水電站自動(dòng)化系統(tǒng)防雷設(shè)計(jì)探究

楊志強(qiáng)

元江縣水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院 云南省 玉溪市 元江縣 653300

摘要：隨著我國(guó)科技和經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，在用電上也越來(lái)越自動(dòng)化，在科學(xué)技術(shù)進(jìn)步的同時(shí)，我國(guó)多種類(lèi)型的水電站都引入了微型計(jì)算機(jī)控制的自動(dòng)化系統(tǒng)。這些計(jì)算機(jī)控制的水電站設(shè)備由于采用高度的集成單元和電路，對(duì)于短時(shí)過(guò)電壓的設(shè)備承受承受能力較低，成為了水電站受損的主要原因。本篇文章主要分析了在水電站自動(dòng)化系統(tǒng)中出現(xiàn)的雷電干擾的主要方式，并且提出了自動(dòng)化系統(tǒng)中防雷電的措施和方法，以供參考。

關(guān)鍵詞：水電站；自動(dòng)化系統(tǒng)；防雷設(shè)計(jì)；探究

我國(guó)實(shí)際測(cè)量到的雷電最大流量為200kA/s，通常情況下雷電流量是低于100kA/s的，這么大的電流無(wú)論是對(duì)于高層的建筑結(jié)構(gòu)還是水電站設(shè)備，都會(huì)對(duì)供電設(shè)備造成干擾現(xiàn)象。為了保證水電站可靠、安全運(yùn)行，除了在水電站軟件、硬件等方面采用可靠的防雷設(shè)備，還要針對(duì)水電站自身的情況，進(jìn)行防雷設(shè)計(jì)。

一、雷電干擾水電站自動(dòng)化系統(tǒng)的主要方式

雷電災(zāi)害的特征是由二維空間向三維空間入侵，從過(guò)電壓波到內(nèi)電擊沿線路傳輸，變?yōu)榭臻g閃電中的脈沖電磁場(chǎng)，使雷電從三維空間中擊入到每一個(gè)部分，對(duì)水電站造成嚴(yán)重?fù)p壞，水電站的防雷干擾從感應(yīng)雷、直擊雷轉(zhuǎn)換為防止雷電電磁脈波的沖擊[1]。

（一）從電源線路中侵入

雷電干擾進(jìn)入電源線路設(shè)備的主要方式有：電容耦合、電磁耦合以及直接進(jìn)入三種方式。

1、電容耦合

電容耦合就是當(dāng)電源線路的距離和其它供電設(shè)備的導(dǎo)線距離很近時(shí)，雷電沿著線路進(jìn)入到電源設(shè)備后，電源導(dǎo)線的電場(chǎng)通過(guò)電容耦合效應(yīng)對(duì)水電站附近的供電設(shè)備線路產(chǎn)生電容感應(yīng)，電容耦合的線路情況如下圖所示：

電容耦合線路類(lèi)型

2、電磁耦合

在用電裝置、電氣設(shè)備和電子設(shè)備中，為了方便固定和檢查，通常會(huì)把各種連接的導(dǎo)線捆扎成電纜，電纜內(nèi)存在著不同程度的電磁耦合。當(dāng)雷電沿著電源線進(jìn)行傳播時(shí)，依據(jù)耦合感應(yīng)的原理可以知道：電源線和其它的設(shè)備相互連接時(shí)，各個(gè)導(dǎo)線之間有磁場(chǎng)耦合，嚴(yán)重的時(shí)候可以導(dǎo)致各個(gè)設(shè)備之間遭到干擾，致使線路的性能降低或者不能正常工作[2]。

3、直接進(jìn)入

直接進(jìn)入是雷電直接把電源線擊中，通過(guò)所有的電源進(jìn)入到二次供電回路中，雷電產(chǎn)生的高壓會(huì)給供電線路帶來(lái)致命的損壞，例：以最大的雷電電流量100Ka/ms計(jì)算，在長(zhǎng)十米的單根引線上，電感電壓將會(huì)達(dá)到1MV之上[3]。實(shí)際情況下，因?yàn)橛须姇瀻?lái)的損耗，會(huì)適當(dāng)?shù)慕档碗妷?，但是雷電也?huì)直接的損毀水電站中大部分供電設(shè)備。

（二）從地電位中侵入

當(dāng)雷電電擊經(jīng)過(guò)避雷器或者避雷針的接地引下線進(jìn)入到水電站中，水電站中控室的接地網(wǎng)再次經(jīng)過(guò)接地網(wǎng)地面時(shí)，因?yàn)橄㈦娢坏姆植疾痪鶆颍蜁?huì)導(dǎo)致接地網(wǎng)局部會(huì)升高電位，而地網(wǎng)旁的電纜通常情況下會(huì)有控制、通信、計(jì)量或者二次保護(hù)等供電設(shè)備的弱壓電纜，這個(gè)電位差會(huì)在電纜的屏蔽層內(nèi)出現(xiàn)表皮電流，表皮電流通過(guò)芯線（屏蔽層中的耦合）對(duì)電纜芯線出現(xiàn)的干擾電壓，對(duì)二次供電設(shè)備造成干擾[4]。由于干擾方式不同，干擾的類(lèi)別可分為差模干擾和共模干擾。出現(xiàn)差模干擾是正常信號(hào)和信號(hào)回路中電壓相互串聯(lián)的一種磁場(chǎng)耦合。出現(xiàn)工模干擾是由于電纜的導(dǎo)線（電源線、信號(hào)線）和地線中的干擾造成的，通常情況下是因?yàn)榈鼐W(wǎng)中的地電結(jié)升高導(dǎo)致的。

