變電站二次設(shè)備的雷害分析及防護(hù)

[摘要]目前，新建變電站的設(shè)計(jì)方案中對(duì)微機(jī)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的防雷考慮不夠，導(dǎo)致雷擊時(shí)雷電波侵入二次設(shè)備和控制系統(tǒng)，造成設(shè)備損壞。文章闡述目前二次設(shè)備防雷中存在的問(wèn)題，并提出詳盡的防雷解決方案。

[關(guān)鍵詞]防雷；變電；接地；二次設(shè)備

[作者簡(jiǎn)介]梁世平，廣東電網(wǎng)公司高州供電局助理工程師，廣東高州，525200

[中圖分類(lèi)號(hào)]TM64 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A [文章編號(hào)]1007－7723(2008)11－0142－0002

一、引言

近年來(lái)，隨著微電子技術(shù)的不斷發(fā)展，自動(dòng)控制系統(tǒng)在電力行業(yè)使用越來(lái)越廣，人們?cè)谑芤嬗谖㈦娮拥臉O大方便的同時(shí)，也受到其一旦損壞就損失巨大的困擾。實(shí)際電力工程建設(shè)中，在建設(shè)自動(dòng)控制系統(tǒng)的時(shí)候，往往對(duì)其防雷措施考慮不夠，一旦有雷電波侵入，容易造成二次設(shè)備損壞，有的甚至使整個(gè)系統(tǒng)癱瘓，造成無(wú)可挽回的損失。

2006年6月到2007年8月一年多的時(shí)間里，廣東電網(wǎng)公司高州供電局內(nèi)可查的由于雷擊發(fā)生的弱電損壞就有四次之多。城東變電站線(xiàn)路落雷，造成主控地與設(shè)備之間的電位差而損壞大量的保護(hù)設(shè)備；云嶺變電站的微波塔落雷，由于感應(yīng)過(guò)電壓而損壞通信服務(wù)器和圖像監(jiān)控系統(tǒng)；良山變電站的線(xiàn)路落雷造成大量的測(cè)控設(shè)備損壞；北郊變電站微波塔落雷，造成大量的保護(hù)、通訊設(shè)備損壞。經(jīng)研究分析，這幾次故障的主要原因是由于次設(shè)備發(fā)生雷擊后在弱電設(shè)備造成的浪涌超過(guò)了二次設(shè)備承受的能力而造成的。浪涌的主要形式是電源浪涌、信號(hào)浪涌。而這種浪涌在新建或擴(kuò)建設(shè)備時(shí)又往往不被重視，設(shè)計(jì)上沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的考慮。本文在介紹電力二次設(shè)備防雷的同時(shí)，還將探討浪涌對(duì)二次設(shè)備的危害及預(yù)防措施。

二、存在問(wèn)題

按現(xiàn)有的雷電理論，雷擊從形式上來(lái)講，可分為直接雷擊和感應(yīng)雷擊兩種。直接雷擊會(huì)造成建筑物損壞并引起火災(zāi)事故，一般構(gòu)筑物避雷設(shè)施只能保護(hù)其本身免受直擊雷損害。感應(yīng)雷擊(主要為雷電的靜電感應(yīng)作用、電磁感應(yīng)作用、放電時(shí)產(chǎn)生的強(qiáng)烈電磁脈沖、地電位反擊和雷電波入侵等)引起的過(guò)電壓，會(huì)沿架空導(dǎo)線(xiàn)、天線(xiàn)、電纜和金屬管線(xiàn)等通道進(jìn)入用戶(hù)設(shè)備，引起設(shè)備的損壞。

通常變電站自動(dòng)化系統(tǒng)都置于建筑物之中，電源線(xiàn)、網(wǎng)絡(luò)線(xiàn)、信號(hào)線(xiàn)均鋪設(shè)于電纜溝中，因而遭受直接雷擊的可能性不大，其防護(hù)的主要對(duì)象是感應(yīng)雷擊。按資料統(tǒng)計(jì)，變電站自動(dòng)化系統(tǒng)雷擊事故主要是由感應(yīng)雷擊造成的。感應(yīng)雷擊對(duì)自動(dòng)化系統(tǒng)的破壞，主要是通過(guò)侵入電源線(xiàn)、天饋線(xiàn)、通訊線(xiàn)和信號(hào)線(xiàn)甚至從接地網(wǎng)引入而分別損壞控制設(shè)備、儀器儀表、無(wú)線(xiàn)通信設(shè)備、計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等，影響整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。通過(guò)對(duì)變電站雷擊事件的現(xiàn)場(chǎng)勘察了解，發(fā)現(xiàn)變電站在弱電設(shè)備防雷方面存在以下不足：

