基于提高二次設(shè)備防雷技術(shù)的實證分析

付書明 盧江麗

（杭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 中國計量學(xué)院，浙江 杭州 310018）

1 引言

隨著科技不斷發(fā)展，避雷器的制造水平也得到了很大的提高，金屬氧化物避雷器被廣泛推廣使用，使得對變電站中一次部分的雷電過電壓的保護得到了保證。然而，大規(guī)模、高精度集成模塊制成的微電子為主要元件的控制、保護、信號、通信、監(jiān)控等設(shè)備在電力系統(tǒng)中的使用也越來越廣泛，特別是在一些大型發(fā)變電站中，即使在采樣和計量系統(tǒng)中也普遍采用，它們大大提升了電力系統(tǒng)自動控制水平。相對其應(yīng)用程度來說，與這些高精度的二次設(shè)備的保護研究并沒有得到相應(yīng)的重視。怎樣才能使這些微電子二次設(shè)備在惡劣的雷電環(huán)境下正常運行，是亟待解決的問題。因此，下文重點論述雷電干擾對二次設(shè)備的影響以及二次設(shè)備接地的必要性。

2 雷電干擾對二次設(shè)備的影響

2.1 雷電干擾的影響綜述

當(dāng)變電站遭受雷擊時，雷電流經(jīng)由避雷針、避雷器或避雷線的接地引下線流入地網(wǎng)。由于地網(wǎng)接地體阻抗，特別是感抗的作用，使得在雷電流下的地網(wǎng)電位分布變得極不均勻。同時由于地網(wǎng)接地體上的電流隨時間的變化率(di/dt)很大，使得地網(wǎng)附近的二次回路上產(chǎn)生較高的感應(yīng)電勢。計算機和其它的二次設(shè)備對這種幅值高、變化快、持續(xù)時間短的暫態(tài)干擾極為敏感，常常會因為處在這種干擾之下而影響正常工作，甚至還會造成設(shè)備的損壞和其它事故的發(fā)生。為此我們有必要對雷電流在接地網(wǎng)上的分布進行分析。雷擊過電壓分為直擊雷過電壓和感應(yīng)雷過電壓兩種，直擊雷是指雷電直接擊中電氣設(shè)備、線路或建筑物，引起強大的雷電流流過這些物體導(dǎo)致整個系統(tǒng)過電壓；感應(yīng)雷是指雷云對地放電過程中，放電通道周圍空間的電磁場發(fā)生急劇變化，在附近導(dǎo)體上產(chǎn)生感應(yīng)過電壓

2.2 感應(yīng)雷對二次設(shè)備的影響

感應(yīng)雷雖然沒有直擊雷產(chǎn)生的影響猛烈，變電站二次系統(tǒng)發(fā)生的雷擊事故絕大部分是由感應(yīng)雷引起的。以下介紹感應(yīng)雷對變電站二次設(shè)備的影響。

圖1 導(dǎo)電部件或二次系統(tǒng)與等電位連接排的連接

圖2 機房防雷設(shè)置示意圖

感應(yīng)雷對二次設(shè)備的影響主要是指在雷云之間放電或雷云對地之間放電時，在附近的戶外傳輸信號線路、埋地電纜線路、設(shè)備連接線上產(chǎn)生電磁感應(yīng)并侵入設(shè)備，使串聯(lián)在線路之間或線路末端的電子設(shè)備受到損壞。當(dāng)雷云層與層之間以及雷云與大地之間放電時，在放電通道周圍產(chǎn)生的電磁感應(yīng)、雷電電磁脈沖的輻射以及雷云電場的靜電感應(yīng)，使建筑物上的金屬部件、管道、鋼筋和由室外進入室內(nèi)的電源線、信號傳輸線、天線饋線等感應(yīng)出雷電高電壓，并通過這些線路以及進入室內(nèi)的管道、電纜等引入室內(nèi)造成電子設(shè)備損壞。感應(yīng)雷的頻譜很寬，從能量積累大多分布來看，大多集中在低頻段。如10/700μs沖擊波，總能量95%以上分布在3kHz頻率以下；而1.2/50μs沖擊波，大約總能量90%以上分布在18kHz頻率以下?？梢娺@類波形對工作在低頻和直流狀態(tài)的電子設(shè)備危害極大。當(dāng)集成電路任一個端口的能量達到10～6J左右時，芯片會遭到永久性破壞。雷電感應(yīng)是雷電流的強大電場以及磁場變化時產(chǎn)生的靜電感應(yīng)和電磁感應(yīng)造成的。

