水利電力自動化系統(tǒng)防雷措施分析

紫金縣水利水電勘測設(shè)計(jì)室

摘要：水利電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行關(guān)系到千千萬萬老百姓的生命財(cái)產(chǎn)安全。為保證其大型設(shè)備的安全運(yùn)行，尤其是在雷雨頻發(fā)季節(jié)的安全可靠運(yùn)行，必須努力提高電氣自動化系統(tǒng)的防雷等級。本文結(jié)合多年的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在簡單介紹瞬間過電壓和電磁干擾的基礎(chǔ)上介紹幾點(diǎn)防雷保護(hù)措施，供同行參考。

關(guān)鍵詞：防雷；電氣自動化；瞬間過電壓；接地

電氣自動化技術(shù)的發(fā)展使其在電力系統(tǒng)、民用建筑、水利工程等領(lǐng)域的運(yùn)用越來越廣泛，越來越多的水利電力建立起自動化監(jiān)測系統(tǒng)，及時為水利電力的管理提供監(jiān)測信息，有效提高了水利電力的管理水平，在推動水利電力系統(tǒng)安全運(yùn)行上起到重要作用。因此，必須構(gòu)建高質(zhì)量的水利水電工程電力自動化系統(tǒng)，保證其安全運(yùn)行。水利電力系統(tǒng)多建立在山區(qū)，在雷雨天氣里很容易發(fā)生雷擊事故，所以必須重視自動化系統(tǒng)的防雷保護(hù)。

1 水利電力自動化系統(tǒng)瞬間過電壓

1.1 雷電造成的瞬間過電壓

瞬間過電壓即指：微秒乃至毫微秒之內(nèi)產(chǎn)生的尖峰沖擊電壓，如圖1所示。這種尖峰沖擊電壓與一般的電源過電壓有所不同，因?yàn)殡娫催^電壓可能維持?jǐn)?shù)秒以上，且電壓幅值不大，而這種尖峰沖擊電壓的幅值非常高可能發(fā)生在電源系統(tǒng)和信號系統(tǒng)中。

圖1 瞬間過電壓

雷電、靜電、輻射等自然因素和人為因素都可能導(dǎo)致瞬間過電壓的產(chǎn)生，而雷電造成的瞬間過電壓極有可能導(dǎo)致電氣系統(tǒng)事故。當(dāng)設(shè)備或電氣線路遭受直接雷擊，全部雷電流都需要經(jīng)過設(shè)備或線路進(jìn)入大地，巨大的雷電流給設(shè)備和線路造成巨大的沖擊，進(jìn)而帶來嚴(yán)重雷擊事故的發(fā)生。當(dāng)雷擊放電時，雷云與大地之間的電流，在雷電周圍形成強(qiáng)大的電磁場，在電磁感應(yīng)的作用下對保護(hù)物產(chǎn)生感應(yīng)過電壓，其電壓幅值與雷電流幅值成正比。這種雷電壓既會造成對人體的二次放電，還會給電力系統(tǒng)以及設(shè)備造成重大破壞。

1.2 電力系統(tǒng)的電磁干擾

雷電是電磁干擾的外部來源之一，其傳播途徑有傳導(dǎo)干擾和輻射干擾兩種，傳導(dǎo)干擾借助干擾源和被干擾設(shè)備之間的公共阻抗傳播，輻射干擾借助電磁波實(shí)現(xiàn)傳播。當(dāng)然，輻射干擾與傳導(dǎo)干擾二者之間是可以相互轉(zhuǎn)換的，如：雷電的泄放也就是傳導(dǎo)干擾與輻射干擾的相互轉(zhuǎn)換，如圖2所示。

圖2 雷電流侵入導(dǎo)線回路

2水利電力自動化系統(tǒng)防雷措施

2.1 一般設(shè)備房的三級防雷系統(tǒng)

一級防雷：在靠近動力電源輸入線的輸入端安裝氣體放電管，利用這些防雷裝置將數(shù)萬伏的電壓降到五千伏以內(nèi)，使得通過線路的直擊雷、感應(yīng)雷、傳導(dǎo)雷等的電壓有效降低，對電氣系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)第一層輸入端的防雷保護(hù)。

二級防雷：將低壓避雷器安裝在與氣體放電管相距10m以上的位置，進(jìn)一步降低雷電過電壓，使其降到兩千伏以內(nèi)。

三級防雷：在電子控制系統(tǒng)附近安裝齊納二極管或低通濾波器，起到控制雷電流幅值的效果，對前面兩級防雷系統(tǒng)控制后的雷電壓進(jìn)行進(jìn)一步衰減和處理，對設(shè)備房起到良好的防雷保護(hù)效果，以免雷擊對設(shè)備房產(chǎn)生重大破壞，保證水利工程的電氣自動化系統(tǒng)能正常穩(wěn)定運(yùn)行。

2.2 接地和屏蔽

合理的接地是電氣自動化系統(tǒng)防雷的最終措施，切不可掉以輕心。接地的作用就是完成雷電壓的泄放。在水利工程中，構(gòu)筑物、配電系統(tǒng)、強(qiáng)電設(shè)備、計(jì)算機(jī)自動監(jiān)控系統(tǒng)等都需要合理的接地，否則的話就可能使雷擊通過接地網(wǎng)對電氣系統(tǒng)造成嚴(yán)重反擊。接地的關(guān)鍵點(diǎn)在于接地電阻，應(yīng)在經(jīng)濟(jì)合理的前提下盡量降低接地電阻。水利工程的泵站、涵閘中控室、控制設(shè)備等動力裝置的接地系統(tǒng)應(yīng)與防雷系統(tǒng)連接起來，在中控室敷設(shè)均壓帶，并圍繞機(jī)房敷設(shè)一個環(huán)形接地母線，對于需要另設(shè)接地網(wǎng)的電氣設(shè)備，其接地網(wǎng)與工程接地網(wǎng)之間運(yùn)用放電器連接起來，既保證雷擊時的均衡電位，又保證正常運(yùn)行時的相互隔離。

