雷擊對變電所電子設(shè)備的危害及其防護(hù).doc

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行業(yè)資料：________ 雷擊對變電所電子設(shè)備的危害及其防護(hù) 單位：______________________ 部門：______________________ 日期：______年_____月_____日 第 1 頁 共 13 頁 雷擊對變電所電子設(shè)備的危害及其防護(hù) 【摘要】：文章從變電所電子設(shè)備受雷擊影響談起,呼吁從事變電工作者應(yīng)當(dāng)對其引起重視。作者針對遼寧地區(qū)的實(shí)際情況,分別采取分區(qū)、分級以及重點(diǎn)防護(hù),對不同雷擊現(xiàn)象進(jìn)行了分析和研究,最后總結(jié)出一套防雷的可防范措施。 【關(guān)鍵詞】：雷擊防雷電子設(shè)備變電所 一、前言 人類社會(huì)步入信息時(shí)代，各類先進(jìn)的電子設(shè)備由于大量和廣泛的運(yùn)用，其遭受雷擊危害機(jī)率大大增加。尤其是變電所內(nèi)電子設(shè)備，依附于處在受避雷針保護(hù)范圍內(nèi)的一次設(shè)備，受雷擊影響概率更大。且采用傳統(tǒng)防雷措施，其防護(hù)多有不當(dāng)，應(yīng)當(dāng)引起重視。 二、雷擊危害的幾種方式 2.1雷的直擊和繞擊 雷云單體浮在大地上空，其所帶電荷拖著地表相反電荷猶如一個(gè)影子隨風(fēng)移動(dòng)。如果途經(jīng)變電所的避雷針或地表其它突出物，地電荷會(huì)導(dǎo)致突出物頂端電場畸變集中。閃電開始之前先是雷云底部的始發(fā)先導(dǎo)按間歇分級躍進(jìn)方式向地表發(fā)展，當(dāng)距地面50～100m時(shí)，由避雷針等地表突出物電場畸變集中的地方產(chǎn)生垂直向上的迎面先導(dǎo)。兩者相接，進(jìn)入直擊或繞擊的主放電階段。 通常當(dāng)?shù)孛嫔贤怀鑫锏母叨葹閔，雷云正下方的平均電場強(qiáng)度大于和等于580h-0.7kV/m時(shí)，則該突出物將容易受到直擊雷。原因是高為h的避雷針可影響雷云單體向下的始發(fā)先導(dǎo)發(fā)展方向的半徑，用公式表述為:R=16.3h0.61m。該式還表明，地表安裝獨(dú)立避雷針后，將會(huì)在其附近出現(xiàn)大量的散擊，甚至對避雷針進(jìn)行直擊，對受避雷針保護(hù)范圍內(nèi)的物體進(jìn)行繞擊。[1] 一次雷擊主放電一般為幾萬安培到十幾萬安培。瞬間高熱和電動(dòng)力，會(huì)造成混凝土桿炸裂，小截面金屬熔化，引起火災(zāi)和大爆炸，金屬導(dǎo)體連接部分?jǐn)嗔哑茡p，建筑物倒坍，電氣設(shè)備損壞。 2.2雷電反擊 直擊雷電流通過地表突出物的電阻入地散流。假如地電阻為10Ω，一個(gè)30kA的雷電流將會(huì)使地網(wǎng)電位上升至300kV。如果受雷擊變電所輸電線路來自另一個(gè)不同地網(wǎng)的變電所，那么上升的地電位與輸電線上的電位將形成巨大反差，導(dǎo)致與輸電線路相連的電氣設(shè)備的損壞。不僅僅是輸電線路、動(dòng)力電纜，凡是引進(jìn)變電所的金屬管線都會(huì)引起雷電反擊。 另一種雷電反擊，對變電所的電子設(shè)備危害也不容忽視。雷電流沿變電所的接地網(wǎng)散流，支線上的雷電流和各點(diǎn)電位差異很大。連接在不同等電位地網(wǎng)上的電子設(shè)備。