試論變電站二次系統(tǒng)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(fā)變電站二次系統(tǒng)雷災(zāi)的主要起因,針對(duì)二次系統(tǒng)的雷擊危害,變電站可通過(guò)解決地網(wǎng)電位差的方法來(lái)加以消除。本文從雷擊破壞二次系統(tǒng)的幾個(gè)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(gè)步驟闡述了變電站二次系統(tǒng)防雷的主要做法,并對(duì)變電站二次系統(tǒng)防雷進(jìn)行了經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。

關(guān)鍵詞:變電站 二次系統(tǒng) 電磁脈沖輻射 雷電災(zāi)害

中圖分類(lèi)號(hào):TV2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1672-3791(2012)10(c)-0116-01

1 變電站二次系統(tǒng)雷災(zāi)的起因和表現(xiàn)

雷電干擾是變電站所受干擾的重要因素,特別是對(duì)于二次系統(tǒng)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(duì)于一次系統(tǒng)的防雷要求在設(shè)計(jì)上都給與了高度重視,但對(duì)于二次系統(tǒng)的防雷往往并沒(méi)有給與特別關(guān)注,尤其是針對(duì)電話(huà)程控交換機(jī)、通訊線路、廠區(qū)電視信號(hào)裝置、電視信號(hào)線路、監(jiān)控線路、二次設(shè)備和二次線路等,雷電往往極易引發(fā)這些設(shè)施的故障和損壞。

從作用原理來(lái)看,變電站受到雷擊從而破壞二次系統(tǒng)有一個(gè)比較復(fù)雜的作用路徑,一般情況是:雷電入侵變電站后使避雷器發(fā)生動(dòng)作,電流通過(guò)變電站地網(wǎng)接入大地,但同時(shí)也引起了變電站地網(wǎng)電位升高。由于變電站各設(shè)備對(duì)地電位不相等,由此形成地網(wǎng)電位差,該電位差通過(guò)電源中性點(diǎn)形成回路,導(dǎo)致反擊引起設(shè)備損壞。但是,根據(jù)雷擊方式的不同,二次系統(tǒng)受到的破壞可以分為以下幾類(lèi)。

1.1 直擊雷和感應(yīng)雷

直擊雷是指雷電直接擊到建筑物上,由于直擊雷蘊(yùn)含極大的能量,電壓峰值可達(dá)5000 kV,因此蘊(yùn)含著極大的破壞力。雷電流所產(chǎn)生的電磁脈沖超過(guò)2.4高斯時(shí),集成電路將發(fā)生永久性損壞,這對(duì)于變電站二次系統(tǒng)而言也是致命的。不過(guò),這種直擊雷造成的雷電災(zāi)害比較少見(jiàn),大部分變電站二次系統(tǒng)所受到的雷擊破壞都是感應(yīng)雷作用,也即云層之間的頻繁放電產(chǎn)生強(qiáng)大的電磁波,在電源線和信號(hào)線上感應(yīng)極高的脈沖電壓,從而對(duì)各種設(shè)備造成破壞,但這種感應(yīng)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(tǒng)受損的重要原因。遠(yuǎn)處的雷電擊中低壓供電線路、通訊線路、信號(hào)線路或因電磁感應(yīng)產(chǎn)生的極高電壓,由電源線路、視頻線、控制線、網(wǎng)絡(luò)傳輸線傳至電站控制設(shè)備,造成設(shè)備損壞。此外,當(dāng)建筑物遭受雷擊時(shí),雷電流向地泄放的時(shí)候會(huì)在埋地敷設(shè)的管道、線纜上耦合出過(guò)電壓、過(guò)電流。如果二次設(shè)備緊鄰變電站中的建筑物,那么就容易因耦合產(chǎn)生的過(guò)電壓、過(guò)電流而損壞。

1.3 地電位反擊

二次設(shè)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(shè)備的電壓就等于電源供給的電壓。當(dāng)發(fā)生雷擊的時(shí)候,由于各二次設(shè)備分布在不同位置,且設(shè)備外殼就近接地,其接地點(diǎn)與雷擊點(diǎn)產(chǎn)生水平距離,由于各自距離的不同,各分布點(diǎn)的電位則不同,二次設(shè)備接地點(diǎn)與電源點(diǎn)的電位差也不同,這就導(dǎo)致地網(wǎng)電位差的產(chǎn)生。

