护线与中性线分开。具有TN-C的优点，但成本贵。适合精密电子设备。但仍不能避免相线接地时保护线电压升高的问题。
TN-C-S系统：PE线与N分开后，N必须对地绝缘。工矿企业多采用，末端为TN-S，精密仪器有利。而前端为PEN。（实际上：精密设备直通接地）。民用建筑电源线路采用TN-C，进入室内采用TN-S。
TT系统：
一般是变压器或发电机，其中性线必须直接接地，即使没有中线，也必须有一个相线接地。其外露导线必须接地。该方式对其它设备影响小，安全。
建筑物内的外露导线、金属管道、接地系统连为一体（等电位）在建筑物入口处接地。
IT系统：
要求不配中性线。电源单相接地时，设备可继续运行。但如果两相接地，则非常危险。
如果引出中性线，则要求中性线设过流检测装置。
漏电保护器（RCD）的接线要求：
1）带电的线包括N线都要穿过RCD的零序电流互感器，PE线不能穿过。负载侧的N线不能与其他N线共用。
2）在同一条线路上装设RCD和不装RCD的电气设备不能共用一个接地体。
5． 楼内有重要设备时接地的重要措施
1）接地电阻1Ω，最高不大于4Ω。
2）接地网最好采用蛛网状（减小冲击接地电阻和跨步电压）。
3）为了防雷，最低层设公共接地点或接地母线，所有金属装置都与之相连。金属体电位均衡比接地电阻还重要。
4）进户配电线进入建筑物之前，入口处安装避雷器。
5）地电位均衡的最好办法是环形地网或建筑物基础地。
6）感应电压的消除办法：双绞线或屏蔽电缆。信号线至少离开避雷引下线0.5米。
7）电源变压器低压侧中性点经保险接地，防止工频零序电流由钢筋回到中性点产生地电位干扰，
变电站计算机系统本身的接地方案：
数字部分浮地最可靠，但要考虑数字地的防静电措施。
系统中的装置则必须一点接地；
电缆屏蔽层的接地：不能在一次设备处接地，因为屏蔽层与信号线的耦合电容很大，直接感应进入计算机。正确的方法是屏蔽层在一次设备侧悬空，在计算机处接地。
六、 低压系统人身安全措施：
1. 人体阻抗及相关参数
人体总阻抗=内阻+2*皮肤阻抗。接触电压500伏以下时，主要体现皮肤阻抗。皮肤破损后，总阻抗接近于内阻。
人体初始电阻：电容效应，初始电阻接近500Ω。
三种状况下人体的阻抗及安全电压：
状况1：干燥；Z=1000+0.5*Z5%安全电压：50V
状况2：潮湿；Z=200+0.5*Z5%安全电压：25V
状况3：侵水；等于内阻。安全电压：12V
人体感觉电流：0.5mA（15—100Hz）
摆脱电流： 10mA (15—100HZ)
2． 电击防护措施
直接电击防护：
1）带电体绝缘
2）遮拦和外护物防护（外壳）
3）阻挡物防护（防止无意识接触）
4）漏电保护防护（）附加防护，电流30mA。
间接电击防护（附加防护）：
1）自动切断电源
2）使用采用一定绝缘的设备（Ⅱ级）
3）使用非导电场所（场所内严禁有保护线，无接地，绝缘的地板、墙，永久措施）
4）不接地的等电位连接（外露导电部分与外导电部分等电位，严禁与大地连接）。
5）回路电气隔离，外露导线严禁与设备金属外壳相连。电压不超过500V。七、 枢纽变电站发展方向
1． GIS
3．数字化
3． 地下
随着技术的进步和社会的发展，变电站的安全及防护水平必然越来越高。毫无疑问，更强壮、更安全、更简便、少维护是变电站的必然发展方向。
就我们目前面临的上述问题来说，枢纽变电站转入地下将带来以下好处：
1）不受气候变化影响。
2）防雷电。
3）防电磁脉冲。（军事破坏）
4）防太阳风暴。
5）消除电磁污染。
6）减少耕地占用。
由此将变电站的的安全性提高到一个新水平——由工业级提高到军事级。