水電廠的防雷現(xiàn)狀與策略研究

唐代隆

貴州黔源電力股份有限公司普定電站，貴州安順 562100

0 引言

在科學(xué)技術(shù)日益發(fā)達(dá)的今天，人們?cè)絹碓揭蕾囉诳萍籍a(chǎn)品，水電廠作為關(guān)系到人們?nèi)粘Ｉ畹闹匾髽I(yè)單位，跟隨時(shí)代的步伐，廣泛的采用對(duì)周圍環(huán)境要求極高的高集成、低電壓的電路。然而，科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步仍然無法阻止雷擊事件的發(fā)生，雷擊侵害讓人防不勝防，引起的設(shè)備損壞、人員傷亡事故數(shù)不勝數(shù)。在過去，傳統(tǒng)的避雷裝置例如避雷針能夠有效地對(duì)高壓電氣設(shè)備起到防雷作用，但是它對(duì)于今天的水電廠尤其是擁有二次系統(tǒng)的水電廠，其防雷作用顯得很弱小。為降低甚至避免雷擊事件帶來的危害，對(duì)水電廠而言，防雷成為一項(xiàng)十分重要的策略。

1 水電廠受雷擊侵害的現(xiàn)狀分析

1.1 水電廠受雷擊侵害的現(xiàn)狀

水電廠根據(jù)自身的特殊性一般會(huì)建立在海拔比較高的地帶，而這些地區(qū)往往容易遭受雷擊，受雷擊影響較深。近年來，我國(guó)大部分的水電廠都提高了自身的自動(dòng)化水平，建立了一系列的自動(dòng)化系統(tǒng)，例如自動(dòng)測(cè)報(bào)水情系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)等多種裝置，然而水電廠的防雷系統(tǒng)沒有同步跟上這些現(xiàn)代化的信息系統(tǒng)，大部分的水電廠仍使用著傳統(tǒng)的外部防雷系統(tǒng)，極少的考慮弱電放雷等，與水電廠的自動(dòng)化水平不相符合，甚至因?yàn)樽詣?dòng)化設(shè)備的大量為雷擊侵害水電廠提供了多種渠道，使得水電廠蒙受了巨大的經(jīng)濟(jì)損失，嚴(yán)重影響了區(qū)域的電網(wǎng)安全、水庫(kù)的安全運(yùn)營(yíng)和居民的日常生活。

1.2 雷擊侵害水電廠的方式

雷擊侵害水電的方式有很多，主要有四種：直接雷擊、雷電感應(yīng)、反擊和侵入波。

1）直接雷擊

直接雷擊是指雷雨云對(duì)地球和地面建筑物、農(nóng)作物等放電的現(xiàn)象，它具有溫度高而熾熱、沖擊電流強(qiáng)大、沖擊波猛烈、電磁輻射強(qiáng)烈的特點(diǎn)，對(duì)放電通道的事物，例如地面建筑物、室外電子設(shè)備、輸電線造成損壞，嚴(yán)重的甚至直接將地面人畜擊死，嚴(yán)重危害著人類社會(huì)的生命、財(cái)產(chǎn)、安全。

2）雷電感應(yīng)

雷電感應(yīng)是指因大地與雷雨云層之間或者雷雨云層之間放電時(shí)在放電通道上及其周圍對(duì)建筑物的內(nèi)外部產(chǎn)生的電脈沖輻射、空間感應(yīng)、電磁感應(yīng)和雷云電場(chǎng)之間的靜電感應(yīng)。雷電感應(yīng)能夠使建筑物的管道、鋼筋等金屬部件以及建筑物外進(jìn)入建筑物內(nèi)的信號(hào)傳輸線、電源線和天饋線等形成雷電高電壓，并通過這些線路引入至室內(nèi)進(jìn)行放電，從而中斷、損壞甚至燒毀相關(guān)的微電子和電子設(shè)備。與直接雷擊相比較，感應(yīng)雷擊的攻擊力稍弱，但是其攻擊面積大，其破壞力是不可小覷的。