用帶屏蔽層的雙絞屏蔽電纜作為自動化控制系統(tǒng)的通電氣自動化系統(tǒng)中的部分設(shè)備對屏蔽的要求較高時，需要輻射金屬屏蔽網(wǎng)，將屏蔽網(wǎng)與接地母線的各個節(jié)點(diǎn)連接起來。站內(nèi)終端桿引信信號電纜，分開排放強(qiáng)電導(dǎo)線與通信信號線，保證電纜屏蔽層的接地只有一點(diǎn)。當(dāng)下后的架空電力線選用屏蔽電纜，且保證屏蔽層兩端的合理接地。

2.3 二次回路過電壓保護(hù)措施

電氣自動化系統(tǒng)中的遙測通道需要采集大量的模擬量，這些模擬量來自一次系統(tǒng)的電壓互感器和電流互感器；采集的開關(guān)量則是斷路器、隔離開關(guān)等，這些均處于強(qiáng)電回路，電磁干擾非常強(qiáng)，必須通過耦合元件、繼電器、隔離變壓器等實(shí)現(xiàn)隔離。采用隔離變壓器時，在一次隔離變壓器與二次之間設(shè)置隔離層或是屏蔽層，且保證隔離層的安全接地，起到電場屏蔽隔離的效果。采用耦合元件時，在開關(guān)量模塊的出入口各設(shè)置一級光電隔離，提高隔離效果。二次回路布線時，先設(shè)置隔離層，以免互感耦合產(chǎn)生，避免干擾的侵入。由于避雷針、避雷器、電容式電壓互感器等位置是高頻暫態(tài)電流的入接點(diǎn)，故而應(yīng)時控制電纜盡可能的遠(yuǎn)離他們，從而起到減少感應(yīng)耦合的作用。

2.4 抗干擾措施

首先，選用抗干擾性能優(yōu)良的設(shè)備，比如：用帶光電隔離的長線收發(fā)器來取代傳送RS-232數(shù)字信號的調(diào)制解調(diào)器。調(diào)制解調(diào)器的輸入輸出端元件為音頻變壓器，它能實(shí)現(xiàn)低頻與直流信號的電氣隔離，但對高頻信號卻起不到多大作用，而雷電對設(shè)備產(chǎn)生的干擾為高頻信號，所以，調(diào)制解調(diào)器的防雷效果不好。帶光電隔離的長線收發(fā)器對所有的信號都有良好的電氣隔離效果，故而選其取代調(diào)制解調(diào)器能起到優(yōu)良抗雷擊效果。

其次，合理安排自動化設(shè)備的位置。水利水電工程的電氣自動化系統(tǒng)中的自動化設(shè)備多安裝在高壓室中，通過RE-485等實(shí)現(xiàn)與服務(wù)器的通信連接，因此，系統(tǒng)運(yùn)行過程中容易受到電磁干擾，嚴(yán)重時對系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重危害，因此，我們一般在主控室中集中組屏，減少干擾源，為設(shè)備的運(yùn)行提供優(yōu)質(zhì)環(huán)境。

2.5 選用瞬態(tài)電壓抑制器-TVS管

瞬態(tài)電壓抑制器能對瞬態(tài)電壓產(chǎn)生一個強(qiáng)大的反瞬態(tài)電壓沖擊，將其兩極間的高阻抗轉(zhuǎn)變成低阻抗，吸收浪涌脈沖回路，保護(hù)線路上的精密元件，使其免受浪涌脈沖的影響。將TVS管安裝在電源線上，防止微機(jī)處理器因瞬間的脈沖造成失靈情況。將TVS管安裝在信號線上，能減少控制總線受到的噪音影響，對保護(hù)裝置免受雷電等電磁波干擾的效果非常好，是微電子設(shè)備過電壓保護(hù)的首要器件。正是由于TVS管具有瞬態(tài)功率大、抗干擾性好、漏電流低、體積小等優(yōu)點(diǎn)，其在水利電力系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。

2.6 綜合防雷措施

在水利水電工程的電氣自動化系統(tǒng)中，防雷系統(tǒng)應(yīng)遵循“整體防御、綜合治理、多重保護(hù)”的原則，除了采用前面說到的幾點(diǎn)防雷措施外，還要注意避雷器的安裝使用，在配電變壓器的高低側(cè)安裝金屬氧化避雷器，對控制線、通訊線等安裝過電壓保護(hù)，做好建筑和電氣設(shè)備的防雷接地，提高電氣自動化系統(tǒng)的防雷水平。

結(jié)束語

降低雷電對水利電力設(shè)備的損壞程度，最佳方式是減少雷擊情況，雖然說在設(shè)計(jì)電氣自動化系統(tǒng)時無法預(yù)測雷云可能擊打的位置以及時間，但是我們可以在綜合分析的基礎(chǔ)上做好系統(tǒng)的防雷工作，能地埋的線路絕不架空，能不抬高的設(shè)備絕不抬高，能安裝在室內(nèi)的設(shè)備絕不安裝在室外。盡量減少雷云直接擊打設(shè)備、線路情況的發(fā)生，提高電氣自動化系統(tǒng)的安全度，使水利電力自動化系統(tǒng)發(fā)揮更好效益，促使水利電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

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