淺析水電廠升壓站二次系統(tǒng)防雷措施

蒲永

(茂縣天龍湖電力有限公司，四川成都 610091)

雷電是一種自然現(xiàn)象，給人類(lèi)社會(huì)帶來(lái)了不少危害，國(guó)際電工委員會(huì)已將雷電災(zāi)害稱(chēng)為“電子時(shí)代的一大公害”，而直擊雷擊、感應(yīng)雷擊、雷電波侵入等瞬時(shí)過(guò)電壓已成為破壞電子設(shè)備的罪魁禍?zhǔn)?。筆者對(duì)大量的水電廠升壓站二次設(shè)備雷擊事故進(jìn)行分析得知，由雷電感應(yīng)和雷電波侵入造成的雷電電磁脈沖(LEMP)是控制設(shè)備損壞的主要原因。因此，只有了解其形成過(guò)程，尋求有效地防護(hù)措施，才能減少雷電帶來(lái)的損失。

按照電力設(shè)計(jì)規(guī)范，水電廠升壓站內(nèi)一般都安裝有避雷針、避雷網(wǎng)或避雷帶等防直擊雷措施，并且均采取了聯(lián)合接地的方式。從形式上看，其已具備了良好的防雷和抗外界電磁干擾的性能，然而，二次設(shè)備為什么有時(shí)還會(huì)遭受過(guò)壓過(guò)流而損壞呢?甚至還會(huì)對(duì)操作維護(hù)人員的人身構(gòu)成威脅呢?分析其原因:這是由于當(dāng)發(fā)生雷電時(shí)，帶電的云層會(huì)在站內(nèi)二次設(shè)備上產(chǎn)生感應(yīng)電荷或雷電感應(yīng)通過(guò)通信或電源線路侵入，如果天線和通信線纜與大地之間泄流通路不暢，就會(huì)由于感應(yīng)在天線和線纜與大地之間產(chǎn)生的高電位而引起過(guò)電壓，致使通信設(shè)施無(wú)法承受強(qiáng)電流的侵入而損壞，甚至?xí)＜安僮魅藛T的人身安全。

1 雷電入侵水電廠升壓站建筑物內(nèi)設(shè)備的途徑分析

水電廠升壓站內(nèi)的建筑物一般不超過(guò)3層(地面以上)，屬二類(lèi)防雷建筑物，但由于水電廠升壓站設(shè)備處在一個(gè)強(qiáng)電和弱電系統(tǒng)形成的錯(cuò)綜復(fù)雜的電磁環(huán)境中，高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備的操作切換、雷電閃擊、一次設(shè)備短路接地、二次回路切換、人員及鄰近物體的靜電放電和無(wú)線電輻射等產(chǎn)生的電磁干擾可能通過(guò)各種耦合進(jìn)入二次系統(tǒng)形成浪涌和過(guò)電壓。其中雷擊在線路上引起的上萬(wàn)伏的過(guò)電壓、過(guò)電流及極強(qiáng)的交變電磁場(chǎng)是損壞建筑物內(nèi)設(shè)備的主要原因。雷電入侵建筑物內(nèi)設(shè)備的途徑有配電線路、通信線路、雷擊電磁場(chǎng)、地反擊等四種途徑，具體分析如下。

1.1 配電線路引入的雷電過(guò)電壓

雷電波通常是通過(guò)水電廠升壓站臨近的線路侵入母線，再經(jīng)過(guò)變壓器高、低壓繞組間的靜電和電磁耦合進(jìn)入低壓出線，途中經(jīng)過(guò)了線路避雷器、母線避雷器等多級(jí)削峰，再經(jīng)過(guò)變壓器低壓出線的平波作用使電壓幅值大為下降。但由于雷電波的波峰幅值和能量很大，雖然雷電波在經(jīng)過(guò)上述避雷器后大部分能量得以消除，但仍有部分雷電波以幅值相對(duì)很高且作用時(shí)間很短的低能量尖峰脈沖的形式通過(guò)變壓器的低壓出線加到水電廠升壓站內(nèi)所有的380 V 交流回路中。