3）反擊

反擊是指在引下線上和接地電阻之間因強(qiáng)烈的雷電流作用造成強(qiáng)大的感應(yīng)電壓降和電阻，導(dǎo)致低電位的接地設(shè)備以及和接地設(shè)備相連接的金屬物體，在沒有雷擊時(shí)仍出現(xiàn)很大的電位，擊穿設(shè)備，最終使得設(shè)備損壞。

4）侵入波

侵入波是指在空間金屬管道或架空線路上因雷擊產(chǎn)生了沖擊電壓，該電壓沿著管道或線路兩個(gè)方向迅速的傳播開來形成了雷電波。一般的，侵入波很少發(fā)生，這主要是因?yàn)樗姀S的外部防雷系統(tǒng)和接地系統(tǒng)都比較好。在一些大型變電站或建筑物，都會(huì)采取一定的措施防止雷電侵入波。

2 水電廠受雷擊侵害的原因分析

2.1 水電廠自身存在不足

水電廠受到雷擊侵害造成嚴(yán)重的損失的主要原因是水電廠自身存在著不足之處，從而不足以避免雷擊的破壞。對(duì)于大部分的水電廠而言，其在一次系統(tǒng)中已經(jīng)安裝了防雷器、防雷針、防雷線等防雷設(shè)備，這對(duì)于抵抗直接雷擊或雷擊侵入波具有十分明顯的效果，但是在抵抗雷電感應(yīng)等方面卻存在著不足之處。水電廠的一次系統(tǒng)需要耐過電壓水平遠(yuǎn)大于二次系統(tǒng)，且有著大量的保護(hù)、監(jiān)控設(shè)備運(yùn)用大規(guī)模的集成電路進(jìn)行運(yùn)作，此外，由于集成電路的耐壓水平比過去晶體管電路小得多，當(dāng)發(fā)生雷擊時(shí)，放電通道及其周圍的建筑、電線等設(shè)備設(shè)施會(huì)形成沖擊電壓，然后通過數(shù)據(jù)線、電源等多種渠道侵入到電子設(shè)備中，從而造成了系統(tǒng)失靈、損壞。因此，如果水電廠的二次系統(tǒng)無法做好防雷工作，就可能會(huì)因一次系統(tǒng)的反擊導(dǎo)致二次系統(tǒng)的控制部分無法正常工作，最終導(dǎo)致水電廠出現(xiàn)毀滅性的事件，這也是我國(guó)不少水電廠發(fā)生雷擊侵害事件的主要原因之一，例如我國(guó)某水電廠就曾因?yàn)镻LC 模塊的損壞導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)癱瘓，使該水電廠遭受了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

2.2 自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的破壞

在大多數(shù)情況下，雷電和其他外來的電磁干擾主要是以傳導(dǎo)和輻射的形式侵入到電子設(shè)備中，其表現(xiàn)有磁的、電的，進(jìn)一步可以分為電磁干擾、靜電干擾等。通過勘查發(fā)現(xiàn)，在當(dāng)前的環(huán)境下，可以排除掉輻射干擾，而經(jīng)地線、信號(hào)線以及電源線等侵入的感應(yīng)性干擾具有最大的可能性。以古田溪的某一級(jí)水電廠為例分析，其在壩頂與廊道的自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和Modem之間使用了電纜屏蔽，但是與一級(jí)站的通訊仍采用的是架空電話線，當(dāng)雷電沖擊波通過信號(hào)線、電源線侵入系統(tǒng)時(shí)，極易破壞監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，加大了對(duì)水電廠系統(tǒng)危害的概率。

