雷擊對變電所電子設備的危害及其防護.doc

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行業(yè)資料：________ 雷擊對變電所電子設備的危害及其防護 單位：______________________ 部門：______________________ 日期：______年_____月_____日 第 1 頁 共 13 頁 雷擊對變電所電子設備的危害及其防護 【摘要】：文章從變電所電子設備受雷擊影響談起,呼吁從事變電工作者應當對其引起重視。作者針對遼寧地區(qū)的實際情況,分別采取分區(qū)、分級以及重點防護,對不同雷擊現(xiàn)象進行了分析和研究,最后總結出一套防雷的可防范措施。 【關鍵詞】：雷擊防雷電子設備變電所 一、前言 人類社會步入信息時代，各類先進的電子設備由于大量和廣泛的運用，其遭受雷擊危害機率大大增加。尤其是變電所內(nèi)電子設備，依附于處在受避雷針保護范圍內(nèi)的一次設備，受雷擊影響概率更大。且采用傳統(tǒng)防雷措施，其防護多有不當，應當引起重視。 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影子隨風移動。如果途經(jīng)變電所的避雷針或地表其它突出物，地電荷會導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)先導按間歇分級躍進方式向地表發(fā)展，當距地面50～100m時，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。兩者相接，進入直擊或繞擊的主放電階段。 通常當?shù)孛嫔贤怀鑫锏母叨葹閔，雷云正下方的平均電場強度大于和等于580h-0.7kV/m時，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，地表安裝獨立避雷針后，將會在其附近出現(xiàn)大量的散擊，甚至對避雷針進行直擊，對受避雷針保護范圍內(nèi)的物體進行繞擊。[1] 一次雷擊主放電一般為幾萬安培到十幾萬安培。瞬間高熱和電動力，會造成混凝土桿炸裂，小截面金屬熔化，引起火災和大爆炸，金屬導體連接部分斷裂破損，建筑物倒坍，電氣設備損壞。 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30kA的雷電流將會使地網(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，導致與輸電線路相連的電氣設備的損壞。不僅僅是輸電線路、動力電纜，凡是引進變電所的金屬管線都會引起雷電反擊。 另一種雷電反擊，對變電所的電子設備危害也不容忽視。雷電流沿變電所的接地網(wǎng)散流，支線上的雷電流和各點電位差異很大。連接在不同等電位地網(wǎng)上的電子設備。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致設備損壞。 2.3感應雷 直擊雷放電的能量通過電磁感應和靜電感應方式向四周輻射，導致設備過電壓放電，則為感應雷。顯然，感應雷危害是大面積的，是電子設備的克星。 有資料計算表明，當雷擊電流為30kA斜角波，雷云高度為3公里，導線高度為10m，擊中距末端匹配的500m長架空線路中點100m處地面時，線路上感應電壓為150kV幅值的振蕩波。此波為電磁感應和靜電感應共同作用的結果。[2] 還有計算顯示，一棟由工字鋼架構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高處的感應電場垂直分量達數(shù)kV/m，隨樓層降低感應電場強度趨向于均勻，但強度整體上無大的衰減。[3] 事實上，在生產(chǎn)實踐中，雷擊的靜電感應破壞力數(shù)倍于電磁感應。靜電感應還可用雷擊的二次效應理論來解釋。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。當雷擊過后，雷擊點地表變?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體上的電荷，將像受突然擊發(fā)的水波一樣沖向雷擊點，導致設備打火，絕緣受損和電子設備失效。特別注意的是電子設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）仍會遭受厄運。 2.4雷電侵入波 遠方落雷，通過直擊或電磁感應和靜電感應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時，波阻抗發(fā)生變化會產(chǎn)生反射、折射，可導致波阻抗突變處的電壓升高許多，加大了對設備的危害。為免遭直擊雷破壞，變電所一般設有獨立避雷針和構架避雷針，有些峽谷地帶變電所則采用避雷線保護。其結構均分為接閃器、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設備之間空中距離不小于5m，地中距離不小于3m。構架避雷針一般用于110kV及以上，且裝設集中接地裝置后與主地網(wǎng)連接。 獨立避雷針的保護范圍對地面為1.5h（針高），對超過針高一半的空間其保護范圍只能在45角內(nèi)校核。目前國際上流行的一種滾球法理論校核獨立避雷針的保護范圍比較符合實際。