变电站自动化系统防雷接地技术报告.doc

变电站自动化与通信系统防雷接地研究技 术 报 告 2007年5月技术报告编写: 江西景德镇供电公司生产技术部 编写人:倪亚强技术协作单位: 武汉大学恒安防雷接地技术中心 技术指导:周文俊(教授)目 录1 引言- 92 雷电的产生、分类和参数- 103 雷电对电子设备的危害途径- 154 电力调度自动化现状- 245 综合防雷措施- 266 过电压保护器- 297 经济效益分析- 311 引 言 雷电是云中电荷积累将空气击穿放电的大自然现象，它年复一年的发生。雷电所产生的强大电流，炽热的高温，猛烈的冲击波，剧变的电磁场和强烈的电磁辐射等物理效应，往往给人们带来诸多灾难，如雷击森林起火，建筑物被击坍，油库、炸药库击爆，电力、通讯、石油、气象等部门的精密检测仪器和计算机的设备被击坏等。全世界每年受雷害损失达十多亿美元。人们致力于雷电现象及其防护的研究，已有近百年的历史，对于建筑物和一般工程系统的防雷已取得了很大的成绩，在国防设施的武器系统方面已开展了雷电防护和抗干扰的很多工作。电力系统是保障国民经济快速发展的主要能源系统，雷电防护在电力系统中占有重要的地位。经过几代人的努力，我国电力系统防雷研究取得了很大的成绩，并制定了有关防雷保护和接地的规程。但是，随着电力系统规模的不断扩大和通讯事业的高速发展，现代计算机技术和微电子技术在电力系统中得到了越来越广泛的应用，计算机和电子设备中的集成芯片对外界的影响极为敏感，极容易受干扰或损坏。当雷电引起的过电压或雷电流伴随的电磁场强度达到一定的阀值时，轻则会引起设备的误动作，使工作特性变坏，或冲掉存储的有用信息，重则会使集成芯片等电子器件发生永久性损坏。由雷击引起的地电位升高，会使设备外壳与内部元件之间产生反击，威胁人身安全，损坏整个电子设备系统，也严重威胁到受控系统的安全，影响系统的正常运行，甚至造成国民经济的损失。近年来，电力系统中计算机及电子设备遭受雷击的事例逐年增多，其主要原因是系自动化程度高的微电子设备使用的增多，而这些设备的耐雷水平很低，对外界干扰及其敏感。这是新设备和新型电子器件应用中伴随出现的新问题，也是国内外一个带共性的问题。国际上的不完全统计表明，日本每年电子设备故障的6是因雷电引起的，美国佛罗里达州每年由雷击引起多次计算机损坏事故，德国19841985年期间有113台设备因雷击损坏。在国内，每年也有很多进口和国产的计算机因遭受雷击而损坏。统计结果表明，华中电力网近几年造成设备损坏，导致长时间通信中断的主要原因是雷害，仅武衡线段的15个站中，就有12个站曾遭受雷击而影响正常通信，甚至破坏设备多台。19871990年全国有17个站22次遭受雷害使通信设备损坏。仅1989年8月30日夜就有5个站遭受袭击，损坏11块电路盘，通信中断17个小时。在全国电力系统中，调度自动化与通信系统因雷害所造成的故障和经济损失已引起人们的关注。调度自动化与通信系统防雷是一个急需解决的问题，对保证电力系统安全可靠运行有着重要的意义。巢湖供电公司有多座变电站和微波站，近年来多次遭受雷害，雷电过电压导致PCM板和电源板损坏，严重影响微波通信站和电力调度系统的正常运行。本项目的内容是研究分析调度自动化与通信系统雷电过电压产生的原因，找出相应的对策，提出可行的综合防雷方案，以保证调度自动化与通信系统的正常运行。2 雷电的产生、分类及参数2.1 雷电的产生 雷雨季节，太阳使地面水分部分化为蒸汽，同时地面空气受热地面的作用变热而上升，成为热气流。由于太阳几乎不能直接使空气变热，所以每上升1km，空气温度约下降10，上升的热气流遇到高空的冷空气，水蒸气凝成小水滴，形成热雷云。此外，水平移动的冷气团或热气团，在其前锋交界面上也会因冷气团将湿热的暖气团抬高而形成面积极大的锋面雷云。在足够高的高空，例如在4km以上时水滴也会转化为冰晶。 雷云的带电过程可能是综合性的，强气流将云中水滴吹裂时，较大的水滴带正电，而较小的水滴带负电，小水滴同时被气流携走，于是云的各部带有不同的电荷。此外，水在结冰时，冰粒上会带正电，而被风吹走的剩余 图2.1 雷云电荷的分布的水带负电。带电过程也可能和它们吸收离子、相互撞击或融合的过程有关。实测表明，在510km 的高度主要是正电荷的云层，在1 5km的高度主要是负电荷的云层，但在云的底部也往往有一块不大区域的正电荷聚集(参看图2.1)。雷云中电荷的分布也不是均匀的，往往形成多个电荷密集中心。每个电荷中心的电荷约为0.110C（库仑），而一大块雷云同极性的总电荷则可达数百库。雷云中的平均场强约为150kV/m，在雷击时可达340kV/m。