雷電的放電參數(shù)有兩個(gè)：第一個(gè)是雷電流起到了主要的破壞作用，電流是幾十安至數(shù)百安，而且作用的時(shí)間極短，第二個(gè)是和雷電電流的上升速度有關(guān)，在一般情況下被稱(chēng)為陡度，數(shù)值在1至80KA之間。雷電對(duì)于水電站中供電設(shè)備的影響是兩個(gè)或以上的放電特征引起的，可以分為感應(yīng)雷影響和直擊雷影響。

感應(yīng)雷對(duì)水電站供電設(shè)備的不利因素主要為：雷電反擊、電磁感應(yīng)、靜電感應(yīng)等破壞作用。直擊雷影響對(duì)水電站供電設(shè)備的不利影響主要是雷電沖擊波破壞供電設(shè)備、熱效應(yīng)破壞供電設(shè)備、電效應(yīng)破壞供電設(shè)備。

二、水電站供電設(shè)備防雷設(shè)計(jì)研究

（一）通訊線防雷

水電站自動(dòng)化控制系統(tǒng)的通訊線通常情況下使用特制的屏蔽線，而且在安裝的時(shí)候都是電纜溝或者穿管直埋進(jìn)行鋪設(shè)，因此在雷電擊害時(shí)對(duì)于此部分的電壓感應(yīng)不高。但是因?yàn)槭侵苯勇袢氲?，是?jì)算機(jī)通訊口的薄弱環(huán)節(jié)，所以遭受的損壞也會(huì)比較大。通訊頻率或者計(jì)算機(jī)交換數(shù)據(jù)都是直流到數(shù)十赫茲流量，在選取避雷器的時(shí)候除非要做特殊的處理，通常情況下是不使用氧化物的避雷器的，由于氧化物避雷器分布電容比較大，所以對(duì)高頻供電設(shè)備的損壞也比較大。在選取此種類(lèi)型的避雷器時(shí)，要以速率或者通信頻率來(lái)確定，對(duì)高頻訊號(hào)設(shè)備要使用特殊設(shè)計(jì)的防雷器保證與該系統(tǒng)阻抗相互對(duì)應(yīng)，否則會(huì)出現(xiàn)信號(hào)反射現(xiàn)象。選擇避雷器應(yīng)該接近通訊的接口處進(jìn)行安裝工作，主要目的是減少反射損耗，網(wǎng)絡(luò)通訊線路最好的防雷方式是使用光纖網(wǎng)絡(luò)。

（二）建筑物控制室防雷

控制室是控制供電設(shè)備的信息中心，很多有價(jià)值的儀器儀表、通訊設(shè)備、計(jì)算機(jī)設(shè)備，是水電站的調(diào)度、生產(chǎn)監(jiān)控中心，所以對(duì)于防雷的要求要更高?？刂剖覂?nèi)應(yīng)該敷設(shè)均勻壓帶并且圍繞供電機(jī)房敷設(shè)環(huán)形的接地母線，主要目的是形成均壓等電位屏蔽[5]。有控制室的建筑物應(yīng)該安裝避雷網(wǎng)和避雷帶，僅安裝避雷針在水電站中防雷中的效果并不佳，由于水電站控制室內(nèi)的建筑物高度較低，所以地勢(shì)比較寬曠，接近水源，容易受到來(lái)自各個(gè)方向的雷電擊害?？刂剖宜诘慕ㄖ锝拥鼐€組應(yīng)該小于10歐。室內(nèi)控制室的設(shè)備、計(jì)算機(jī)應(yīng)該盡量的放置在遠(yuǎn)離避雷針導(dǎo)線金屬體的地方。

（三）防止地電位干擾

為了可以減少由于雷電引起的損壞電位差，防止雷電干擾的方法有：金屬屏蔽接地、等電位連接、升高局部電位等。

現(xiàn)代的防雷理論主要是使用等電位連接，水電站自動(dòng)化系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)的電位連接主體有：電子設(shè)備構(gòu)成的供電系統(tǒng)、防雷裝置、供電線路、可以進(jìn)入建筑物內(nèi)的金屬管道等系統(tǒng)。在防雷設(shè)計(jì)上應(yīng)該采取導(dǎo)線連接和線夾在排座連接時(shí)地等電位連接，需要的時(shí)候可以使用浪涌保護(hù)器進(jìn)行等電位連接[6]。通過(guò)星形的結(jié)構(gòu)把設(shè)備在最短的時(shí)間、距離內(nèi)連接到相鄰地連接板等電位中。供電設(shè)備的外部接地交流電源中性點(diǎn)接地、電纜屏蔽層接地以及直流工作層接地。在同一個(gè)屏蔽柜中使用一個(gè)公共的接地端子，接地銅線的面積尺寸要超過(guò)35毫米。

結(jié)語(yǔ)：

綜上所述，本篇文章對(duì)現(xiàn)代水電站自動(dòng)化運(yùn)營(yíng)中雷電侵入的方式進(jìn)行了分析，在水電站自動(dòng)化的防雷設(shè)計(jì)中使用合理科學(xué)的措施，確保水電站自動(dòng)化系統(tǒng)的可靠、安全運(yùn)營(yíng)。

參考文獻(xiàn)：

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