如果其間有電信號聯(lián)系，那么超過其容許承受能力的地電位差將導(dǎo)致設(shè)備損壞。 2.3感應(yīng)雷 直擊雷放電的能量通過電磁感應(yīng)和靜電感應(yīng)方式向四周輻射，導(dǎo)致設(shè)備過電壓放電，則為感應(yīng)雷。顯然，感應(yīng)雷危害是大面積的，是電子設(shè)備的克星。 有資料計(jì)算表明，當(dāng)雷擊電流為30kA斜角波，雷云高度為3公里，導(dǎo)線高度為10m，擊中距末端匹配的500m長架空線路中點(diǎn)100m處地面時(shí)，線路上感應(yīng)電壓為150kV幅值的振蕩波。此波為電磁感應(yīng)和靜電感應(yīng)共同作用的結(jié)果。[2] 還有計(jì)算顯示，一棟由工字鋼架構(gòu)且金屬部分連接成法拉第籠的10層（60m30m100m，每層高10m）的建筑物，被-2.6/40us，100kA的雷擊中樓頂，其各層樓面1m高處的感應(yīng)電場垂直分量達(dá)數(shù)kV/m，隨樓層降低感應(yīng)電場強(qiáng)度趨向于均勻，但強(qiáng)度整體上無大的衰減。[3] 事實(shí)上，在生產(chǎn)實(shí)踐中，雷擊的靜電感應(yīng)破壞力數(shù)倍于電磁感應(yīng)。靜電感應(yīng)還可用雷擊的二次效應(yīng)理論來解釋。帶電雷云飄浮在地表上空，地表帶上與雷云相反的等量電荷。當(dāng)雷擊過后，雷擊點(diǎn)地表變?yōu)殡姾傻南鄬昭?，周圍高電荷區(qū)域內(nèi)與地電位相對絕緣的導(dǎo)體上的電荷，將像受突然擊發(fā)的水波一樣沖向雷擊點(diǎn)，導(dǎo)致設(shè)備打火，絕緣受損和電子設(shè)備失效。特別注意的是電子設(shè)備的高阻抗輸入回路，信號回路等引線較長，且直接連接的金屬體積較大處，雖然已作電磁屏蔽（采用屏蔽電纜且屏蔽層兩端接地）仍會(huì)遭受厄運(yùn)。 2.4雷電侵入波 遠(yuǎn)方落雷，通過直擊或電磁感應(yīng)和靜電感應(yīng)方式從高壓輸電線路、配電線路、低壓電源線路、通信線、電纜線、金屬管道等途徑侵入變電所，由于管線相對較長，且存在著分布電感和電容，使雷電傳播速度減慢，這樣一種現(xiàn)象用波傳輸理論來說明的概念稱作雷電波。雷電波在傳輸過程中通過不同參數(shù)的連接線段或線路端點(diǎn)時(shí)，波阻抗發(fā)生變化會(huì)產(chǎn)生反射、折射，可導(dǎo)致波阻抗突變處的電壓升高許多，加大了對設(shè)備的危害。為免遭直擊雷破壞，變電所一般設(shè)有獨(dú)立避雷針和構(gòu)架避雷針，有些峽谷地帶變電所則采用避雷線保護(hù)。其結(jié)構(gòu)均分為接閃器、引下線和接地體，防雷原理相同。 為了防止反擊，要求避雷針與被保護(hù)設(shè)備之間空中距離不小于5m，地中距離不小于3m。構(gòu)架避雷針一般用于110kV及以上，且裝設(shè)集中接地裝置后與主地網(wǎng)連接。 獨(dú)立避雷針的保護(hù)范圍對地面為1.5h（針高），對超過針高一半的空間其保護(hù)范圍只能在45角內(nèi)校核。目前國際上流行的一種滾球法理論校核獨(dú)立避雷針的保護(hù)范圍比較符合實(shí)際。滾球法理論認(rèn)為直擊和繞擊與雷云帶電量有關(guān)，能量越小的雷越易產(chǎn)生繞擊?？尚蜗蟮亟忉尀橐粋€(gè)半徑與雷云帶電量成比例的以雷云先導(dǎo)為圓心的球，滾落在地面上，到碰到避雷針尖為止。球與地面接觸點(diǎn)到針尖這段弧，如果碰不到被保護(hù)物體，則被保護(hù)物處在保護(hù)范圍內(nèi)。