雷云下面地表的电场一般为1040kV/m，最大可达150kV/m，当云中的电荷密集处的场强达到25003000kV/m时，就会发生先导放电。雷云放电大部分是在云间或云内进行的，只有小部分是对地发生的。雷云对地的电位可高达数千万伏到上亿伏。 在对地的雷云放电中，雷电的极性是指自雷云下行到大地的电荷的极性。最常见的雷电是自雷云向下开始发展先导放电的。据统计，无论就放电的次数来说，还是就放电的电荷量来说，90%左右的雷电是负极性的。但测量表明，大地的总电荷量是长时期保持不变的（约为4.5105C），因此相当大量的正雷云电荷必定是通过“悄悄放电”的形式运送到大地的。即大量的正雷是以地表电晕放电的形式消散的。正雷的消散之所以比负雷多，可能是因为地面上升的负离子速度为正离子速度的1.6倍。雷云放电的光学照片（见图2.2(a)）说明，由负雷云向下发展的先导不是连续向下发展的，而是走一段停一会，再走一段，再停一会。每级的长度为10200m，平均为25m。 停歇时间为10100s，平均为50s。每级的发展速度约为107m/s，延续约1s，由于有间歇，所以总图2.2 下行雷与雷电流的平均发展速度只有（18）105m/s。对先导的光谱分析表明，在其发展时中心温度可达3104K，而停歇时约为104K。由主放电的速度及电流可以推算出，先导中的线电荷密度约为(0.11)10-3C/m，从而又可推断出先导的电晕半径约为0.6m6m左右。相应于下行先导的电流是无法直接测出的，但由及其速度可估计出为100A左右。下行先导在发展中会分散成数支，这和空气中原来随机存在的离子团有关。当先导接近地面时，会从地面较突出的部分发出向上的迎面先导。当迎面先导与下行先导的一支相遇时，就产生了强烈的“中和”过程，出现极大的电流（数十到数百kA），这就是雷电的主放电阶段，伴随着出现雷鸣和闪光。主放电存在的时间极短，约为50100s。主放电的过程是逆着负先导的通道由下向上发展，速度约为光速c的1/201/2，离开地面越高则速度越小，平均约为0.175c。主放电到达云端时就结束了，然后云中的残余电荷经过主放电通道流下来，称为余光阶段。由于云中的电阻较大，余光阶段对应的电流不大（约数百A），持续的时间却较长（0.030.15s）。由于云中可能存在几个电荷中心，所以在第一个电荷中心完成上述放电过程之后，可能引起第二个、第三个中心向第一个中心放电，因此雷电可能是多重性的，每次放电相隔0.6ms到0.8s(平均约65ms)，放电的数目平均为23个，最多可达42个。第二次及以后的放电，先导都是由自上而下连续发展的（无停歇现象），而主放电仍是由下向上发展。第二级及以后的主放电电流一般较小，一般不超过30kA。在图2.2中画出了用底片迅速转动的照相设备拍得的下行负雷电过程以及与之相对应的电流曲线。正雷云的下行雷过程与上述过程基本相同。但下行正先导的逐级发展不明显，其主放电有时有很长的波头（几百微秒）和很长的波尾（几千微秒）。当地面有高耸的突出物时，不论正负雷云都有可能先出现由突出物上行的先导，这种雷叫上行雷。我国对上行雷的记录最早。在易经中已有“雷在地中”的记载。而清代纪晓岚的阅微草堂笔记中也有目睹雷电自地上升的记录。地面的突出物越高，产生上行先导需要的平均雷云下电场E0越小。可按表2.1估计E0值。上行负先导（此时雷云为负极性）也是逐级发展的，只是每级的长度较小（518m）。关于负雷电下行逐级发展先导的原因，过去曾有人认为是由于雷云的导电性能不良引起的。但是，由于上行负先导（由导电性能较好的大地出发）也是逐级发展的。而且下行负雷的第二次、第三次放电的先导并非逐级发展，这说明，负先导的逐级发展主要是由于负先导通道内部等值电阻太大引起的。负先导通道的电阻为10k/m左右。 表2.1 可能发展上行先导的估计条件地面突出物高度h,单位m50100200300500地面附近的雷云电场E0，单位kV/m372213.5107上行正先导的逐级发展不明显，曾对上行正先导的电流进行过直接测量，其值在50600A范围，平均约为150A。正先导通道的电阻估计为0.051k/m。无论正负上行先导，在先导到达雷云时，大部分并无主放电过程发生，这是由于雷云的导电性能不象大地那样好，除非上行先导碰到密集电荷区，否则难以在极短时间内供应为高速“中和”先导电荷所必须的极大的主放电电流，而只能出现缓慢的放电过程。此外，其放电电流一般为数百A，而持续时间很长，可达0.1s。无论正负下行先导，当它击中电阻较大的物体（如岩石或高电阻率的土壤）时，没有主放电过程发生。雷电主放电的瞬时功率P是极大的，例如以I=50kA计，弧道压降以E=6kV/m计，雷云以1000m高度计，则主放电功率P可达： P=5061000=300,000(MW)它比目前全世界任一电站的功率还要大！ 