1、個(gè)別建筑物直擊雷防護(hù)措施不合格，建筑物本身容易遭受直擊雷破壞，雷電波經(jīng)金屬體入侵并危及建筑物內(nèi)部的弱電設(shè)備；

2、變電站地網(wǎng)的接地電阻偏大，沒(méi)有達(dá)到小于0.5Ω的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求，遭雷擊時(shí)地電壓抬高偏大，干擾并損壞弱電設(shè)備；

3、部分弱電設(shè)備的外殼以及連接電纜的屏蔽線(xiàn)沒(méi)有可靠接地，容易遭受雷電波的侵入，引起過(guò)電壓，造成設(shè)備損壞；

4、站內(nèi)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊，通訊線(xiàn)路長(zhǎng)，在雷擊時(shí)易感受雷電波，造成系統(tǒng)的損壞；

5、部分弱電設(shè)備的電源線(xiàn)、控制線(xiàn)和信號(hào)線(xiàn)沒(méi)有安裝相應(yīng)的防雷器，遭受雷擊時(shí)無(wú)法有效泄放入侵的雷電流，從而引起設(shè)備的損壞；

6、有些立于房頂和空闊地的閉路監(jiān)視設(shè)備，沒(méi)有安裝接地裝置，容易遭受直擊雷的破壞。

三、防雷措施

根據(jù)國(guó)內(nèi)外幾十年防雷的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，做好建筑物防雷工作的關(guān)鍵是貫徹DBSGP《電網(wǎng)通信及自動(dòng)化防雷接地技術(shù)規(guī)程》的原則。DBSGP就是：分流、均壓、接地、屏蔽和保護(hù)技術(shù)。相對(duì)于建筑物防雷，變電站防雷系統(tǒng)是有其自身的特點(diǎn)的。仔細(xì)考察變電站現(xiàn)場(chǎng)，并且詳細(xì)分析了典型的變電站設(shè)計(jì)圖紙，發(fā)現(xiàn)屏蔽和保護(hù)是變電站防雷，尤其是二次回路防雷中容易忽視的措施。根據(jù)前面分析的二次回路中雷電造成破壞的幾種形式，并結(jié)合DBSGP防雷技術(shù)，變電站二次回路防雷可以采取以下措施。

(一)外部防護(hù)

弱電設(shè)備的外部防護(hù)首先是使用建筑物的避雷針將主要的雷電流引入大地；其次是在將雷電流引入大地的時(shí)候盡量將雷電流分流，避免造成過(guò)電壓危害設(shè)備；第三是利用建筑物中的金屬部件以及鋼筋作為不規(guī)則的法拉第籠，起到一定的屏蔽作用。如果建筑物中的設(shè)備是低壓電子邏輯系統(tǒng)、遙控、小功率信號(hào)電路的電器，則需要加裝專(zhuān)門(mén)的屏蔽網(wǎng)，在整個(gè)屋面組成不大于5～5m，6～4m的網(wǎng)格，所有均壓環(huán)采用避雷帶等電位連接；第四是建筑物各點(diǎn)的電位均衡，避免由于電位差危害設(shè)備；第五是保障建筑物有良好的接地，降低雷擊建筑物時(shí)接點(diǎn)電位損壞設(shè)備。

(二)內(nèi)部保護(hù)

從EMC(電磁兼容)的觀點(diǎn)來(lái)看，防雷保護(hù)由外到內(nèi)應(yīng)劃分為多級(jí)保護(hù)區(qū)。即根據(jù)電氣、微電子設(shè)備的不同功能及不同受保護(hù)程度和所屬保護(hù)層確定保護(hù)要點(diǎn)作分類(lèi)保護(hù)；根據(jù)雷電和操作瞬間過(guò)電壓危害的可能通道從電源線(xiàn)到數(shù)據(jù)通信線(xiàn)路都應(yīng)做多級(jí)層保護(hù)。

1、電源部分的防雷防護(hù)

弱電設(shè)備的電源雷電侵害主要是通過(guò)線(xiàn)路侵入。高壓部分有專(zhuān)用高壓避雷裝置，電力傳輸線(xiàn)把對(duì)地的電壓限制到小于6000V(1EEEEC62.41)，而線(xiàn)對(duì)線(xiàn)則無(wú)法控制。所以，對(duì)380V低壓線(xiàn)路應(yīng)進(jìn)行過(guò)電壓保護(hù)，按國(guó)家規(guī)范應(yīng)有三部分：建議在高壓變壓器后端到二次低壓設(shè)備的總配電盤(pán)間的電纜內(nèi)芯線(xiàn)兩端應(yīng)對(duì)地加避雷器或保護(hù)器，作一級(jí)保護(hù)；在二次低壓設(shè)備的總配電盤(pán)至二次低壓設(shè)備的配電箱間電纜內(nèi)芯線(xiàn)兩端應(yīng)對(duì)地加裝避雷器或保護(hù)器，作二級(jí)保護(hù)；在所有重要的、精密的設(shè)備以及UPS的前端應(yīng)對(duì)地加裝避雷器或保護(hù)器，作為三級(jí)保護(hù)。其目的是用分流(限幅)技術(shù)即采用高吸收能量的分流設(shè)備(避雷器)將雷電過(guò)電壓(脈沖)能量分流泄入大地，達(dá)到保護(hù)目的。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)選擇合格優(yōu)良的避雷器或保護(hù)器。表1為瞬變過(guò)電壓水平等級(jí)的劃分。

