淺析水電廠升壓站二次系統防雷措施

蒲永

(茂縣天龍湖電力有限公司，四川成都 610091)

雷電是一種自然現象，給人類社會帶來了不少危害，國際電工委員會已將雷電災害稱為“電子時代的一大公害”，而直擊雷擊、感應雷擊、雷電波侵入等瞬時過電壓已成為破壞電子設備的罪魁禍首。筆者對大量的水電廠升壓站二次設備雷擊事故進行分析得知，由雷電感應和雷電波侵入造成的雷電電磁脈沖(LEMP)是控制設備損壞的主要原因。因此，只有了解其形成過程，尋求有效地防護措施，才能減少雷電帶來的損失。

按照電力設計規范，水電廠升壓站內一般都安裝有避雷針、避雷網或避雷帶等防直擊雷措施，并且均采取了聯合接地的方式。從形式上看，其已具備了良好的防雷和抗外界電磁干擾的性能，然而，二次設備為什么有時還會遭受過壓過流而損壞呢?甚至還會對操作維護人員的人身構成威脅呢?分析其原因:這是由于當發生雷電時，帶電的云層會在站內二次設備上產生感應電荷或雷電感應通過通信或電源線路侵入，如果天線和通信線纜與大地之間泄流通路不暢，就會由于感應在天線和線纜與大地之間產生的高電位而引起過電壓，致使通信設施無法承受強電流的侵入而損壞，甚至會危及操作人員的人身安全。

1 雷電入侵水電廠升壓站建筑物內設備的途徑分析

水電廠升壓站內的建筑物一般不超過3層(地面以上)，屬二類防雷建筑物，但由于水電廠升壓站設備處在一個強電和弱電系統形成的錯綜復雜的電磁環境中，高壓開關設備的操作切換、雷電閃擊、一次設備短路接地、二次回路切換、人員及鄰近物體的靜電放電和無線電輻射等產生的電磁干擾可能通過各種耦合進入二次系統形成浪涌和過電壓。其中雷擊在線路上引起的上萬伏的過電壓、過電流及極強的交變電磁場是損壞建筑物內設備的主要原因。雷電入侵建筑物內設備的途徑有配電線路、通信線路、雷擊電磁場、地反擊等四種途徑，具體分析如下。

1.1 配電線路引入的雷電過電壓

雷電波通常是通過水電廠升壓站臨近的線路侵入母線，再經過變壓器高、低壓繞組間的靜電和電磁耦合進入低壓出線，途中經過了線路避雷器、母線避雷器等多級削峰，再經過變壓器低壓出線的平波作用使電壓幅值大為下降。但由于雷電波的波峰幅值和能量很大，雖然雷電波在經過上述避雷器后大部分能量得以消除，但仍有部分雷電波以幅值相對很高且作用時間很短的低能量尖峰脈沖的形式通過變壓器的低壓出線加到水電廠升壓站內所有的380 V 交流回路中。

220 V 等直流線路因進出高壓場等原因，也是引入雷電的主要線路之一。

1.2 通信線路引入雷擊

通信線路(通信線路一般包括一般有載波線、電話線、控制線等)由于水電廠升壓站的通信電纜出線較長，感應雷電通過遠控系統電纜及信號電纜侵入，以很高的電壓直接加在二次設備上，該過電壓輕則使設備加速老化，重則直接將設備損壞。對于電力系統來講，RS485、RJ45網線、GPS 及微波載波等饋線等都是引入雷電的通信線路。

1.3 雷電電磁場

上述兩條途徑是有型的看到的途徑，而電磁場是空間傳播的、看不到的東西，此處所述的雷電電磁場是指雷擊引起的室內的電磁場，該電磁場使室內的線路感應到過電壓，該過電壓直接傳到設備，該電磁場也可使設備內PCB 板上的線路或器件感應到過電壓，使設備損壞。實驗表明:設備(包括設備近距離的連接線)處在2.4 GS 的電磁場中時設備會永久性損壞，設備(包括設備的近距離連接線)處在0.07 GS 的電磁場中時設備會產生誤動作。說到底，雷電電磁場的危害最終還是使設備及線路感應到過電壓。對于電力系統來講，電力建筑物內的鋼筋(當作引下線用)、水電廠升壓站布線層內進出高壓場地的各種線路都是雷電電磁場的產生源。

1.4 地反擊

當水電廠升壓站或線路遭受雷擊后，雷電流會經避雷裝置流人接地網，如果接地網的接地電阻偏大或接地網的均壓效果不好時，在強大的雷電流作用下，會使接地網的局部電位顯著抬高，并由此導致地電位對設備反擊而損壞設備。

從安全及運行穩定等角度考慮，電氣設備必須接地;如果雷擊時，設備的接地線路為高電位，而設備的某處因某種原因為低電位時，則地線對設備上該點的電位差全部由設備承受，這實際上就是地線對設備某點的過電壓，該過電壓輕則使設備加速老化，重則直接將設備損壞。地反擊是設備接地線路對設備某點的電位差，如果設備不存在低電位點則不存在電位差，單是地線高電位只能說是“水漲船高”。沒有電位差，也就沒有過電壓(在電磁學里，電位差稱電壓)，當然設備也就不會損壞。單獨的一臺設備與外部沒有任何導體連接時為高阻狀態，此時，設備接地線為高電位，也不會存在電位差。一般來講，設備接地線高電位對設備外接的配電線路、通信線等有電位差。說到底，地反擊實際上就是地線與電源等線路之間產生了過電壓。對于電力系統來講，因采用共用接地方式而不存在地與地之間的反擊，但地線對電源線、通信線之間則是存在反擊的，這也相當于是電源與通信線引入了雷電。