2.3 接地系統(tǒng)的反擊影響

據(jù)調(diào)查，大多數(shù)水電站的大壩監(jiān)測(cè)系統(tǒng)都是基于原來的接地網(wǎng)建立的，在計(jì)算機(jī)機(jī)房通過聯(lián)合接地系統(tǒng)進(jìn)行連接，也就是通過安全、防雷、工作這三種接地方式將三種接地連接起來。這個(gè)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)建筑物內(nèi)外部各個(gè)組成部分的電位均衡，跨步電壓和接觸電壓的降低，盡可能的排除了不同金屬部件相互發(fā)生閃絡(luò)的可能性，使得接地電阻能夠達(dá)到4 歐姆左右。然而采用這種聯(lián)合接地方式對(duì)水電廠整個(gè)系統(tǒng)也存在著一定的影響，當(dāng)在計(jì)算機(jī)機(jī)房附近發(fā)生雷擊或落雷現(xiàn)象時(shí)，地電位極其容易被抬高，使得反擊電壓也隨之變高，從而破壞設(shè)備，影響整個(gè)水電廠電力系統(tǒng)。

3 水電廠的防雷策略

3.1 做好弱電設(shè)備的防雷工作

1）弱電設(shè)備的防雷方法

水電廠弱電設(shè)備的防雷方法一般有三種：限壓、屏蔽和等電位連接。限壓是指將電涌保護(hù)器安裝在信號(hào)線路與電源線路的重要設(shè)備、關(guān)鍵部分、端口設(shè)備等位置，控制過電壓，從而使得雷電流得以卸放，保護(hù)系統(tǒng)設(shè)備；屏蔽是指在雷電感應(yīng)通道上阻斷雷擊的電磁脈沖，在信息系統(tǒng)中通過屏蔽線處理信號(hào)線路，從而降低雷電感應(yīng)的可能性；等電位連接是應(yīng)對(duì)雷電感應(yīng)和雷電波入侵這兩種雷擊方式的最有效的方法，它是指將分開的導(dǎo)電裝置用等電位連接起來或用電涌保護(hù)器與之相連接，降低雷電流在導(dǎo)電物體之間產(chǎn)生的電位差，降低其擊穿的可能性。

2）弱電設(shè)備的防雷措施

當(dāng)前在我國(guó)大部分水電廠尤其是新建的水電廠，其自動(dòng)化水平較高，電子設(shè)備相對(duì)集中，如果發(fā)生雷擊事件會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。因此，要做好通訊系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、水情測(cè)報(bào)系統(tǒng)、工業(yè)電視系統(tǒng)等弱電設(shè)備的防雷措施工作。第一，在防雷區(qū)的設(shè)計(jì)上，對(duì)需要被保護(hù)的空間根據(jù)電磁脈沖的強(qiáng)度進(jìn)行防雷區(qū)的層次劃分，并在不同防雷區(qū)的進(jìn)口地方提出配置電涌保護(hù)器和連接等電位的要求，根據(jù)危險(xiǎn)程度有針對(duì)性的進(jìn)行不同等級(jí)的保護(hù)。第二是防雷保護(hù)設(shè)備的選擇，尤其是電涌保護(hù)器的選擇，應(yīng)符合相關(guān)設(shè)備的電流電壓要求，確保保護(hù)設(shè)備能夠承受通過的雷電流。

3.2 做好二次系統(tǒng)的防雷工作

如今大多數(shù)的水電廠都在一次系統(tǒng)中設(shè)置了防雷線裝置，然而這種裝置僅僅局限在一級(jí)系統(tǒng)中保護(hù)水電廠設(shè)備，對(duì)水電廠大壩上的水位傳感器、變送器等設(shè)備無法實(shí)現(xiàn)全面保護(hù)的作用。因此，應(yīng)在大壩上安裝防雷裝置，避免大壩設(shè)備受直接雷擊的侵害，對(duì)水電廠大壩實(shí)現(xiàn)全面防護(hù)的目標(biāo)，同時(shí)注意做好二次系統(tǒng)的防雷工作，焊接接地體與設(shè)備的地線，確保等電位。