2、信號(hào)部分的防雷保護(hù)

對(duì)于信號(hào)傳輸系統(tǒng)，應(yīng)分為粗保護(hù)和精保護(hù)。粗保護(hù)量級(jí)根據(jù)所屬保護(hù)區(qū)的級(jí)別確定，精保護(hù)要根據(jù)電子設(shè)備的敏感度進(jìn)行確定，主要考慮衛(wèi)星接收系統(tǒng)、電話(huà)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)專(zhuān)線(xiàn)系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)等。建議在所有信息系統(tǒng)進(jìn)入控制室的電纜內(nèi)芯線(xiàn)端，對(duì)地加裝避雷器，電纜中的空線(xiàn)對(duì)應(yīng)接地，并做好屏蔽接地，其中應(yīng)注意系統(tǒng)設(shè)備的在線(xiàn)電壓、傳輸速率、接口類(lèi)型等，以確保系統(tǒng)正常工作。

此外，微電子設(shè)備工作電壓低，擊穿功率小，靠單一屏蔽難以達(dá)到預(yù)期效果，必須采取多重屏蔽。利用建筑物鋼筋網(wǎng)組成的法拉第籠及設(shè)備屏柜金屬外殼、裝置金屬外殼等逐級(jí)屏蔽，有條件的話(huà)，在重要進(jìn)出設(shè)備的同一條信號(hào)線(xiàn)上應(yīng)安裝多個(gè)防雷保安單元。為徹底消除雷電引起損壞的電位差，需實(shí)行等電位連接。電源線(xiàn)、信號(hào)線(xiàn)、金屬管道等都要通過(guò)過(guò)壓保護(hù)器進(jìn)行連接，各個(gè)內(nèi)層保護(hù)區(qū)的界面處同樣要依此進(jìn)行局部等電位連接，各個(gè)局部等電位互相連接，最后與主等電位連接棒相連。做好等電位聯(lián)結(jié)比追求小接地電阻更實(shí)用，如果真正做到處處電位相等或電位差很小，就不會(huì)損壞任何微電子設(shè)備。

(三)接地處理

在變電站網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的建設(shè)中，一定要有一個(gè)良好的接地系統(tǒng)，因?yàn)樗蟹览紫到y(tǒng)都需要通過(guò)接地系統(tǒng)把雷電流泄入大地，從而保護(hù)設(shè)備和人身安全。如果接地系統(tǒng)做得不好，不但會(huì)引起設(shè)備故障，燒壞元器件，嚴(yán)重的還將危害(上接第143頁(yè))工作人員的生命安全。另外，防干擾的屏蔽問(wèn)題和防靜電問(wèn)題都需要通過(guò)建立良好的接地系統(tǒng)來(lái)解決。一般控制室的接地系統(tǒng)有建筑物地網(wǎng)、電源地、邏輯地(也稱(chēng)信號(hào)地)、防雷地等，當(dāng)各地必須獨(dú)立時(shí)，如果相互之間距離達(dá)不到規(guī)范的要求，則容易出現(xiàn)地電位反擊事故。因此，當(dāng)各接地系統(tǒng)之間的距離達(dá)不到規(guī)范的要求時(shí)，應(yīng)盡可能連接在一起。如實(shí)際情況不允許直接連接，可通過(guò)地電位均衡器實(shí)現(xiàn)等電位聯(lián)結(jié)。為增加接地裝置的可靠性，建議使用專(zhuān)業(yè)公司生產(chǎn)的專(zhuān)用接地棒，并使用無(wú)公害降阻劑。接地裝置的選材和施工應(yīng)由專(zhuān)業(yè)人員執(zhí)行。

四、結(jié)語(yǔ)

電力系統(tǒng)防雷是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，做好變電站的防雷工作，必須在變電站的設(shè)計(jì)階段就要認(rèn)真考慮。在變電站進(jìn)行系統(tǒng)的改擴(kuò)建時(shí)，同樣也不能忽視這個(gè)問(wèn)題，并且在變電站的運(yùn)行中，還需要定期做好對(duì)變電站防雷接地系統(tǒng)檢測(cè)工作，確保防雷系統(tǒng)滿(mǎn)足要求。只有這樣，變電站的電子設(shè)備安全運(yùn)行，才不會(huì)受到雷電的危害，這是工程設(shè)計(jì)人員一直要關(guān)注的問(wèn)題。