2 感應雷防護現狀

就以上幾方面原因我公司對所屬的天龍湖、金龍潭、仙女堡電廠進行了詳細的勘測，參照相關標準，弱電系統均無防感應雷措施，具體分析如下:

(1)配電系統:電力線是雷電進入電子設備的主要途徑，水電廠升壓站站內用電進入主控室和載波機房的配電系統必須采取安全、可靠的防雷保護措施，在水電廠站內總交流配電屏、直流總饋電柜、站內后臺機的UPS 配電均沒有安裝電源浪涌保護器，只是在通信機房內的-48 V 直流電源前廠家配置了直流48 V 的保護器。

(2)通信系統:通信信號線是與外界實現通信聯系的主要途徑，這些與外界聯系的通信線路與機房的終端設備相接，如果是架空敷設的，遭受雷擊的概率非常大。水電廠升壓站主控室的通信系統主要有:載波線、GPS 天饋線、RS485信號控制線、RS232信號控制線、CAN 網電纜連接到10 kV 饋線測控、RS422連接到后臺監控主機電纜、電話撥號音頻與MODEM 相連接線，以上的連接電纜會受其它線路相互感應的影響較易感應到電流，感應雷電的幾率較大，沒有安全、有效的防雷保護措施。

(3)交流采樣、開關量回路:TV 和TA 二次線從戶外高電壓場引入到主控室的各種二次設備，沒有防雷保護措施，極易從一次系統感應雷擊。還有開關場的開關量經直流220 V 或48 V 引入到保護裝置和監控后臺機。提供開關、刀閘等供保護裝置和監控及五防使用，該類引線較易感應到雷電流，感應雷電的幾率較大，無有效的防雷保護措施。

(4)地電位反擊:各電廠升壓站主建筑均采用共地方式，因此，不存在地與地之間的反擊而損壞弱電設備。

3 天龍湖、金龍潭、仙女堡電廠升壓站二次系統的防雷措施

3.1 配電線路部分

一個完善的水電廠升壓站配電線路的防護方案應從總交流配電、直流配電、重要設備配電等全面考慮。

對交流電源實行三級防雷保護。

第一級安裝在站用變400 V 進線柜母線側，即在變電器的低壓側加裝間隙型浪涌保護器，泄放大部分入侵水電廠升壓站的雷電流。

第二級站內總交流配電屏內的380 V 線路分別安裝一臺三相電源防雷器，防止雷擊過電壓從交流配電線進入中控室的二次設備。

第三級分直流和交流防雷。直流第三級防雷裝置安裝在站內裝置柜內，如各類保護柜、測控柜、故障錄波裝置、安穩及其它自動裝置、通信直流電源柜等;交流第三級防雷裝置安裝在站內裝置柜內的交流電源上，如UPS 電源上。

3.2 信號線路

(1)載波線防雷:在載波到通信柜柜前安裝雙絞線信號浪涌保護器，防止載波線路在高壓場地感應雷電進入機房，對設備構成危害。

(2)通信線防雷:在通信線進入設備前串接信號浪涌保護器，抑制沿線路傳導的過電壓對設備造成的危害，可滿足ADSL，ISDN，DDN 幀中繼，模擬電話線等多種通信線路的防雷保護。

(3)天饋線防雷:對擁有帶BNC 或N 接頭的連接收發器GPS 時鐘系統，在同軸進入同步裝置前串接高頻饋線防雷器，防止天饋線從戶外引入雷擊過電壓進入設備，對設備構成危害。

(4)設備間通信線路防雷:水電廠升壓站二次設備間通信主要采用RS485、RS232 RS422，CAN 等方式。主要是通過感應雷擊產生的過電壓擊毀通信端口或引起設備集成電路芯片損壞。在通信口的兩端口分別安裝相應的信號避雷器。

(5)TV 二次回路防雷:水電廠升壓站TV 二次電壓進入保護裝置一般都采取了一定的防雷措施，如電抗器隔離、光耦隔離等。

3.3 接地、屏蔽系統

規范水電廠升壓站設備的接地、屏蔽工作，是提高二次設備防雷水平的最直接、最有效的措施:

(1)水電廠升壓站綜合自動化系統及其它二次設備應采用共地系統，接入水電廠全廠主接地網。

(2)主控室接地網將各盤柜內地線通過接地銅排首尾相連形成環網，接地銅排截面積不小于100 mm2。

(3)需要接到各接地網的二次設備主要有:自動化設備機箱、保護、測控裝置機箱，自動化系統、保護、測控裝置的隔離變壓器(如采樣系統用的測量TA 和TV，直流逆變電源隔離變等)屏蔽層，二次電纜屏蔽層、鎧裝層(采用兩端接地方式)，后臺監控計算機機箱、UPS 電源機箱。二次設備盤柜(如保護屏、測控屏)、端子箱應直接接地。線路TA 和CVT 二次回路采用就近接地，母線TA，CVT 二次回路采用主控室接地，與母線TA和CVT 二次回路有電聯系的所有TA 和CVT 二次回路應共同一點在主控室接地。

4 結語

筆者針對綜合自動化設備，通過對雷電波入侵途徑進行分析，結合當今弱電防雷技術，探討了水電廠升壓站二次系統的防雷措施。在強調現有水電廠升壓站二次設備接地和屏蔽的重要性的同時，又突出了現代防雷設備在綜合自動化系統防雷上的應用，措施有效，提高了綜合自動化系統二次設備的防雷水平，確保了系統的安全運行。