2.2 雷电的类型 关于雷电的类型，主要有线状雷电，涡状雷电，片状雷电及球雷，最常见的是线状雷电，它是一种蜿蜒曲折，枝杈纵横的巨型电火花，但也有时并不分枝。线状雷电的特征是雷电流比较大，它往往使建筑物发生火灾，并且能劈毁树木，打死人。它的长度约为2 km 3km，有时甚至达10km。线状雷电当雷电流很大时就变成涡状雷电。它的外貌比较粗，而且呈旋涡状。这是由于在雷电流很大时所生电动力作用的缘故。如果云中电荷在未形成线状雷电以前已不足维持放电时，就形成片状雷电，在云的上部发生密集的若隐若现的闪光，声音也很小，这是很弱的一种雷电。球雷是一种最奇妙最罕见最神秘的雷电。它是一种发光的球状形体或梨形体，直径大约20cm，但是也有过直径达10m的摄影记录。球雷存在的时间从几分之一秒到几分钟不等，一般多为35秒，常在雷闪之末发生。它象火光一般地明亮，四周围着雾状的极强的紫光区域，也有呈灰红色的。往往发出一种象口哨般的声音或嗡嗡声。它有时随风运动，但通常是独立的沿地面滚动，中途如果碰上障碍物或者越过或者停下。如果碰到良导体，则大多停下，产生极强的热，甚至使导体熔化。在地面或屋内运动的速度大约每秒2m，有时也能安静地停一会。它能通过开着的门窗甚至很小的缝隙进入屋内，烟囱尤其是它们最常走的道路。有时在屋里它会垂直升降23次，升降的高度由几厘米到几米不等，同时还可能向水平方向移动，因此看来好象作三级跳远一样。在屋内巡回几周之后也可能沿原道出去。如果碰到人畜，则会产生严重烧伤或死亡。它有时悄悄地消失，有时发出轻微的爆破声，有时发出震耳的爆炸声，当它消失后，往往留下一股具有刺激性的轻烟。球形雷电打死人畜的记载很多，我国民间留传很广的“龙”抓“火蜘蛛”的传说可能就是根据这种雷球的现象产生的。球雷还能引起房屋破坏或着火。除了单一的球雷之外，有时会发生一连串2030个、互相隔3/4m左右、直径为8cm左右的发光球体，在强烈的放电之后可维持0.5s之久，这种雷好象一串念珠一般，所以叫做念珠雷。佛伦克尔认为：球形雷电并不是一种特殊的放电形式，而是由于线状雷电放电时产生的化学反应形成的气球，其中包括臭氧，氧化氮及单原子的氮气。在球雷形成时，尘埃以及烟灰微粒也起着很大的作用，这些微粒掉进活性气体中时就产生旋涡运动，使放电形成球体并与周围的空气分开。由于活性物质分子蒸发汽化以及固体微粒受热到高温的缘故，球雷能发出很强的亮光，一连串化学反应的作用发生爆炸。用这种学说可以解释球雷常从烟囱中穿进房子的现象，因为在烟囱里很容易形成球雷。此外葛石呼斯认为球雷是水被分解成氢、氧二气而造成的带电爆炸瓦斯，他还做过极有趣的人造球雷的实验。他用电极对水面放电，在电极下就出现了发光的球体，只要轻轻吹一口气，就可以使球体移动，如果用玻璃罩把球体盖起来，就会产生褐色的氧化氮气体。球雷在我国也是一种时常出现的雷电。例如青岛某电厂曾有球雷滚入，将配电盘打了一个窟窿又滚出去了；天津某电厂也有球雷从窗子进来又出去的记录。1956年黑龙江省某户球雷曾滚入屋内打倒七八个人，打死一人。由于球雷一般是线状雷电的派生物，所以如果能够设法减少线状雷电或限制线状雷电的电流，那么球雷就会减少或消失。由上述可知，在防雷设计中，应主要设法防线状雷电。这时我们将雷电主放电过程看作一沿波阻为Z0的通道流动的波过程，该流动波的电流幅值如为I/2，则相应电压幅值必为IZ0/2。在雷击点实际测到的电流值显然与雷击点的电阻R有关。当R=Z0时，测得的电流即为I/2，但如RZ0，测得的电流即为2I/2I。在实际测量中，一般满足后一条件（RZ0），即我们测得的雷电流幅值I恰是沿通道Z0袭来的流动电流幅值的两倍，此点应特别加以注意。我们以后称I为雷电流幅值（简称雷电流）。2.3 雷电参数雷电流幅值与雷云中电荷多少有关，是一个随机变量。它又与雷电活动的频繁程度有关。所以我们采用雷暴日为单位，在一天内只要听到雷声就算一个雷暴日。我国在雷暴日大于20日的地区测得过1205个雷电流，其幅值概率可用下式表示：lgP=-I/88 (2-2)式中P为雷电流超过I（单位为kA）的概率。例如当I=100kA时，可求得P=7.3%,即每100次雷电大约有7次雷电流幅值超过100kA。 我国各地雷暴日的多少和纬度及距海洋的远近有关。海南岛及雷州半岛雷电活动频繁而强烈，平均年雷暴日高达100133。北回归线（北纬 23.5）以南一般在80以上（但台湾省只有30左右）北纬23.5到长江一带约为4080，长江以北大部分地区（包括东北）多在2040。西北多在20以下。西藏沿雅鲁藏布江一带约达5080。