如中等強(qiáng)度的雷云（U0=50MV），按雷電先導(dǎo)的閃擊距離公式rs=1.63U01.75，可得球的半徑為133m。在此情況下得出的保護(hù)半徑比有關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)程的大一些。按防雷規(guī)范校核保護(hù)范圍，一般110kV中等規(guī)模變電所采用3～5根，35kV變電所1～４根30m左右避雷針，以覆蓋全所被保護(hù)區(qū)。 微波塔也是一種獨(dú)立避雷針。對于所內(nèi)設(shè)有微波塔的，規(guī)程規(guī)定微波塔必須與通信室地網(wǎng)連接。通訊室和主控室地網(wǎng)一體，雷電流通過主控室地網(wǎng)泄放。按前面分析，如果高壓配電室、主控室、通訊室內(nèi)保護(hù)、監(jiān)控、計(jì)量表、RTU等接于相距較遠(yuǎn)的地網(wǎng)，且之間又有電的聯(lián)系時(shí)，所內(nèi)電子設(shè)備遭受的反擊機(jī)率更大。 避雷針的年雷擊次數(shù)，可按經(jīng)驗(yàn)公式N=0.015?n?k（l+5h）（b+5h）10-6計(jì)算[4]。其中n為年雷暴日數(shù)，K為校正系數(shù)金屬結(jié)構(gòu)取2。l、b、h分別為建筑物的長、寬、高。按該式在年雷暴日為40的地區(qū),35kV室外終端變電所，母線構(gòu)架5.5m高，受雷擊概率為每年0.000454次，而加１根30m高避雷針后，則每年將受0.027次雷擊。如果一個(gè)變電所有４根針，每邊相距50m，雷擊概率則為0.048次／年。 避雷針大大增加雷擊概率，使得依附于一次設(shè)備的目前正在大量更新的保護(hù)、監(jiān)控、綜自及通訊等微電子設(shè)備感受雷害的機(jī)率大大增加，損壞方式也多種多樣，使電力生產(chǎn)帶來很大的損失。 3.2避雷器 為了防護(hù)感應(yīng)雷和輸電線路的雷電侵入波的危害，變電所采用了避雷器。以前裝設(shè)的避雷器大多為裝在線路端的管型避雷器和裝在母線、設(shè)備處的閥型避雷器，目前均由性能更好的金屬氧化物避雷器所取代。 由于雷電侵入波主要對35kV以下系統(tǒng)危害較大，變電所著重對35kV和10kV線路入侵波進(jìn)行防護(hù)。對35kV架空進(jìn)線，一般是采用進(jìn)線段1～2km的架空避雷線配其兩端的管型避雷器進(jìn)行防護(hù)。對10kV線路，則每條進(jìn)線均采用一組閥型或氧化鋅避雷器進(jìn)行防護(hù)。對3～10kV配電變壓器，一般只規(guī)定了高壓側(cè)采用閥型避雷器的保護(hù)，對多雷區(qū)外送的Y/Y0連接的變壓器的只規(guī)定了裝設(shè)以防變波及低壓側(cè)雷電入侵波擊穿變壓器高壓側(cè)絕緣的避雷器。 上述防護(hù)措施未考慮低壓部分過電壓，未考慮雷電入侵波或危險(xiǎn)電位通過進(jìn)所金屬管線引入構(gòu)成對電子設(shè)備的威脅。 3.3建筑物內(nèi)的防雷措施 室外變電所的建筑物一般有高壓室、主控室、通訊室以及部分附屬住宅樓辦公樓等。按建筑物防雷等級劃分，變電所生產(chǎn)性建筑物一般被劃分為第三類工業(yè)建筑。由于設(shè)計(jì)時(shí)一般將此類建筑物置于變電所避雷針保護(hù)范圍，因此除通訊室按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行過防雷處理外，其它部分因不設(shè)屋面避雷針和避雷帶，故均壓帶以及利用建筑物鋼筋作分流線和組成法拉第籠屏蔽網(wǎng)等措施均未采用。