220 V 等直流線路因進(jìn)出高壓場(chǎng)等原因，也是引入雷電的主要線路之一。

1.2 通信線路引入雷擊

通信線路(通信線路一般包括一般有載波線、電話線、控制線等)由于水電廠升壓站的通信電纜出線較長(zhǎng)，感應(yīng)雷電通過(guò)遠(yuǎn)控系統(tǒng)電纜及信號(hào)電纜侵入，以很高的電壓直接加在二次設(shè)備上，該過(guò)電壓輕則使設(shè)備加速老化，重則直接將設(shè)備損壞。對(duì)于電力系統(tǒng)來(lái)講，RS485、RJ45網(wǎng)線、GPS 及微波載波等饋線等都是引入雷電的通信線路。

1.3 雷電電磁場(chǎng)

上述兩條途徑是有型的看到的途徑，而電磁場(chǎng)是空間傳播的、看不到的東西，此處所述的雷電電磁場(chǎng)是指雷擊引起的室內(nèi)的電磁場(chǎng)，該電磁場(chǎng)使室內(nèi)的線路感應(yīng)到過(guò)電壓，該過(guò)電壓直接傳到設(shè)備，該電磁場(chǎng)也可使設(shè)備內(nèi)PCB 板上的線路或器件感應(yīng)到過(guò)電壓，使設(shè)備損壞。實(shí)驗(yàn)表明:設(shè)備(包括設(shè)備近距離的連接線)處在2.4 GS 的電磁場(chǎng)中時(shí)設(shè)備會(huì)永久性損壞，設(shè)備(包括設(shè)備的近距離連接線)處在0.07 GS 的電磁場(chǎng)中時(shí)設(shè)備會(huì)產(chǎn)生誤動(dòng)作。說(shuō)到底，雷電電磁場(chǎng)的危害最終還是使設(shè)備及線路感應(yīng)到過(guò)電壓。對(duì)于電力系統(tǒng)來(lái)講，電力建筑物內(nèi)的鋼筋(當(dāng)作引下線用)、水電廠升壓站布線層內(nèi)進(jìn)出高壓場(chǎng)地的各種線路都是雷電電磁場(chǎng)的產(chǎn)生源。

1.4 地反擊

當(dāng)水電廠升壓站或線路遭受雷擊后，雷電流會(huì)經(jīng)避雷裝置流人接地網(wǎng)，如果接地網(wǎng)的接地電阻偏大或接地網(wǎng)的均壓效果不好時(shí)，在強(qiáng)大的雷電流作用下，會(huì)使接地網(wǎng)的局部電位顯著抬高，并由此導(dǎo)致地電位對(duì)設(shè)備反擊而損壞設(shè)備。

從安全及運(yùn)行穩(wěn)定等角度考慮，電氣設(shè)備必須接地;如果雷擊時(shí)，設(shè)備的接地線路為高電位，而設(shè)備的某處因某種原因?yàn)榈碗娢粫r(shí)，則地線對(duì)設(shè)備上該點(diǎn)的電位差全部由設(shè)備承受，這實(shí)際上就是地線對(duì)設(shè)備某點(diǎn)的過(guò)電壓，該過(guò)電壓輕則使設(shè)備加速老化，重則直接將設(shè)備損壞。地反擊是設(shè)備接地線路對(duì)設(shè)備某點(diǎn)的電位差，如果設(shè)備不存在低電位點(diǎn)則不存在電位差，單是地線高電位只能說(shuō)是“水漲船高”。沒(méi)有電位差，也就沒(méi)有過(guò)電壓(在電磁學(xué)里，電位差稱(chēng)電壓)，當(dāng)然設(shè)備也就不會(huì)損壞。單獨(dú)的一臺(tái)設(shè)備與外部沒(méi)有任何導(dǎo)體連接時(shí)為高阻狀態(tài)，此時(shí)，設(shè)備接地線為高電位，也不會(huì)存在電位差。一般來(lái)講，設(shè)備接地線高電位對(duì)設(shè)備外接的配電線路、通信線等有電位差。說(shuō)到底，地反擊實(shí)際上就是地線與電源等線路之間產(chǎn)生了過(guò)電壓。對(duì)于電力系統(tǒng)來(lái)講，因采用共用接地方式而不存在地與地之間的反擊，但地線對(duì)電源線、通信線之間則是存在反擊的，這也相當(dāng)于是電源與通信線引入了雷電。