我国把年平均雷暴日不超过15的地区叫少雷区，超过40的叫多雷区，超过90的叫强雷电活动区。在防雷设计上，要根据雷暴日的多少因地制宜。雷电流的幅值随各国气象条件相差很大，但各国测得的雷电流波形基本一致。波长值大致在50s左右。波头t值大致在14s，平均在2.6s左右。我国在直击雷防雷设计中采用2.6s/50s的波形。既然波头长度变化不大，所以雷电流的波头陡度最大值（简称陡度）必然是和雷电流幅值密切相关的。根据实测结果，二者的相关系数为r=+(0.600.64)。国际大电网会议（CIGRE）对雷电研究的总结报告（1980年）指出：“同预料一样，（实测表明）雷电流幅值与其最大上升速度是肯定有关系的。” 一般取波头t2.6s，所以雷电流的平均上升陡度di/dt为：di/dt=I/2.6 (kA/s) (2-3)每平方公里每雷暴日的对地落雷次数叫落雷密度。我国根据磁钢棒的实测结果，取=0.015 (2-4)国外根据雷闪计数器的测量结果，常用=Tb (2-5)式中为当地年平均雷暴日数，一般=0.023,b=0.3；而欧洲取b=0.61。国外数据值较大，可能因为雷闪计数器包含云中垂直放电以及由云向下但未达地面的垂直先导放电情况。由于建筑物高出地面，有引雷作用，根据模拟试验及运行经验，建筑物每侧的吸雷宽度取为5h(h为建筑物高度，单位m)。由此可以求得建筑物每年雷击次数为若T=40,将=0.015代入，得每年雷击次数为 N=410-6h2 (2-7)3 雷电对电子设备的危害途径随着电力系统和信息事业的高速发展，对雷电、电磁脉冲等瞬变信号极为敏感的微电子设备的应用越来越广泛，遭受雷害的事例也越来越多。作为微电子设备的应用，变电站二次系统有其代表意义，下面我们针对景德镇供电公司大石口变电站，较详细地讨论雷电对计算机及电子设备的影响和危害途径。3.1 雷电对微电子设备的影响按照雷电对计算机等微电子设备产生影响的强弱可划分为污染、干扰和危害三个等级。1）电磁污染是指超量的电磁场对人体生态的影响，如引起头晕、疲劳、免疫力下降等。对电子设备和元器件造成长时间的累积效应，如加速老化、使用寿命缩短、工作特性变差、抗干扰能力降低等。2） 干扰干扰是指在外来电磁能量的扰动下，设备或元器件的工作特性变坏、灵敏度降低、识别度下降、精度变低或造成误码、信号失真、信息丢失和设备误动等现象。但在干扰消失后，设备和元器件能恢复到正常状态。3） 危害危害是指在极短的时间内，由强电或强磁的能量对人或设备以及元器件造成的无法挽回的损失。当然由于电磁干扰致使信号出错，而这种错误的信号控制重要的系统导致无法挽回的损失也称危害。总之危害是硬破坏，指功能破坏，使设备或元器件受到永久性损坏。干扰是软影响，它扰乱系统正常工作，使逻辑混乱、拒动或误动。3.2 雷电危害和干扰的侵入方式从已发生的微波通信站等电子设备受雷害影响的分析来看，雷电的干扰和危害有传导、耦合和辐射等途径，如图3.1、3.2所示。 危 传导、电源线、互连线、共阻抗接地体 被的 害 危设 与 耦合：感性、容性 害备 干 和与 扰 辐射：r/2 远场辐射 扰件 图3.1 危害与干扰的途径雷电通过这几种方式危害微波通信站等微电子设备的事例不胜枚举，近年发生的有： （1）巢湖供电公司近几年各微波站遭受雷击设备损坏情况 1997年8月21日无为一次变两次遭雷击，3630PCM设备2M失步告警，PCM设备雷击掉电，重新开启电源开关后，恢复正常。1998年4月19日4：56无为一次变微波站遭雷击，致使（220kV）线路侧B相接地，零序保护动作，瞬间线路开关重合闸成功，造成无为微波PCM主机芯损坏，另外损坏一块E/M四线板。 1999年7月24日15：30无为地区打雷，无为一次变载波室载波电源由于遭受雷击造成载波室的交流输入380V调压器B相烧损及直流输出开关HK3损坏，载波备用电源-48V整流器主备用二台设备全部停运，载波直流蓄电池放电至30多伏，为避免电池过放电，已将载波备用电源-48V全部拉开，载波整流设备I II遭雷击后损坏大部分保险和元器件，经多方努力于8月10日修复一台，暂时维持运行，影响设备运行18天。 1996年西梁山微波站、10kV配电线路由于多次遭雷击造成10kV线路跳闸、10kV跌落式保险多次熔断，更为严重的是由于线路落雷曾将10kV线路避雷器击碎。 1997年3月28日庐江一次变遭雷击，损坏DYD调度总机信号板3块，电源板2块，用户板5块，分析认为雷电从架空电缆侵入到了电源系统。 1997年8月5日庐江变电站站再次遭受雷击，损坏设备主机板和所有用户板，雷电压从电源系统和架空电缆侵入。1999年7月6日7：25庐江打雷造成桦石线66kV线路跳闸，重合闸成功，庐江供电局交换机由于受过电压冲击造成交换机集成块损坏。