水電站自動化系統防雷設計的研究

楊依東

（懷化市水利電力勘測設計研究院 湖南懷化 418000）

水電站自動化系統防雷設計的研究

楊依東

（懷化市水利電力勘測設計研究院 湖南懷化 418000）

社會經濟的不斷發展，科學技術也越來越發達，電力自動化的程度不斷提高，微機控制設備在眾多的中小型水電站中應用也越來越廣泛。本文則先從自動化系統受到雷電的干擾的主要途徑進行分析，以及自動化系統防雷電干擾的主要方法及措施進行分析，以期為相關單位提供參考。

水電站；自動化系統；防雷設計

引言

防護工作是中小型水電站自動化系統中一項重要的工作內容，按照實際的情況，采取相應的措施來解決這些干擾的信號，對其傳播進行阻礙，或者將其傳播的路徑進行切斷，因而做好雷電干擾防護工作需要從空間和頻域兩方面進行。

1 自動化系統中雷電干擾的主要途徑

據有關部門進行的測量工作來看，我國的雷電電流基本都維持在了100000A左右，有時還可能超過200000A以上，這樣大的電流量不管是通過避雷針流入大地還是沿著建筑物的鋼筋結構流入大地，都會經過有關的導線，對水電站中的自動化系統造成干擾。電站自動化系統通常實行的能夠自行配置的結構都是開放式的，因而對其進行布置時都是分層進行布置的，其主要分為兩層，即電站的主控制層和現地控制層兩個單元。如下所示，即為自動化系統中具體干擾途徑：

1.1 通過電源線路入侵

自動化系統受到雷電干擾通過電源線路入侵的主要包含三種途徑：①直接進入；②電磁耦合；③電容耦合。

（1）所謂的直接進入即是指電源直接被雷電擊中，電流會再次經過電源設備直接進入，形成了二次回路入侵，此干擾方式產生的電壓就很高，嚴重損害二次設備的性命，如果雷電電流的陡度按照每毫秒100000A進行測算的話，那么長度為10m的單根引線的引導下，設備的電感電壓會達到1MV，甚至更高。變電站在實際工作中，由于有電暈消耗存在，產生的電壓會較低，但對于變電站自動化系統的打擊卻是致命的。

（2）所謂的電磁藕合是變電站設備中的一種以及跟變電站有關的用電裝置，即是為了進一步提高檢修的效率，將不同的導線束在一起，而束在一起的導線則會有耦合感應發生，且這些耦合感應大小不一。根據耦合感應的有關原理，雷電在擊中電源線路或者經過地下侵入時，會導致電源線跟變電站自動化系統中有關設備形成連接的關系，從而發生一定的磁場耦合反應，程度不一，對自動化系統的正常運行造成干擾，嚴重時還會對系統的功能造成威脅，降低了系統的運行性能。通常在描述耦合時是以參數模型作為基礎的，而后再進一步簡化電路的理論。

（3）所謂的電容耦合就是電源線路靠近水電站自動化系統時，雷電會沿著有關的線路侵入到電源線路，致使電源線路產生電場，這些電場會通過電容耦合對自動化系統中其余的線路造成感應。

1.2 通過地電位反擊引入

無論雷電是經過避雷器的接地引下線侵入到水電站的自動化系統，再經過接地網流入大地，或者是通過構架的避雷線侵入到水電站自動化系統中，再經過接地網流入大地，都會使得電位發生較大的異常反應，從而導致跟接地網有關的電網上升特別的迅速，對水電站自動化系統的正常運行造成了很大的影響。然而，在水電站的自動化系統實際運行中，常會在將低壓電纜設置在地網旁邊相應的電纜溝里，這些電纜通常都有控制、通信、計量以及對電路形成二次保護的作用，對于這些由于雷擊而產生的有異常的電位差，會在電纜的屏蔽層處形成表皮電流，電流的強度十分的高，而后這些電流會通過屏蔽層和芯線的耦合干擾到電纜芯線的，嚴重時還會干擾到水電站自動化系統的正常運行。因而對于電壓產生的干擾方式的不同，可以將通過地電位反擊引入產生的雷電干擾分為兩種形式，即差模干擾和共模干擾。而雷電電擊的主要參數一般有兩個：①從幾十安甚至到幾十萬安不等的雷電流，會嚴重破壞水電站的自動化系統，盡管這樣類型的破壞事件較短，但破壞的程度卻是很深的，性質極其惡劣。②雷電流上升時的速度即是常說的陡度，當值域在1000～80000A/μm之間。上述兩個放電特性即是雷電對水電站自動化設備的影響，水電站自動化系統在實際運行中，受到雷電的影響可以分為兩種：①感應雷影響，其對水電站自動系統造成破壞一般體現在影響電磁感應、雷電反擊以及靜電感應等。②直擊雷影響，其對水電站自動化系統設備造成破壞一般體現在影響雷電流沖擊波、電效應、熱效應等。