對于防雷電波入侵，引入建筑物內(nèi)的纜線等一般均通過與接地網(wǎng)連成一體的電纜溝支架和電纜豎井支架引入，且部分電纜作了兩端屏蔽接地處理。 由于以往建筑物防雷未考慮當(dāng)今大量電子設(shè)備的防護(hù)問題，致使許多已建和在建的建筑物，存在嚴(yán)重的防雷先天缺陷。電子設(shè)備防感應(yīng)雷基本上靠機(jī)殼和內(nèi)部措施，使其可靠性下降。 3.4建筑物的地網(wǎng)及金屬部分處理 由于變電所建筑物未考慮直擊雷泄流通路，其地網(wǎng)處理一般是與所內(nèi)主接地網(wǎng)相連。雖然許多規(guī)程中分出了防雷地、交流地、直流地、保護(hù)地、數(shù)據(jù)地，但是執(zhí)行起來很不易，一是條件苛刻，場地狹小;二是所用設(shè)備規(guī)模不大，沒有必要分得太清，于是造成了事實(shí)上的聯(lián)合地網(wǎng)。現(xiàn)代研究認(rèn)為，這種聯(lián)合地網(wǎng)經(jīng)濟(jì)有效，并且可以解決各地網(wǎng)在內(nèi)外過電壓時(shí)產(chǎn)生的電位差，造成對耐受水平低的電子設(shè)備的反擊。不過聯(lián)合地網(wǎng)必須通過合理布置接地線和等電位處理技術(shù)及裝置本身的電磁兼容防護(hù)來解決設(shè)備的安全問題。 目前變電所的聯(lián)合地網(wǎng)從主控室到高壓室以及到室外高壓配電裝置，因?yàn)榫嚯x遠(yuǎn)、面積大，各種電子設(shè)備之間的聯(lián)系復(fù)雜，地網(wǎng)各點(diǎn)電位不同易造成設(shè)備工作出錯(cuò)和損壞。其中影響最大的是高頻電纜、長距離導(dǎo)引電纜、控制電纜，以及就地布置電子設(shè)備與主控制室之間的網(wǎng)絡(luò)線等。 建筑物內(nèi)金屬門窗、玻璃幕墻、吊頂龍骨架、燈線、管線等，常常予以忽視，未作接地。還有二次回路使用的直流蓄電池作浮點(diǎn)運(yùn)行（特別是舊式電池體積龐大），這些都是雷電二次效應(yīng)的推波助瀾者，是電子設(shè)備潛在的殺手。 四、變電所加強(qiáng)防雷措施 變電所傳統(tǒng)防雷措施對高壓電氣設(shè)備的防護(hù)是有效的，但對電子設(shè)備的防護(hù)并不恰當(dāng)，為了適應(yīng)智能化變電所的發(fā)展要求，必須在原定防雷措施基礎(chǔ)上，更進(jìn)一步進(jìn)行防范。采取措施的原則是分區(qū)防護(hù)、三級過壓保護(hù)、多重屏蔽、均衡電位、浮點(diǎn)電位牽制。根據(jù)xx年國際建筑物防雷會(huì)議上IEC/TC81中提出的防雷保護(hù)區(qū)的新概念，對變電的的防雷化分為三個(gè)區(qū)進(jìn)行分級防護(hù)，根據(jù)設(shè)備的敏感性和重要性進(jìn)行加強(qiáng)屏蔽可以起到事半功倍的效果。 4.1第一級防護(hù)區(qū)為全所范圍內(nèi)的高壓設(shè)備部分和高壓線路的進(jìn)線段保護(hù)范圍。主要措施為獨(dú)立避雷針、構(gòu)架避雷針、架空避雷線、高壓避雷器、設(shè)備引下線、主接地網(wǎng)和微波塔及其接地。其主要任務(wù)為引雷、泄流、限幅、均壓，完成基本的防雷功能。 由于避雷針的采用增加了雷擊概率，感應(yīng)雷對電子設(shè)備的危害機(jī)率增加。為了減輕雷擊感應(yīng)幅射，有些工程采用了帶屏蔽作用的引下線，有的采用多條引下線分流，這些措施均可起到一定作用。 另外有些變電所以前選用了導(dǎo)體消雷器、半導(dǎo)體消雷器、少長針消雷器等多種類型的無源消雷器。