1996年6月12日20：00巢湖一次变遭受雷击，检查发现微波3630PCM设备的E/M四线板、LGS二线板各损坏一块。 （2）西南某工程83年9月的一次雷击使西南某工程中配套的一些电子设备损坏，致使系统工作无法进行；其中主要受损坏的电子设备和元器件有：a数字传输机：损坏集成电路芯片20多块。b通信系统：8台机中有6台受到不同程度的损坏，受损的器件共45只。c时控单元：脉冲处理回路和脉冲变换电路4块芯片损坏。d遥测系统：由于有较长的连接电缆，损坏电路板3块。 雷击直击雷感应耦合辐射电通微天避高接钢金防耦变 电磁源信波线雷层地筋属雷合压 场场线线馈铁针楼网混管带电器线塔房凝道缆、土PT 建、筑CT 产生的后果损坏和干扰的设备及元件 a.过电压 c.产生反击 b.地电位升高d.感应高电位 敏感元件 常损坏的对象 二计各二监远计电接 次算种次测动算话收 系机微设和前机机机统接运存C T M 电备控置和数口放储P T O 子电制机交 字器U L S 设源装换 设 器器备制机备 件件 图3.2 雷电危害形式及途径 （3）华中电网受雷害情况华中电力局是总装机容量达2000多万千瓦的大网，全网有微波站近百个，其中进口设备站65个。近几年的运行统计表明，造成设备损坏、导致长时间通信中断的主要原因是雷害。仅武衡线段的15个站中，就有12个站曾遭受雷击而影响正常通信，甚至损坏设备多台。19871990年全网有17个站22次遭受雷害而损坏通信设备。仅89年8月30夜就有5个站遭雷击损坏11块电路盘，通信中断17个小时，1987年8月1日三门峡站遭受雷击损坏16个装置柜。1990年7月30夜，郑三微波干线的大沟口微波站，因雷击损坏38块电路板，黄石微波站未装设消雷器之前几乎每年都遭受雷击，损坏了接收机、远动室计算机和接口板。天广线微波站92年、93年均有雷害事故发生。93年4月30日晚湖南省长山微波站的接受机和电源因雷击损坏。（4）黑龙江省电力局调度大楼遭雷击情况1990年9月27日黑龙江省电力局调度大楼遭受雷击，调度自动化计算机系统和程控交换设备损坏而停止运行27个小时。其中程控交换机损坏电路板8块，VAX计算机接口板损坏、远动室调度模拟盘43块显示消失、PDP-11/24型计算机系统的PMA接口板损坏，内存储板损坏8块。（5）雷击国家气象大楼1992年6月23日傍晚，北京城区下了一场中阵雨，晚上8点左右，一个落地雷正好击在国家气象中心大楼的楼顶上，气象中心大楼内的大型计算机网络中断，6条同步线路和一条国际同步线路被中断。整个计算机系统工作被迫中断46小时，使气象业务受到严重影响，损失达数十万元。（6）雷电磁脉冲引起计算机失效雷云放电产生电磁脉冲而引起计算机不能正常工作的事故很多。如某气象中心，在1978年和1982两次发生雷击事故造成引进的M-170计算机和2台M-160型计算机算题失效，而且处于同一大院内的其它计算机也有失效现象。中国电力科学研究院户外高压试验场，在6000kV放电试验时，曾多次使距放电点直线距离103米的6912型计算机发生停机故障。下面再结合某电力调度通信大楼作进一步说明，示意图如图3.3。图3.3 通信楼过电压防护系统示意图1)主楼2)副楼3)主机4)至楼内终端5)至独立小地网6)微波天线7)避雷针8)微波机房9)配电中心10)至主电网引下线11)10kV架空线 12)10kV电缆13)铁塔微波天线铁塔上有微波抛物天线和避雷针，当雷击微波天线铁塔或雷击避雷针时，雷电流经接地装置主地网散流于大地，在铁塔和接地装置上产生电压升高，同时雷电流会通过和天线相连的波导管进入微波机房的设备。也会经铁塔上的航空灯或照明灯引下线将高压引进。当雷击于远距离的配电线路时，雷电波将会沿线路进入调度大楼内机房。当雷电流经塔及引下线入地时，会在其周围产生强大的电磁场，危及机房内的微电子设备，甚至在离大楼12km的对地雷击也会对楼内微电子设备造成电磁干扰，影响其正常工作。载波机与程控电话雷害途径类似微波通信站系统。3.3 雷击天线铁塔的雷电过电压和大电流参看图3.4，当雷击微波天线铁塔时（为清晰起见，按自立塔考虑），在P处所产生的电压Up(kV)可由式（3-1）计算：式中：L铁塔电感 R铁塔接地电阻同理，P处的电压可仿照式(3-1)进行计算。假定雷电流的峰值为100kA，波头为2.6s，接地电阻为10；h=35m，h=10m，L=17.5H；可得P点的电压为：若P与某一设备Q间的距离不足以承受673kV的电压时，P与Q间将发生空气击穿放电。雷电流流经铁塔接地装置R，在地中形成的电位分布为图3.4虚线所示。 由于设备Q接地R处电位与铁塔基R处不同，也可能在土壤中形成放电。