滾球法理論認為直擊和繞擊與雷云帶電量有關，能量越小的雷越易產(chǎn)生繞擊。可形象地解釋為一個半徑與雷云帶電量成比例的以雷云先導為圓心的球，滾落在地面上，到碰到避雷針尖為止。球與地面接觸點到針尖這段弧，如果碰不到被保護物體，則被保護物處在保護范圍內(nèi)。如中等強度的雷云（U0=50MV），按雷電先導的閃擊距離公式rs=1.63U01.75，可得球的半徑為133m。在此情況下得出的保護半徑比有關設計規(guī)程的大一些。按防雷規(guī)范校核保護范圍，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，以覆蓋全所被保護區(qū)。 微波塔也是一種獨立避雷針。對于所內(nèi)設有微波塔的，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、監(jiān)控、計量表、RTU等接于相距較遠的地網(wǎng)，且之間又有電的聯(lián)系時，所內(nèi)電子設備遭受的反擊機率更大。 避雷針的年雷擊次數(shù)，可按經(jīng)驗公式N=0.015?n?k（l+5h）（b+5h）10-6計算[4]。其中n為年雷暴日數(shù)，K為校正系數(shù)金屬結構取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，使得依附于一次設備的目前正在大量更新的保護、監(jiān)控、綜自及通訊等微電子設備感受雷害的機率大大增加，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 為了防護感應雷和輸電線路的雷電侵入波的危害，變電所采用了避雷器。以前裝設的避雷器大多為裝在線路端的管型避雷器和裝在母線、設備處的閥型避雷器，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線路入侵波進行防護。對35kV架空進線，一般是采用進線段1～2km的架空避雷線配其兩端的管型避雷器進行防護。對10kV線路，則每條進線均采用一組閥型或氧化鋅避雷器進行防護。對3～10kV配電變壓器，一般只規(guī)定了高壓側采用閥型避雷器的保護，對多雷區(qū)外送的Y/Y0連接的變壓器的只規(guī)定了裝設以防變波及低壓側雷電入侵波擊穿變壓器高壓側絕緣的避雷器。 上述防護措施未考慮低壓部分過電壓，未考慮雷電入侵波或危險電位通過進所金屬管線引入構成對電子設備的威脅。 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。由于設計時一般將此類建筑物置于變電所避雷針保護范圍，因此除通訊室按相關標準進行過防雷處理外，其它部分因不設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今大量電子設備的防護問題，致使許多已建和在建的建筑物，存在嚴重的防雷先天缺陷。電子設備防感應雷基本上靠機殼和內(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;二是所用設備規(guī)模不大，沒有必要分得太清，于是造成了事實上的聯(lián)合地網(wǎng)?，F(xiàn)代研究認為，這種聯(lián)合地網(wǎng)經(jīng)濟有效，并且可以解決各地網(wǎng)在內(nèi)外過電壓時產(chǎn)生的電位差，造成對耐受水平低的電子設備的反擊。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及裝置本身的電磁兼容防護來解決設備的安全問題。 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，因為距離遠、面積大，各種電子設備之間的聯(lián)系復雜，地網(wǎng)各點電位不同易造成設備工作出錯和損壞。其中影響最大的是高頻電纜、長距離導引電纜、控制電纜，以及就地布置電子設備與主控制室之間的網(wǎng)絡線等。 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運行（特別是舊式電池體積龐大），這些都是雷電二次效應的推波助瀾者，是電子設備潛在的殺手。 四、變電所加強防雷措施 變電所傳統(tǒng)防雷措施對高壓電氣設備的防護是有效的，但對電子設備的防護并不恰當，為了適應智能化變電所的發(fā)展要求，必須在原定防雷措施基礎上，更進一步進行防范。采取措施的原則是分區(qū)防護、三級過壓保護、多重屏蔽、均衡電位、浮點電位牽制。根據(jù)xx年國際建筑物防雷會議上IEC/TC81中提出的防雷保護區(qū)的新概念，對變電的的防雷化分為三個區(qū)進行分級防護，根據(jù)設備的敏感性和重要性進行加強屏蔽可以起到事半功倍的效果。 4.1第一級防護區(qū)為全所范圍內(nèi)的高壓設備部分和高壓線路的進線段保護范圍。主要措施為獨立避雷針、構架避雷針、架空避雷線、高壓避雷器、設備引下線、主接地網(wǎng)和微波塔及其接地。其主要任務為引雷、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，感應雷對電子設備的危害機率增加。