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)雷災的主要起因,針對二次系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)防雷的主要做法,并對變電站二次系統(tǒng)防雷進行了經驗總結。

關鍵詞:變電站 二次系統(tǒng) 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(tǒng)雷災的起因和表現(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,很多變電站對于一次系統(tǒng)的防雷要求在設計上都給與了高度重視,但對于二次系統(tǒng)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(qū)電視信號裝置、電視信號線路、監(jiān)控線路、二次設備和二次線路等,雷電往往極易引發(fā)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(tǒng)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(fā)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(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。

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(fā)生永久性損壞,這對于變電站二次系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(fā)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(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對象包括建筑物、人和設備,從這三種保護對象出發(fā),我們可以從攔截、分流、等電位連接、屏蔽、接地、布線等六個方面進行變電站二次系統(tǒng)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(tǒng)。

針對雷擊引發(fā)的變電站地網電位差,一個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、安全保護地、防靜電地、防雷接地等等。具體來說,共用接地系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)一接地網。通過應用這種共用接地系統(tǒng)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(tǒng)上產生的高電壓將同時存在各系統(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,兩點間沒有電流,電位差為零,基本清除了系統(tǒng)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(huán)節(jié),二次系統(tǒng)電纜可能會由于一次系統(tǒng)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(tài)大電流的電纜以及暫態(tài)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(tài)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(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)中加裝浪涌保護器,是保護系統(tǒng)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(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、三維空間防雷轉變。二是應在確定變電站二次系統(tǒng)的具體技術參數(shù)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(tǒng)防雷的具體要求。

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