单独埋设的电缆C也有可能与塔基接地装置形成放电击穿。天线铁塔上由天线引下的波导管采取了和铁塔多点相连的等电位措施，都不可避免地将铁塔高电位引入机房而损坏设备。19901993年的四年中，华中电网中曾有五个微波站的故障，是因雷击微波铁塔高电位经波导管或电缆引入机房而损坏设备。以微波塔的接地电阻为410为例，在雷电流为10kV 时，铁塔的电位已高达40kV100kV以上，此电位由波导管经电缆直接传入机房，可使设备损坏，也就是说任何一个小电流直击微波塔时都可能发生事故。在机房设备击穿后，由模拟试验雷击铁塔得到，波导管与电缆的分流系数分别为11.36%和8.5%。据文献报道，在广西某变电站微波塔作现场试验时测得约有10%左右的冲击电流由波导管引入机房，可见只要落一个小雷，即使雷电流为10kA 时，经波导管引入机房的雷电流就有1kA，以足以使设备烧损。据多次微波站雷害事故的现场来看，室内设备入口处有明显大电流灼烧痕迹，很多的是电源板和话路板中的元器件烧坏。看来大都是因波导管引入高电位击穿设备后又流过大电流所致。利用式(2-7)不难求出，当微波铁塔高度h=100m、雷暴日为40时，每年所遭直击雷的次数为：N=4710-6h2=0.47次年（3-3）即相当于每两年遭受一次雷击。3.4 交流供电线路上的雷直击过电压与感应过电压 微波通信站至少有10kV供电线路一条，过电压可以沿供电线路侵入。(1) 雷直击线路引进的过电压当供电线路是10kV架空线时，架空线的绝缘支柱为一个针式绝缘瓷瓶。冲击耐压只有70kV，此电压等级避雷线的作用很小，通常都不装避雷线。 雷击于线路时的过电压可用波动理论分析，可将每根架空长导线用分布参数来表示。 L0为以大地为回路的导线每米电感值： C0为导线每米对地电容值：C0=20 /ln(2hp/r) (F/m) (3-5)0=410-7 (H/m) 为空气的导磁系数 0=10-8 (F/m) 为空气的介电系数hp为导线的平均高度（m）r为导线的半径(m)而导线的波阻抗 考虑到雷电作用下，导线上将发生强烈的电晕，等于加大了C0，其波阻值Z约为300。当某一导线遭雷击时，该相的电压上升为UL=IZ/4，因此只要雷电流为900A，就有UL=IZ/4=900300/470kV，就会引起该相绝缘子的闪络，而出现I0.9kA的概率为P=10-(0.9/88)=97.67% (3-6)即差不多每遭直击雷必定闪络。闪络后，该相电线电位降为IR（R为杆塔接地电阻，电线水泥杆一般无专门的接地装置，其自然接地电阻可按30估算）。当导线的电压为U1=IR时，与其平行的导线2由于处在导线1的电磁波的电磁场内，其电压将上升为U，其值可由电容分压得到： UU1C12/(C22+C12) (3-7)或 UK0U1 (3-8)式中C12为导线1和2间的互部分电容，C22为导线2的对地自部分电容。对10kV的线路，有C113C12 K0=0.25所以导线2上的感应电压为：UK0U10.25U10.25IR (3-9)此时，作用在第一相与第二相之间的过电压，也就是作用在第二相导线绝缘子上的电压（因为第一相绝缘子已先闪络，将为IR(1-K0)），显然当IR70(1-K0)kV时，就会引起第二相绝缘子的闪络。同理，随之将引起第三相绝缘子的闪络。即当I70/0.7530=3.1kV时，即会发生两相短路跳闸，I3.1kA的概率为P=10-(3.1/88)=92.2% (3-10)即差不多每次雷击于10kV线路时，三相将同时出现过电压。过电压的幅值一般可由线路的绝缘水平确定，即不超过70kV。当近区落雷（只有一基杆塔闪络时），也肯定出现由IR确定过电压幅值的严重情况。当雷电流大时，过电压幅值可大大超过70kV。(2) 架空线路上的感应电压当线路附近地面或高建筑物上落雷时，在供电线上会出现感应过电压。感应过电压，含静电分量和电磁分量二种。在雷电放电的先导阶段，在先导通道中充满了电荷；它对导线产生静电感应。将导线上的负电荷排斥到导线的远端，使负先导通道附近的导线上积累起异号束缚电荷。雷击大地后，先导通道中的电荷被中和。导线上的束缚电荷将变为自由电荷而向导线两侧流动，电荷流动形成的电流I乘以导线的波阻抗Z即为静电感应过电压。先导通道电荷以主放电速度v=(1/20(1/3)c(c为光速)与地中电荷中和时，所形成的时变磁场则会使导线上产生电磁感应过电压。然而由于主放电通道和导线相互垂直，二者的互感不大，其间的电磁感应不大。因此，电磁分量要比静电分量小的多，后者约为前者的五倍。又由于两种分量出现最大值的时刻不同，所以在对总的感应电压幅值的构成上，静电分量将起主要作用。