其評價(jià)褒貶不一，不過有一個(gè)不爭的事實(shí):消雷器的保護(hù)范圍至少與同等高度避雷針一樣。對于消雷器的運(yùn)行，只要其接地滿足防雷規(guī)范要求，空間和地中安全距離以及保護(hù)范圍滿足規(guī)程要求，就應(yīng)當(dāng)繼續(xù)使用作好觀察記錄。如能夠消雷或部分消雷，都將會(huì)對電子設(shè)備有益。 4.2第二級防護(hù)區(qū)包括進(jìn)出變電所管線、二次電纜、端子箱、所用電系統(tǒng)及微波天饋線。其主要任務(wù)是防感應(yīng)雷過電壓和侵入波過電壓的傳遞，以及危險(xiǎn)電位內(nèi)引外送。 4.2.1進(jìn)出所管線處理 進(jìn)出所管線包括水管、煤氣管、熱力管、電源線、縱聯(lián)保護(hù)導(dǎo)引線、信息傳輸線等。進(jìn)所金屬管類均應(yīng)直埋進(jìn)所，并與地網(wǎng)分幾處連接，且宜在進(jìn)所前經(jīng)絕緣管道隔離后引入。所用電源一般不外送，如內(nèi)引應(yīng)經(jīng)隔離變壓器引入，引入前穿管直埋15m進(jìn)所。仍采用縱聯(lián)導(dǎo)引線保護(hù)的，導(dǎo)引線應(yīng)按部頒反措經(jīng)隔離變壓器后引入，進(jìn)所部分穿管直埋。進(jìn)出所的信息傳輸線纜應(yīng)穿管直埋入所并經(jīng)保安單元或相應(yīng)的數(shù)據(jù)避雷器后引入機(jī)房。有金屬線的光纜穿管直埋入所先經(jīng)接地匯接排后才能引入機(jī)房。接地的波導(dǎo)管本身具有良好的防雷作用，不需加避雷器，按規(guī)程沿路接地即可，對同軸電纜天饋線應(yīng)加裝相應(yīng)高頻避雷器，避雷器的地線就近與機(jī)房的接地匯接排相連。 4.2.2二次電纜及端子箱 直接與電子設(shè)備屏柜和裝置相連的控制信號電纜、電流、電壓回路電纜都應(yīng)該采用屏蔽電纜，且屏蔽層金屬保護(hù)層及備用芯均應(yīng)兩端接地。端子箱及斷路器機(jī)構(gòu)箱、匯控柜等不管內(nèi)部是否安裝電子設(shè)備均應(yīng)避開避雷器或構(gòu)架避雷針的主要散流線接地。電子設(shè)備雷害事故大多與電源相關(guān)。一方面是防護(hù)力度不夠，另一方面說明從所用電入侵的雷電波能量足夠大，經(jīng)幾級高壓泄放仍具有強(qiáng)大的破壞力。 根據(jù)國標(biāo)（GB50057-94）《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，對微電子設(shè)備的供配電系統(tǒng)應(yīng)采取三級過電壓保護(hù)。三級分別為所用變低壓出口，所用電配電柜各分路出口，各設(shè)備UPS電源出口。 低壓配電系統(tǒng)避雷器一般以MOV（金屬氧化物可變電阻）為主。MOV失效率較高，雖說經(jīng)改進(jìn)后的MOV通流容量越做越大，且有一些產(chǎn)品采用熔斷器和溫度斷開裝置予以保護(hù)，但仍有損壞，有必要采取三級冗余以增強(qiáng)可靠性。 4.3第三級防護(hù)區(qū)包括變電所主控室、遠(yuǎn)動(dòng)通信機(jī)房及全部電子設(shè)備。其主要任務(wù)是多重屏蔽、電源過壓嵌位、信號限幅濾波、地電位均壓、浮點(diǎn)電位牽制。 4.3.1多重屏蔽 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，以及設(shè)備屏柜金屬外殼、裝置金屬外殼等逐級屏蔽。 