2 感應(yīng)雷防護(hù)現(xiàn)狀

就以上幾方面原因我公司對(duì)所屬的天龍湖、金龍?zhí)?、仙女堡電廠進(jìn)行了詳細(xì)的勘測(cè)，參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，弱電系統(tǒng)均無(wú)防感應(yīng)雷措施，具體分析如下:

(1)配電系統(tǒng):電力線是雷電進(jìn)入電子設(shè)備的主要途徑，水電廠升壓站站內(nèi)用電進(jìn)入主控室和載波機(jī)房的配電系統(tǒng)必須采取安全、可靠的防雷保護(hù)措施，在水電廠站內(nèi)總交流配電屏、直流總饋電柜、站內(nèi)后臺(tái)機(jī)的UPS 配電均沒(méi)有安裝電源浪涌保護(hù)器，只是在通信機(jī)房?jī)?nèi)的-48 V 直流電源前廠家配置了直流48 V 的保護(hù)器。

(2)通信系統(tǒng):通信信號(hào)線是與外界實(shí)現(xiàn)通信聯(lián)系的主要途徑，這些與外界聯(lián)系的通信線路與機(jī)房的終端設(shè)備相接，如果是架空敷設(shè)的，遭受雷擊的概率非常大。水電廠升壓站主控室的通信系統(tǒng)主要有:載波線、GPS 天饋線、RS485信號(hào)控制線、RS232信號(hào)控制線、CAN 網(wǎng)電纜連接到10 kV 饋線測(cè)控、RS422連接到后臺(tái)監(jiān)控主機(jī)電纜、電話撥號(hào)音頻與MODEM 相連接線，以上的連接電纜會(huì)受其它線路相互感應(yīng)的影響較易感應(yīng)到電流，感應(yīng)雷電的幾率較大，沒(méi)有安全、有效的防雷保護(hù)措施。

(3)交流采樣、開(kāi)關(guān)量回路:TV 和TA 二次線從戶(hù)外高電壓場(chǎng)引入到主控室的各種二次設(shè)備，沒(méi)有防雷保護(hù)措施，極易從一次系統(tǒng)感應(yīng)雷擊。還有開(kāi)關(guān)場(chǎng)的開(kāi)關(guān)量經(jīng)直流220 V 或48 V 引入到保護(hù)裝置和監(jiān)控后臺(tái)機(jī)。提供開(kāi)關(guān)、刀閘等供保護(hù)裝置和監(jiān)控及五防使用，該類(lèi)引線較易感應(yīng)到雷電流，感應(yīng)雷電的幾率較大，無(wú)有效的防雷保護(hù)措施。

(4)地電位反擊:各電廠升壓站主建筑均采用共地方式，因此，不存在地與地之間的反擊而損壞弱電設(shè)備。

3 天龍湖、金龍?zhí)?、仙女堡電廠升壓站二次系統(tǒng)的防雷措施

3.1 配電線路部分

一個(gè)完善的水電廠升壓站配電線路的防護(hù)方案應(yīng)從總交流配電、直流配電、重要設(shè)備配電等全面考慮。

對(duì)交流電源實(shí)行三級(jí)防雷保護(hù)。

第一級(jí)安裝在站用變400 V 進(jìn)線柜母線側(cè)，即在變電器的低壓側(cè)加裝間隙型浪涌保護(hù)器，泄放大部分入侵水電廠升壓站的雷電流。

第二級(jí)站內(nèi)總交流配電屏內(nèi)的380 V 線路分別安裝一臺(tái)三相電源防雷器，防止雷擊過(guò)電壓從交流配電線進(jìn)入中控室的二次設(shè)備。

第三級(jí)分直流和交流防雷。直流第三級(jí)防雷裝置安裝在站內(nèi)裝置柜內(nèi)，如各類(lèi)保護(hù)柜、測(cè)控柜、故障錄波裝置、安穩(wěn)及其它自動(dòng)裝置、通信直流電源柜等;交流第三級(jí)防雷裝置安裝在站內(nèi)裝置柜內(nèi)的交流電源上，如UPS 電源上。