理论分析和实验说明雷电感应过电压的计算式为：Us=25Ih/S (Sh) (3-11)式中I为雷电流值，h为导线高度，S为雷击点离开导线的垂直距离。即感应过电压的幅值与雷电流I成正比，与雷击地面点距导线的距离S成反比，与导线离地面高度h成正比。取h=8m,S=65m,I=100kA,则来自10kA供电线路上的感应过电压可达：这么高的电压必然会引起10kV绝缘子的闪络。显然感应过电压也是三相同时出现的，其幅值由线路绝缘水平决定，即可达70kV。(3) 架空线路的雷击过电压的概率每年每一百公里线路落雷次数可按下式计算式中T每年雷暴日数，巢湖地区取42雷暴日 每雷暴日每平方公里的平均落雷次数，我国取=0.015 10h线路的等值受雷宽度，h为线路的平均高度、单位m，考虑地理环境，其平均高度可取8m。代入有关数据N=0.015842=5.02次/100km年以10km长线路为例，有 N=5.02/10=0.5次年(3-14)即10km长的线路平均每2年有遭一次雷击的可能，但应该指出，线路遭感应过电压的概率将远大于直击雷。当配电变压器是由架空线直接供电时，则直击雷或感应电磁脉冲形成的行波过电压将沿架空线直接传进微波通信站配电变压器，再经配电变压器耦合到低压侧，或经高压避雷器入地，使变压器铁壳及低压侧中性点电位升高，危及低压回路中的微电子设备。(4) 供电电缆的雷害及过电压当供电线路采用电缆而电缆为架空装设时，过电压可因雷直击电缆外皮引起。当电缆埋地敷设时，在雷击电缆附近大地、树木或建筑物时，如果电缆与雷击点间地中的电场强度超过了土壤的击穿强度，则雷击点就会向电缆放电，或虽然未发生闪络，但雷电流在大地流散过程中会以电缆金属护层作为导电回路流通。这样危及通信电缆的绝缘，造成通信电缆的损坏。对电力电缆来说，只要电缆的敷设距防雷地网3米以上时，一般不会造成事故。因此如果配电变压器的供电线路采用埋地电缆的方式，可以避免直击雷或感应过电压的危害。当配电变压器由架空线再经电缆供电时，架空线上的直击雷或感应过电压会经电缆传至配电变压器。雷电波在电缆传播时，由于芯线电阻和外皮电阻的损耗以及介质中的损耗会有所衰减。波的衰减的含义为可见即使要求波的衰减达1/2，也必须至少要有2.5km长的电缆。否则来自架空线的过电压仍可能经配电变压器过渡到低压侧危及低电压设备与微电子设备。因而必须采取措施防止雷害。4 电力调度自动化设备与防雷现状电力通信系统涉及电力调度通信网、行政通信网、数据通信网、运行支持系统及其相连的敏感电子设备等，这些设备承担着传送电力调度、继电保护、远动和自动化信息及电力生产行政通讯任务，直接关系到电网的安全可靠运行，且价格不菲，其重要性不言而喻。与一般通信设备比较，电力通信设备对其电磁兼容性、收信灵敏度、抗冲击、耐压、接口种类与功能等都有特殊的要求。近年来随着计算机微电子技术、数字通信调度及多媒体技术的广泛应用，电力通信网内设备种类繁多、机型复杂、接口丰富、新旧设备并存。由于设备绝缘强度低、过电压和过电流耐受能力差、很多设备的内部工作频率和带宽与电磁干扰的频率和带宽接近甚至混杂，通信设备对电磁干扰与雷电的敏感度和脆弱性不断增加，由此导致的信息失误、伪事件记录、通信质量下降、设备损坏停运事故时有发生。越是电压等级高、容量大的变电站和电力系统，受电磁干扰与雷电的影响程度和危害也越大。随着许多新设备的不断投运，各厂家都提出了有所差易的电磁环境、接地、屏蔽与防护要求，同时在电力系统各种反事故措施和规范中对于防电磁干扰、防雷与正常运行所涉及的有关接地、屏蔽和防护方法也有许多需要统一协调的地方。从目前各地运行情况看，有相当一部分设备的损坏或误动是由于接地、屏蔽或防护方法不到位造成的。电力通信设备包括调度交换机、电力线载波机、微波、通信网传输交换与终端设备和运行支持系统等。近十几年来，随着科技快速发展,各种高、新、尖和贵重的通信微电子设备投入运行的数量在不断增加,并且在电力系统的地位也越来越重要,而这些通信电子设备遭受电磁干扰和雷击引起的损坏、信息失误、伪事件记录、通信质量下降等现象十分普遍,有相当一部分设备的损坏是由于接地屏蔽措施或防护方法不合理造成的。 尽管设备受雷击损坏有时雷电侵入的途径比较明显，例如电源盘受损多是由于雷电感应通过电源线侵入电源盘所致，但多数情况下，损坏是在雷电放电的多途径的综合作用下造成的。雷击造成仪器损坏的主要途径有雷的直击、雷的感应、线路侵入波和地电位升高等。因此防雷保护必须从上述途径入手，综合治理，只有如此才能获得满意的防雷效果。从巢湖供电公司各变电站站的防雷措施来看，主要存在以下四个方面的问题：（1） 电源进线问题变电站的配电变压器，配电变压器采用Y/Y0接线方式，出线为380V/220V电压。