早期的變電所建筑留下了許多防雷的先天不足，新建的變電所必須按國標(biāo)（GB50057-94）《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》及郵電部（YDxx-93）《微波站防雷與接地設(shè)計(jì)規(guī)范》、電力部（DL548-94）《電力系統(tǒng)通信站防雷運(yùn)行管理規(guī)程》等要求利用建筑物女兒墻、天面防雷網(wǎng)及結(jié)構(gòu)鋼筋、基礎(chǔ)鋼筋焊接成一體的網(wǎng)，以及設(shè)備特殊要求的金屬幕墻組成第一級屏蔽。 設(shè)備屏柜、裝置本體訂貨時(shí)必須注明電磁兼容防護(hù)等級，使用環(huán)境。 4.3.2地電位均壓 筆者贊同室內(nèi)采用聯(lián)合地網(wǎng)，設(shè)環(huán)形地母線、接地匯集線。地母線與地網(wǎng)采用多條引下線對稱引下連接。對于數(shù)字地、模擬地等功能地與保護(hù)地確實(shí)需要分開的，可采用地極防雷器連接。 對于電子設(shè)備之間電的聯(lián)系跨度較大的部分，跨越幾個(gè)防護(hù)區(qū)的部分，常因地電位不均衡造成工作出錯(cuò)或損害。國家電力調(diào)度通信中心曾發(fā)文制定反措［5］，在變電所主控室電纜層敷設(shè)不小于100mm2的銅地網(wǎng)延伸至220kV耦合電容結(jié)合濾波器處連接。這一措施實(shí)施以來效果令人滿意。不僅僅是高頻保護(hù)，目前就地布置的電子設(shè)備與分控室或主控室之間的通信如果采用電的聯(lián)系，同樣會(huì)遭遇此問題?，F(xiàn)場可以根據(jù)具體情況采取地電位均衡措施。 4.3.3浮點(diǎn)電位牽制 建筑物內(nèi)金屬門窗、玻璃幕墻、吊頂龍骨、燈具等均可能隨雷電二次效應(yīng)危害電子設(shè)備，應(yīng)予就近多點(diǎn)接地以防不測。 變電所二次回路直流蓄電池長期為浮點(diǎn)運(yùn)行。為防雷害，應(yīng)采用直流避雷器和在絕緣監(jiān)察裝置內(nèi)加裝氣體放電管。 五、結(jié)束語 雷擊對變電所電子設(shè)備的危害主要表現(xiàn)在感應(yīng)過電壓，侵入波過電壓、地電位反擊，雷電二次效應(yīng)等。 對變電所電子設(shè)備的防雷應(yīng)分區(qū)分級防護(hù)，引雷、分流、散流、屏蔽、均壓、隔離、限幅、嵌位、濾波相結(jié)合，充分利用當(dāng)代先進(jìn)技術(shù)，根據(jù)電子設(shè)備工作特點(diǎn)選用低壓避雷器，如高頻避雷器、數(shù)據(jù)避雷器、放電管、硅瞬變二極管、瞬態(tài)過電壓保護(hù)器、組合式避雷器等，等將雷害事故和干擾減少到最低程度?！? 參考文獻(xiàn) １、薛東華.《導(dǎo)體消雷器》.能源部武漢高壓研究所電力技術(shù)開發(fā)公司.xx.9 ２、武漢水院.何平、文習(xí)山等.《關(guān)于架空線路感應(yīng)過電壓的計(jì)算問題》.高電壓技術(shù).xx.2 ３、上海交大.馮雷、周佩白.《高層建筑遭受雷擊時(shí)感應(yīng)電場的計(jì)算》.高電壓技術(shù).xx.1 ４、《建筑防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》.（GBJ57-83）. ５、調(diào)調(diào)(xx)112號《關(guān)于印發(fā)繼電保護(hù)高頻通道工作改進(jìn)措施的通知》.( 第 12 頁 共 13 頁 行業(yè)資料 本文至此結(jié)束，感謝您的瀏覽! （資料僅供參考） 下載修改即可使用 第 13 頁 共 13 頁