3.2 信號(hào)線路

(1)載波線防雷:在載波到通信柜柜前安裝雙絞線信號(hào)浪涌保護(hù)器，防止載波線路在高壓場(chǎng)地感應(yīng)雷電進(jìn)入機(jī)房，對(duì)設(shè)備構(gòu)成危害。

(2)通信線防雷:在通信線進(jìn)入設(shè)備前串接信號(hào)浪涌保護(hù)器，抑制沿線路傳導(dǎo)的過(guò)電壓對(duì)設(shè)備造成的危害，可滿(mǎn)足ADSL，ISDN，DDN 幀中繼，模擬電話線等多種通信線路的防雷保護(hù)。

(3)天饋線防雷:對(duì)擁有帶BNC 或N 接頭的連接收發(fā)器GPS 時(shí)鐘系統(tǒng)，在同軸進(jìn)入同步裝置前串接高頻饋線防雷器，防止天饋線從戶(hù)外引入雷擊過(guò)電壓進(jìn)入設(shè)備，對(duì)設(shè)備構(gòu)成危害。

(4)設(shè)備間通信線路防雷:水電廠升壓站二次設(shè)備間通信主要采用RS485、RS232 RS422，CAN 等方式。主要是通過(guò)感應(yīng)雷擊產(chǎn)生的過(guò)電壓擊毀通信端口或引起設(shè)備集成電路芯片損壞。在通信口的兩端口分別安裝相應(yīng)的信號(hào)避雷器。

(5)TV 二次回路防雷:水電廠升壓站TV 二次電壓進(jìn)入保護(hù)裝置一般都采取了一定的防雷措施，如電抗器隔離、光耦隔離等。

3.3 接地、屏蔽系統(tǒng)

規(guī)范水電廠升壓站設(shè)備的接地、屏蔽工作，是提高二次設(shè)備防雷水平的最直接、最有效的措施:

(1)水電廠升壓站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)及其它二次設(shè)備應(yīng)采用共地系統(tǒng)，接入水電廠全廠主接地網(wǎng)。

(2)主控室接地網(wǎng)將各盤(pán)柜內(nèi)地線通過(guò)接地銅排首尾相連形成環(huán)網(wǎng)，接地銅排截面積不小于100 mm2。

(3)需要接到各接地網(wǎng)的二次設(shè)備主要有:自動(dòng)化設(shè)備機(jī)箱、保護(hù)、測(cè)控裝置機(jī)箱，自動(dòng)化系統(tǒng)、保護(hù)、測(cè)控裝置的隔離變壓器(如采樣系統(tǒng)用的測(cè)量TA 和TV，直流逆變電源隔離變等)屏蔽層，二次電纜屏蔽層、鎧裝層(采用兩端接地方式)，后臺(tái)監(jiān)控計(jì)算機(jī)機(jī)箱、UPS 電源機(jī)箱。二次設(shè)備盤(pán)柜(如保護(hù)屏、測(cè)控屏)、端子箱應(yīng)直接接地。線路TA 和CVT 二次回路采用就近接地，母線TA，CVT 二次回路采用主控室接地，與母線TA和CVT 二次回路有電聯(lián)系的所有TA 和CVT 二次回路應(yīng)共同一點(diǎn)在主控室接地。

4 結(jié)語(yǔ)

筆者針對(duì)綜合自動(dòng)化設(shè)備，通過(guò)對(duì)雷電波入侵途徑進(jìn)行分析，結(jié)合當(dāng)今弱電防雷技術(shù)，探討了水電廠升壓站二次系統(tǒng)的防雷措施。在強(qiáng)調(diào)現(xiàn)有水電廠升壓站二次設(shè)備接地和屏蔽的重要性的同時(shí)，又突出了現(xiàn)代防雷設(shè)備在綜合自動(dòng)化系統(tǒng)防雷上的應(yīng)用，措施有效，提高了綜合自動(dòng)化系統(tǒng)二次設(shè)備的防雷水平，確保了系統(tǒng)的安全運(yùn)行。