通常配电变压器10kV侧装有避雷器，380V侧无避雷器或压敏电阻保护器或其它电源过电压保护器。配电变压器用塑料电缆或电线向微波站配电间送电，塑料电缆或电线往往不带屏蔽层，其两端也没有采用过电压保护措施。 由于10kV线路暴露在野外，而且线路距离长，在雷雨季节，10kV线路上出现直击雷过电压和感应雷过电压的概率很大。雷电过电压沿10kV线路侵入配电变压器，无论高压侧避雷器是否动作（动作后仍有残压），过电压都会通过杂散电容传递或电磁感应，使380V侧产生雷电过电压。由于380V侧没有装避雷器或压敏电阻，因此，雷电过电压的幅值不能得到限制。根据DL/T 620-1997交流电气装置的过电压保护和绝缘配合的规定，微波通信站配电变压器的高低压两侧应装阀型避雷器或其它过电压保护器件，对于微波站度室内的电力线，通信线，应在调度室内装设防雷装置。上述分析及近年来的雷害事故说明，现行的电源进线部分的防雷措施不够完善，不能降低380V电压等级的雷电过电压幅值，弱电系统容易受到雷电的干扰甚至损坏。（2） 通信线和电力线的屏蔽问题对计算机系统和微电子设备来说，雷电感应过电压也很容易对它们构成威胁，由雷电感应过电压引起的计算机与微电子设备故障事例很多。当雷电流经微波塔入地时，在塔内外空间都会产生强大的瞬变电磁场。此时，计算机和弱电系统的通信线和电力线都处于强电磁场中，在它们上面会出现雷电感应过电压。而且，线路距离越长，耦合的磁通越大，感应过电压的幅值越高。根据DL/T 620-1997交流电气装置的过电压保护和绝缘配合的规定，机房内的电力线，通信线应有金属外皮或者敷设在金属管内。正确采取这些措施后，才可能达到良好的电磁屏蔽效果，从而消除或减弱雷电。（3） 过电压保护问题 现有变电站低压电源装置基本都未安装过电压保护装置，尽管有的交流电源部分已有压敏电阻保护，但一般压敏电阻的寿命是35年，损坏后起不到保护作用，又没有警示系统，且压敏电阻残压较高，对弱电设备的保护有限。根据调查的情况和武汉恒安电气有限责任公司从事雷电防护的经验，结合国家有关标准与规定，我们在下一节中从电源进线与电源保护、地网与接地、等四个方面提出有关调度自动化通讯弱电设备防雷措施的方案。5 综合防雷措施 为便于防雷措施的实施，我们从接地与均压、屏蔽、保护与限幅、隔离四个方面给出供电公司调度自动化系统综合防雷方案。（一） 接地与均压（1） 接地电阻值越小过电压值越低。因此在经济合理的前提下应尽可能降低接地电阻，其要求如表5.1所示(据规程DL 54894电力系统通信站防雷运行管理规程)。表5.1 接地电阻要求序号接地网名称接地电阻（W）一般高土壤电阻率1通信调度综合楼152变电站4103独立避雷针1030（2） 地网接地体一般应采用镀锌钢材，其规格应根据最大故障电流来决定，一般不应小于如下数值（据规程DL/T 620-1997交流电气装置的过电压保护和绝缘配合）。 角 钢：50mm50mm5mm 扁 钢：40mm4mm 圆钢直径：8mm 钢管壁厚：3.5mm（3） 接地体的埋深(指接地体的上端)应不小于0.6m。在水位较高的地区，接地体最好穿透到已知的水位上，以利用饱和区水源低电阻率特点。接地体之间的所有连接点均应焊接，焊接点(浇灌在混凝土中的除外)应进行防腐处理。（4） 对于土壤电阻率高地区，当一般做法的接地电阻值难以满足要求时，可采取向外延伸接地体、改善土壤传导性能、埋深电极、以及引外等方式。（5） 通信机房内，应围绕机房敷设环形接地母线(简称环母线)。环形接地母线一般应采用截面不小于90mm2的铜排或120mm2的镀锌扁钢。在机房外，应围绕机房建筑敷设闭合环形接地网。机房环形接地母线及接地网和房顶闭合均压带间，至少应用4条对称布置的连接线(或主钢筋)相连，相邻连接线间的距离不宜超过18m。机房内应尽可能铺设防静电地板。（6） 机房内各种电缆的金属外皮、设备的金属外壳和框架、进风道、水管等不带电的金属部分、门窗等建筑物金属结构以及保护接地、工作接地等，应以最短距离与环形接地母线连接。采用螺栓连接的部位可用含银环氧树脂导电胶粘合。（7） 各类设备保护地线宜用多股铜导线，其截面应根据最大故障电流确定，一般为2595mm2；导线屏蔽层的接地线截面面积，应大于屏蔽层截面面积的2倍。接地线的连接应确保电气接触良好，连接点应进行防腐处理。（8） 金属管道引入室内前应水平直埋10m以上，埋深应大于0.6m，并在入口处接入接地网。如不能埋入地中，至少应在金属管室外部分沿长度均匀分布在两处接地，接地电阻应小于10W；在高土壤电阻率地区，每处接地电阻不宜大于30W，且宜适当增加接地处数(据规程DL 548