2 自動化系統防雷電干擾的主要方法及措施

通過上述對雷電干擾入侵的途徑進行分析后，要對其提出相應的防雷干擾措施。一般對雷電的干擾進行防護要從空間和頻域兩方面進行防護。空間防雷主要有信號和電源兩個防護系統，能夠有效抑制電線的干擾；而頻域防雷則是通過軟件編程完成光電隔離，且利用濾波的方式避免雷電對水電站自動化系統造成干擾。

2.1 信號系統防護

為了對信號系統進行防護，可以使用浪涌抑制器。相關規范中有提到，機房使用的電纜要具有一定的屏蔽層，而使用的屏蔽電纜則要穿過鋼管進行鋪設。因而，為了對水電站自動化系統信號的電纜進行保護，可以利用金屬鋼管進行電流的引入或引出，要做好金屬鋼管的接地工作，以便能夠保護好線路屏蔽接地。具體而言，選擇SPD專用信號，由于直接進入系統通訊接口（此接口的電壓一般在5～50V之間）或者是或接入可編程控制器會嚴重損害自動化系統，因而使用浪涌抑制器抑制電壓，保護信號系統。

2.2 電源系統防護

（1）可以將避雷器安裝在變壓器的出口，或者在自動化系統中的低壓配電線路中安裝低壓避雷器，以防止雷電波侵入時產生的電壓損壞電源系統。安裝避雷器時，為了確保自動化系統能夠正常運行，要限制好避雷線的殘壓，還要限制侵入波的陡度，同時，還要有效的對設備與避雷器之間的實際線路距離進行保護。

（2）由于雷電波具有的能量較大，峰值較高，因而為了對水電站自動化系統的電源的進線處進行保護，則需要在電源接入端安裝浪涌保護器，以便全面的保護自動化系統。但是，盡管有浪涌保護器對雷電波進行抑制，雷電波依舊存儲著較高的能量相應的高頻分量，會損害電源系統，因此，可以利用所以應利用液相色譜儀低通濾波器對雷電波進行濾波。此外，為了能夠吸收雷電殘余的能量，可以在濾波器中加裝壓敏電阻，且壓敏電阻具有很好的非線性性能，能夠有效保證電壓鉗處于安全區域。

2.3 抑制地電位干擾的措施

為了有效避免水電站自動化系統受到雷電的干擾而遭到破壞，產生電位差反應，減少損失，可以采取以下剛干擾的措施：①減小接地網中的接地電阻，以便能夠很好的抑制地電位的升高。②適當的改善地電位的分布情況，以便能夠限制局部電位的升高。③利用等電位連接的方式，或者是采取金屬屏蔽接地的措施。在現代防雷的理論中均壓等電位連接的方法效果最好，在水電站自動化系統中，實現等電位連接的主體通常有五個：①通過建筑物里的金屬進入管道；②建筑物主要控制室中的主要金屬元件；③一系列的供電線路，包含有電纜裸露的設備；④防雷裝置；⑤由電子設備組成的信息系統。

3 結語

總之，上述對于水電站自動化系統的防雷設計還比較局限，因而在對水電站自動化系統受到的雷電干擾進行分析研究時，還要與水電站具體的運行情況相結合，采取行之有效的抑制電位干擾的措施，將雷電等災害對水電站中自動化系統產生的干擾降到最小，促進水電站自動化系統的安全穩定的發展，從而推動我國水利水電事業的發展。

[1]趙斌，趙志勇，邱小弟，等.小灣水電站安全監測自動化系統的總體設計[J].水電自動化與大壩監測，2008（6）：53～57.

[2]周成林.變電站綜合自動化數字物理仿真培訓系統的研究與設計[D].湖南大學，2009（45）：89～90.

[3]朱金龍.變電站綜合自動化系統防雷保護措施的研究[J].電子技術與軟件工程，2013（16）：194.

TM862

A

1004-7344（2016）24-0121-02

2016-8-2

楊依東（1979-），男，工程師，本科，主要從事電氣設計等工作。