為了減輕雷擊感應幅射，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體消雷器、半導體消雷器、少長針消雷器等多種類型的無源消雷器。其評價褒貶不一，不過有一個不爭的事實:消雷器的保護范圍至少與同等高度避雷針一樣。對于消雷器的運行，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范圍滿足規(guī)程要求，就應當繼續(xù)使用作好觀察記錄。如能夠消雷或部分消雷，都將會對電子設備有益。 4.2第二級防護區(qū)包括進出變電所管線、二次電纜、端子箱、所用電系統(tǒng)及微波天饋線。其主要任務是防感應雷過電壓和侵入波過電壓的傳遞，以及危險電位內(nèi)引外送。 4.2.1進出所管線處理 進出所管線包括水管、煤氣管、熱力管、電源線、縱聯(lián)保護導引線、信息傳輸線等。進所金屬管類均應直埋進所，并與地網(wǎng)分幾處連接，且宜在進所前經(jīng)絕緣管道隔離后引入。所用電源一般不外送，如內(nèi)引應經(jīng)隔離變壓器引入，引入前穿管直埋15m進所。仍采用縱聯(lián)導引線保護的，導引線應按部頒反措經(jīng)隔離變壓器后引入，進所部分穿管直埋。進出所的信息傳輸線纜應穿管直埋入所并經(jīng)保安單元或相應的數(shù)據(jù)避雷器后引入機房。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房。接地的波導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加裝相應高頻避雷器，避雷器的地線就近與機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、電壓回路電纜都應該采用屏蔽電纜，且屏蔽層金屬保護層及備用芯均應兩端接地。端子箱及斷路器機構箱、匯控柜等不管內(nèi)部是否安裝電子設備均應避開避雷器或構架避雷針的主要散流線接地。電子設備雷害事故大多與電源相關。一方面是防護力度不夠，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大的破壞力。 根據(jù)國標（GB50057-94）《建筑物防雷設計規(guī)范》規(guī)定，對微電子設備的供配電系統(tǒng)應采取三級過電壓保護。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，但仍有損壞，有必要采取三級冗余以增強可靠性。 4.3第三級防護區(qū)包括變電所主控室、遠動通信機房及全部電子設備。其主要任務是多重屏蔽、電源過壓嵌位、信號限幅濾波、地電位均壓、浮點電位牽制。 4.3.1多重屏蔽 微電子設備工作電壓低擊穿功率小，靠單一屏蔽難以達到預期效果，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（GB50057-94）《建筑物防雷設計規(guī)范》及郵電部（YDxx-93）《微波站防雷與接地設計規(guī)范》、電力部（DL548-94）《電力系統(tǒng)通信站防雷運行管理規(guī)程》等要求利用建筑物女兒墻、天面防雷網(wǎng)及結構鋼筋、基礎鋼筋焊接成一體的網(wǎng)，以及設備特殊要求的金屬幕墻組成第一級屏蔽。 設備屏柜、裝置本體訂貨時必須注明電磁兼容防護等級，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地確實需要分開的，可采用地極防雷器連接。 對于電子設備之間電的聯(lián)系跨度較大的部分，跨越幾個防護區(qū)的部分，常因地電位不均衡造成工作出錯或損害。國家電力調度通信中心曾發(fā)文制定反措［5］，在變電所主控室電纜層敷設不小于100mm2的銅地網(wǎng)延伸至220kV耦合電容結合濾波器處連接。這一措施實施以來效果令人滿意。不僅僅是高頻保護，目前就地布置的電子設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危害電子設備，應予就近多點接地以防不測。 變電所二次回路直流蓄電池長期為浮點運行。為防雷害，應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、結束語 雷擊對變電所電子設備的危害主要表現(xiàn)在感應過電壓，侵入波過電壓、地電位反擊，雷電二次效應等。 對變電所電子設備的防雷應分區(qū)分級防護，引雷、分流、散流、屏蔽、均壓、隔離、限幅、嵌位、濾波相結合，充分利用當代先進技術，根據(jù)電子設備工作特點選用低壓避雷器，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 １、薛東華.《導體消雷器》.能源部武漢高壓研究所電力技術開發(fā)公司.xx.9 ２、武漢水院.何平、文習山等.《關于架空線路感應過電壓的計算問題》.高電壓技術.xx.2 ３、上海交大.馮雷、周佩白.《高層建筑遭受雷擊時感應電場的計算》.高電壓技術.xx.1 ４、《建筑防雷設計規(guī)范》.（GBJ57-83）. ５、調調(xx)112號《關于印發(fā)繼電保護高頻通道工作改進措施的通知》.( 第 12 頁 共 13 頁 行業(yè)資料 本文至此結束，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