3 接地技術(shù)在二次設(shè)備防雷中的重要性

由于計算機技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用，大大提高了電力系統(tǒng)運行的安全性和可靠性，同時也提高了系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定和動態(tài)穩(wěn)定性。然而，由于變電站的二次電纜數(shù)目眾多并且敷設(shè)得錯綜復(fù)雜，導(dǎo)致電力系統(tǒng)和設(shè)備一旦發(fā)生故障，其暫態(tài)過程和故障電氣量的數(shù)值陡增，伴隨著復(fù)雜的電磁振蕩過程，微機系統(tǒng)由于自身工作電壓低，在此環(huán)境中極易受到干擾。二次電纜和繼電保護設(shè)備自身的接地和抗干擾性能變得極其重要。在實際生產(chǎn)中，不斷有因二次系統(tǒng)接地方式不正確和干擾造成保護誤動作或開關(guān)誤跳，甚至造成保護及控制元件損壞的事故出現(xiàn)。電力系統(tǒng)中的二次系統(tǒng)是由各種二次設(shè)備和電纜組成的，幾乎所有的電氣量都是通過電纜引入二次設(shè)備的。這些電纜處于一次設(shè)備的高壓電磁場中，工作條件極其復(fù)雜，同時還經(jīng)受著系統(tǒng)故障時各種暫態(tài)環(huán)境和各種氣候條件的考驗。而作為二次系統(tǒng)的大腦，各種保護裝置和信息處理系統(tǒng)，都是由計算機、通信設(shè)備等敏感的電子原器件構(gòu)成，對各種諸如雷電過電壓、電力系統(tǒng)操作過電壓、靜電放電、電磁輻射等干擾非常敏感。為了能使各設(shè)備免受干擾的影響，在發(fā)電廠和變電站中出于安全的考慮，都會布置一個范圍覆蓋全廠或全站的接地網(wǎng)，所有的一次、二次設(shè)備都要求與這個地網(wǎng)連接。地網(wǎng)鋪設(shè)情況直接影響變電站各設(shè)備的運行，電力系統(tǒng)中發(fā)生的很多重大事故往往都和接地網(wǎng)的性能指標(biāo)以及一、二次設(shè)備與地網(wǎng)的連接設(shè)計有關(guān)，可見，正確的接地對二次設(shè)備防雷非常重要。

4 等電位連接技術(shù)對二次設(shè)備的保護原理及實例分析

在實際中，變電站二次系統(tǒng)中的各控制屏柜和集成自動化設(shè)備不可能在同一個位置，之間可能相距甚遠，若分別將它們在就近的接地銅排上接地，當(dāng)雷電沖擊電流經(jīng)避雷設(shè)施泄放導(dǎo)至地網(wǎng)時，這股強大的接地電流就很有可能在一二次設(shè)備的兩個接地點之間產(chǎn)生較大電位差，將干擾系統(tǒng)正常工作，干擾嚴重時甚至?xí)p壞控制電路或元件。因此，為防止不同信號回路接地線上的電位差引起交叉干擾，應(yīng)嚴格按“一點接地”原則進行設(shè)計和施工，即實行等電位連接。所謂等電位連接，就是把所有可能同時觸及或接近的、在故障情況下可能帶不同電位的裸露導(dǎo)體（包括電氣設(shè)備以外的裸露導(dǎo)體）相互連接起來，等值他們之間的電位差，以防止出現(xiàn)接觸電壓。二次系統(tǒng)中信號分系統(tǒng)要將內(nèi)部地線接通，然后各自用規(guī)定面積的導(dǎo)線統(tǒng)一引到某一點，再由該點接到接地銅排上，從而實現(xiàn)一點接地。對于控制柜和保護柜，利用一點接地保證其在同一個接地等電位面上，以保證自動控制系統(tǒng)的安全可靠運行。等電位連接一般包括保護接地，構(gòu)造等電位面有兩種可能做法，一是將微機保護柜底部已有的接地銅排通過焊接聯(lián)通，同時在盡頭用專用100mm2銅線聯(lián)通，形成一個銅網(wǎng)格，這個網(wǎng)格與由電纜溝引來的粗銅導(dǎo)線聯(lián)通，對控制室的接地點形成要求的對地網(wǎng)唯一的一點接地。另一種做法是，在保護柜底部的下面構(gòu)造一個專用的銅網(wǎng)格，各控制保護柜的專用接地端子經(jīng)一定截面的銅線聯(lián)到此銅網(wǎng)格實現(xiàn)。

實現(xiàn)等電位連接的主體為:設(shè)備處在建筑物的主要金屬構(gòu)件和進入建筑物的金屬管道、供電線路（含外漏可導(dǎo)電部分）、防雷裝置以及由電子設(shè)備構(gòu)成的信息系統(tǒng)。應(yīng)采用連接導(dǎo)線和線夾在連接排做等電位連接，需要時采用浪涌保護器（SPD）做等電位連接，如圖1示。

圖2是一個普通機房的防雷設(shè)置:避雷針安裝在樓頂上，防雷地，保護地合設(shè)，工作地單設(shè)，當(dāng)雷擊時Ua電位陡升，防雷地電位Ua與工作地Ub之間形成高電位差，由于設(shè)備機殼與工作主件間存在著分布電容，當(dāng)數(shù)十千安電流對保護地(防雷地)沖擊時，雷電流很容易經(jīng)過藕合電容流到工作地，造成設(shè)備損壞，甚至人身安全受到威脅。如果防雷地，保護地與工作地聯(lián)在一起使Ua，Ub等電位，水漲船高，Ua，Ub同步變化，而不致?lián)p壞設(shè)備，危害人身安全。

5 總結(jié)

當(dāng)前，只有在正確分析二次設(shè)備受雷電干擾的原因，才能認識二次設(shè)備接地防雷技術(shù)的必要性，最終才能更好地應(yīng)用接地技術(shù)解決二次設(shè)備接防雷問題。因此，電氣環(huán)境中的所有設(shè)備都應(yīng)接地，特別是電壓等級相對較低的變電站二次系統(tǒng)，其中各設(shè)備正確接地與否將是決定二次系統(tǒng)穩(wěn)定的最重要因素。

[1]湯放奇，胡登宇，肖金華.弱電設(shè)備的雷害分析及防雷保護.長沙電力學(xué)院學(xué)報，2005（5）

[2]陳慈萱.過電壓保護原理與運行技術(shù).北京:中國電力出版社，2002年

[3]鄔雄，張文亮.電力系統(tǒng)電磁兼容的技術(shù)問題.高電壓技術(shù)，1997年