1）雷電通過接地線接入大地，勢(shì)必會(huì)在接地線上形成沖擊電位，而當(dāng)接地線上有了沖擊電位，就很容易使得部分設(shè)備出現(xiàn)電位差，導(dǎo)致設(shè)備受損。為此，可以采用均壓環(huán)解決這種問題，即連接地電位狀態(tài)下的導(dǎo)體等電位，對(duì)于未達(dá)到相關(guān)安全標(biāo)準(zhǔn)的接地裝置，例如水電廠的電子設(shè)備、電氣裝置等，可以用相對(duì)粗大的導(dǎo)線將其等電位與防雷系統(tǒng)相連接，從而形成一個(gè)由等電位構(gòu)成的島，保證了導(dǎo)電設(shè)備之間不會(huì)出現(xiàn)電位差，不會(huì)出現(xiàn)閃絡(luò)放電現(xiàn)象。所以，要將電源線、信號(hào)線與金屬管道等通過保護(hù)器進(jìn)行等電位連接，在內(nèi)層保護(hù)區(qū)，用同樣的方法實(shí)現(xiàn)等電位連接，最終消除雷電引起的毀滅性電位差；

2）雷電流通過接地線入地時(shí)，暫態(tài)電磁場(chǎng)也會(huì)因此而產(chǎn)生、蔓延，使得在通訊、運(yùn)動(dòng)、保護(hù)等電纜以及主控單元的弱點(diǎn)部件上形成暫態(tài)過電壓，或多或少的損壞相關(guān)設(shè)備。因此，應(yīng)采用屏蔽的方法，利用屏蔽電纜、屏蔽殼對(duì)其接地，同時(shí)要高度重視屏蔽裝置的接地檢查，有效解決暫態(tài)電磁場(chǎng)這一問題。

3.3 做好過電壓的防雷工作

為避免過電壓受線路的侵入，盡量降低外來能量的干擾，線路在進(jìn)機(jī)房前一定要做好防雷保護(hù)工作，在不影響線路正常工作的條件下，分別安裝壓敏電阻、放電管、避雷器等防雷器。由于明線進(jìn)入設(shè)備時(shí)，其沖擊波波形沒有埋地電纜平坦，整體防護(hù)性較差，所以在安裝防雷裝置的同時(shí)，要注意對(duì)進(jìn)設(shè)備前的一部分使用埋地電纜，控制好直接雷擊的地段在一定范圍外，減少外界電磁輻射的干擾。此外，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)或相關(guān)設(shè)備與外界連接的信號(hào)線、電源線都必須安裝防雷電能量較強(qiáng)的過電壓保護(hù)器，這樣瞬變電壓保護(hù)器可以將電源線或信號(hào)線侵害其他設(shè)備的沖擊波控制在設(shè)備能夠承受的范圍內(nèi)，即當(dāng)電壓過大超過某個(gè)臨界值時(shí)，其阻抗就會(huì)立刻下降，在瞬間形成強(qiáng)大的浪涌電流，從而對(duì)有關(guān)設(shè)備實(shí)現(xiàn)過電壓保護(hù)。

4 結(jié)論

雷電現(xiàn)象在大自然中無處不在，很多人認(rèn)為雷擊事件是無法避免的，對(duì)采取防雷措施缺少一定的認(rèn)識(shí)與重視，間接加大了雷擊的危害程度。從我國(guó)眾多水電廠多年來的雷擊事件可以發(fā)現(xiàn)，雷擊給我們的日常生活帶來了諸多危害。因此，水電廠應(yīng)認(rèn)真分析自身發(fā)生雷擊事件的原因，并有針對(duì)性地采取防雷措施，做好水電廠各系統(tǒng)的防雷技術(shù)保障，有效避免雷擊的侵害，盡可能的將雷擊事件造成的損害降到最低。

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