試論變電站二次系統的防雷措施

張中寬　劉新政　閆廣濤

摘 要:閃電的電磁脈沖輻射是引發變電站二次系統雷災的主要起因,針對二次系統的雷擊危害,變電站可通過解決地網電位差的方法來加以消除。本文從雷擊破壞二次系統的幾個主要方面入手,從攔截、分流、等電位連接、屏蔽、接地、布線等幾個步驟闡述了變電站二次系統防雷的主要做法,并對變電站二次系統防雷進行了經驗總結。

關鍵詞:變電站 二次系統 電磁脈沖輻射 雷電災害

中圖分類號:TV2 文獻標識碼:A 文章編號:1672-3791(2012)10(c)-0116-01

1 變電站二次系統雷災的起因和表現

雷電干擾是變電站所受干擾的重要因素,特別是對于二次系統而言,閃電的電磁脈沖輻射(LEMP)的危害極大。目前,很多變電站對于一次系統的防雷要求在設計上都給與了高度重視,但對于二次系統的防雷往往并沒有給與特別關注,尤其是針對電話程控交換機、通訊線路、廠區電視信號裝置、電視信號線路、監控線路、二次設備和二次線路等,雷電往往極易引發這些設施的故障和損壞。

從作用原理來看,變電站受到雷擊從而破壞二次系統有一個比較復雜的作用路徑,一般情況是:雷電入侵變電站后使避雷器發生動作,電流通過變電站地網接入大地,但同時也引起了變電站地網電位升高。由于變電站各設備對地電位不相等,由此形成地網電位差,該電位差通過電源中性點形成回路,導致反擊引起設備損壞。但是,根據雷擊方式的不同,二次系統受到的破壞可以分為以下幾類。

1.1 直擊雷和感應雷

直擊雷是指雷電直接擊到建筑物上,由于直擊雷蘊含極大的能量,電壓峰值可達5000 kV,因此蘊含著極大的破壞力。雷電流所產生的電磁脈沖超過2.4高斯時,集成電路將發生永久性損壞,這對于變電站二次系統而言也是致命的。不過,這種直擊雷造成的雷電災害比較少見,大部分變電站二次系統所受到的雷擊破壞都是感應雷作用,也即云層之間的頻繁放電產生強大的電磁波,在電源線和信號線上感應極高的脈沖電壓,從而對各種設備造成破壞,但這種感應雷的峰值只有50～100 kV。

1.2 雷電波侵入和電流耦合

除了直接的雷擊外,雷電波侵入和電流耦合也是二次系統受損的重要原因。遠處的雷電擊中低壓供電線路、通訊線路、信號線路或因電磁感應產生的極高電壓,由電源線路、視頻線、控制線、網絡傳輸線傳至電站控制設備,造成設備損壞。此外,當建筑物遭受雷擊時,雷電流向地泄放的時候會在埋地敷設的管道、線纜上耦合出過電壓、過電流。如果二次設備緊鄰變電站中的建筑物,那么就容易因耦合產生的過電壓、過電流而損壞。

1.3 地電位反擊

二次設備電源是由變電站所用變壓器供給的,在正常情況下,各二次設備的電壓就等于電源供給的電壓。當發生雷擊的時候,由于各二次設備分布在不同位置,且設備外殼就近接地,其接地點與雷擊點產生水平距離,由于各自距離的不同,各分布點的電位則不同,二次設備接地點與電源點的電位差也不同,這就導致地網電位差的產生。

2 變電站二次系統的防雷思路和主要措施

現代防雷方案所考慮到的防護對象包括建筑物、人和設備,從這三種保護對象出發,我們可以從攔截、分流、等電位連接、屏蔽、接地、布線等六個方面進行變電站二次系統的防雷設計,而這六種防雷措施又可以分為外部防雷和內部防雷兩大方面,外部防雷主要以接閃器(避雷針、帶、網線等)、引下線、接地裝置等構成,防止雷電直接擊中建筑物、人員和設備。內部防雷主要以等電位連接為主,包括對不帶電金屬部件的直接等電位連接以及對帶電部件、線路等通過浪涌保護器進行間接等電位連接。

(1)采用共用接地系統。

針對雷擊引發的變電站地網電位差,一個可行的方法是共用接地系統。共用接地系統的范圍包括交流工作地、直流工作地、安全保護地、防靜電地、防雷接地等等。具體來說,共用接地系統要求在變電站的建筑物內把變電站內所有的金屬物,如設備、地網、電力系統的零線、自來水管及其金屬屏蔽層,用電氣連接的方法連接起來,或者把各系統原來的接地網通過地下或地上的金屬連接起來,使它們之間形成統一接地網。通過應用這種共用接地系統和等電位技術,變電站建筑物內的電氣和電子設備的金屬外殼、機柜、機架、計算機直流地、防靜電接地、屏蔽線外層、安全保護地及各種SPO(浪涌保護器等)接地端均應以最短的距離就近與等電位網絡進行連接。當雷電襲擊變電站時,雷電流在各系統上產生的高電壓將同時存在各系統的接地線上,這樣就使各接地線之間不存在高電位差,各系統電位相同,兩點間沒有電流,電位差為零,基本清除了系統之間的擊穿問題。

(2)合理選擇電纜敷設路徑。

電纜是變電站受到雷擊破壞的一個重要環節,二次系統電纜可能會由于一次系統設備或電纜受到雷擊而產生感應耦合,為此,二次電纜的鋪設應遵循以下原則:一是變電站電纜應盡可能地避開高壓電纜、有可能存在暫態大電流的電纜以及暫態強電流入地點,并盡可能減小平行敷設的長度。二是避免采用架空電纜,在進入變電站前改為直埋電纜,其金屬外護層應在兩端分別與主接地網可靠連接。第三,采用非金屬護套電纜時,埋地敷設應穿金屬管,同時保證至少在金屬管的兩端應有可靠接地,并要求金屬管全長保持電氣連通。

(3)加裝浪涌保護器。

閃電放電產生的瞬態浪通過電壓將會對二次設備產生嚴重影響,甚至會將其摧毀。如果缺乏限壓及泄流的保護措施,低壓電氣系統將難以承受瞬態雷擊浪涌的沖擊。因此,在變電站二次系統中加裝浪涌保護器,是保護系統免受雷擊的重要措施。

3 結語

從以上分析可以得出以下主要結論:一是變電站二次系統的防雷措施,正逐步由單純的共用接地系統方式向二維、三維空間防雷轉變。二是應在確定變電站二次系統的具體技術參數的前提下,進行有針對性的防范措施。三是應從攔截、分流、等電位連接、屏蔽、接地、布線等幾個步驟分析變電站二次系統防雷的具體要求。

參考文獻

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