2 變電站二次系統(tǒng)的防雷思路和主要措施

現(xiàn)代防雷方案所考慮到的防護(hù)對(duì)象包括建筑物、人和設(shè)備,從這三種保護(hù)對(duì)象出發(fā),我們可以從攔截、分流、等電位連接、屏蔽、接地、布線等六個(gè)方面進(jìn)行變電站二次系統(tǒng)的防雷設(shè)計(jì),而這六種防雷措施又可以分為外部防雷和內(nèi)部防雷兩大方面,外部防雷主要以接閃器(避雷針、帶、網(wǎng)線等)、引下線、接地裝置等構(gòu)成,防止雷電直接擊中建筑物、人員和設(shè)備。內(nèi)部防雷主要以等電位連接為主,包括對(duì)不帶電金屬部件的直接等電位連接以及對(duì)帶電部件、線路等通過(guò)浪涌保護(hù)器進(jìn)行間接等電位連接。

(1)采用共用接地系統(tǒng)。

針對(duì)雷擊引發(fā)的變電站地網(wǎng)電位差,一個(gè)可行的方法是共用接地系統(tǒng)。共用接地系統(tǒng)的范圍包括交流工作地、直流工作地、安全保護(hù)地、防靜電地、防雷接地等等。具體來(lái)說(shuō),共用接地系統(tǒng)要求在變電站的建筑物內(nèi)把變電站內(nèi)所有的金屬物,如設(shè)備、地網(wǎng)、電力系統(tǒng)的零線、自來(lái)水管及其金屬屏蔽層,用電氣連接的方法連接起來(lái),或者把各系統(tǒng)原來(lái)的接地網(wǎng)通過(guò)地下或地上的金屬連接起來(lái),使它們之間形成統(tǒng)一接地網(wǎng)。通過(guò)應(yīng)用這種共用接地系統(tǒng)和等電位技術(shù),變電站建筑物內(nèi)的電氣和電子設(shè)備的金屬外殼、機(jī)柜、機(jī)架、計(jì)算機(jī)直流地、防靜電接地、屏蔽線外層、安全保護(hù)地及各種SPO(浪涌保護(hù)器等)接地端均應(yīng)以最短的距離就近與等電位網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接。當(dāng)雷電襲擊變電站時(shí),雷電流在各系統(tǒng)上產(chǎn)生的高電壓將同時(shí)存在各系統(tǒng)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(tǒng)電位相同,兩點(diǎn)間沒(méi)有電流,電位差為零,基本清除了系統(tǒng)之間的擊穿問(wèn)題。

(2)合理選擇電纜敷設(shè)路徑。

電纜是變電站受到雷擊破壞的一個(gè)重要環(huán)節(jié),二次系統(tǒng)電纜可能會(huì)由于一次系統(tǒng)設(shè)備或電纜受到雷擊而產(chǎn)生感應(yīng)耦合,為此,二次電纜的鋪設(shè)應(yīng)遵循以下原則:一是變電站電纜應(yīng)盡可能地避開(kāi)高壓電纜、有可能存在暫態(tài)大電流的電纜以及暫態(tài)強(qiáng)電流入地點(diǎn),并盡可能減小平行敷設(shè)的長(zhǎng)度。二是避免采用架空電纜,在進(jìn)入變電站前改為直埋電纜,其金屬外護(hù)層應(yīng)在兩端分別與主接地網(wǎng)可靠連接。第三,采用非金屬護(hù)套電纜時(shí),埋地敷設(shè)應(yīng)穿金屬管,同時(shí)保證至少在金屬管的兩端應(yīng)有可靠接地,并要求金屬管全長(zhǎng)保持電氣連通。

(3)加裝浪涌保護(hù)器。

閃電放電產(chǎn)生的瞬態(tài)浪通過(guò)電壓將會(huì)對(duì)二次設(shè)備產(chǎn)生嚴(yán)重影響,甚至?xí)⑵浯輾АＨ绻狈ο迚杭靶沽鞯谋Ｗo(hù)措施,低壓電氣系統(tǒng)將難以承受瞬態(tài)雷擊浪涌的沖擊。因此,在變電站二次系統(tǒng)中加裝浪涌保護(hù)器,是保護(hù)系統(tǒng)免受雷擊的重要措施。

3 結(jié)語(yǔ)

從以上分析可以得出以下主要結(jié)論:一是變電站二次系統(tǒng)的防雷措施,正逐步由單純的共用接地系統(tǒng)方式向二維、三維空間防雷轉(zhuǎn)變。二是應(yīng)在確定變電站二次系統(tǒng)的具體技術(shù)參數(shù)的前提下,進(jìn)行有針對(duì)性的防范措施。三是應(yīng)從攔截、分流、等電位連接、屏蔽、接地、布線等幾個(gè)步驟分析變電站二次系統(tǒng)防雷的具體要求。

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