变电站电子设备的防雷分析及保护措施

一、概述随着我国现代化建设的不断提高，各类先进的电子设备广泛地运用到了各电压等级的变电站内。但是一方面由于电子设备内部结构高度集成化，从而造成设备耐压、耐过电流的水平下降，对雷电（包括感应雷及操作过电压浪涌）的承受能力下降，另一方面由于信号来源路径增多，系统较以前更容易遭受雷电波侵入。据统计，雷电对电子设备的损坏占设备损坏因素的比例高达26，%例如变电站线路落雷，造成主控地与设备之间的电位差而损坏大量的保护设备；变电站的微波塔落雷，由于感应过电压而造成大量的通讯、远动设备损坏，我们应当对雷电的危害性引起高度重视，加强防雷意识，做好变电站预防工作，将雷害损失降到最低限度。二、几种主要的雷击方式2.雷1的直击和绕击雷云单体浮在大地上空，其所带电荷拖着地表相反电荷犹如一个影子随风移动。如果途经变电站的避雷针或地表其他突出物，地电荷会导致突出物顶端电场畸变集中。闪电开展之前先是雷云底部的始发先导按间歇分级跃进方式向地表发展，当距地面〜0寸，由避雷针等地表电场畸变集中的地方产生垂直向上的迎面先导。两者相接，进入直击或绕击的主放电阶段。通常当地面上突出物的高度为，雷云正下方的平均电场强度大于和等于时，则该突出物将容易受到直击雷。原因是高为的避雷针可影响雷云单体向下的始发先导发展方向的半径，用公式表述为：=1该式还表明，地表安装独立避雷针后，将会在其附近出现大量的散击，甚至对避雷针进行直击，对受避雷针保护范围内的物体进行绕击。一次雷击主放电一般为几万安培到十几万安培，释放的能量相当大，瞬间所产生的强大电流、灼热的高温、猛烈的冲击波、剧变的静电场和强烈的电磁辐射等物理效应给人们的生产生活带来多种危害，如引起火灾和大爆炸，金属导体连接部分断裂破损，建筑物倒塌，电气设备损坏等等。2.雷2击反击直击雷电流通过地表突出物的电阻入地散流。假如地电阻为Q，一个的雷电流将会使地网电位上升至.如果受雷击变电站输电线路来自另一个不同地网的变电站，那么上升的地电位与输电线上的电位将形成巨大反差，导致与输电线路相连的电气设备的损坏。不仅仅是输电线路、动力电缆，凡是引进变电站的金属管线都会引起雷电反击。另一种雷电反击，对变电站的电子设备危害也不容忽视。雷电流沿变电站的接地网散流，支线上的雷电流和各点电位差异很大。连接在不同等电位地网上的电子设备，如果其间有电信号联系，那么超过其容许承受能力的地电位差将导致设备损坏。2.感3应雷直击雷放电的能量通过电磁感应和静电感应方式向四周辐射，导致设备过电压放电，则为感应雷。感应雷虽然没有直接雷猛烈，但其发生的几率比直击雷高得多。感应雷的破坏也称为二次破坏。雷电流变化梯度很大，会产生强大的交变磁场，使得周围的金属构件产生感应电流，这种电流可能向周围物体放电，如附近有可燃物就会引发火灾和爆炸，而感应到正在联机的导线上就会对设备具有强烈的破坏性。显然，感应雷危害是大面积的，是电子设备的克星。有资料计算表明，当雷电电流为斜角波，雷云高度为，导线高度为0击中距末端匹配的长架空线路中点处地面时，线路上感应电压为幅值的振荡波。此波为电磁感应和静电感应共同作用的结果。事实上，在生产实践中，雷击的静电感应破坏力数倍于电磁感应。静电感应还可用雷电的二次效应理论来解释。带电雷云飘浮在地表上空，地表带上与雷云相反的等量电荷。当雷击过后，雷击点地表变为电荷的相对空穴，周围高电荷区域内与地电位相对绝缘的导体上的电荷，将像受突然击发的水波一样冲向雷击点，导致设备打火，绝缘受损和电子设备失效。特别注意的是电子设备的高阻抗输入回路，信号回路等引线较长，且直接连接的金属体积较大处，虽然已作电磁屏蔽（采用屏蔽电缆且屏蔽层两端接地）仍会遭受厄运。2.雷4电波侵入远方落雷，通过直击或电磁感应和静电感应方式从高压输电线路、配电线路、低压电源线路、通信线、电缆线、金属管道等途径侵入变电站、由于管线相对较长，且存在着分布电感和电容，使雷电传播速度减慢，这样一种现象用波传输理论来说明的概念称作雷电波。雷电波在传输过程中通过不同参数的连接线段或线路端点时，波阻抗发生变化会产生反射、折射，可导致波阻抗突变处的电压升高许多，加大了对设备的危害。三、传统变电站防雷措施的局限性3.避1雷针为免遭直击雷破坏，变电站一般采用独立避雷针和构架避雷针进行防雷保护。其结构均分为接闪器、引下线和接地体，防雷原理相同。独立避雷针的保护范围对地面为（针高），对超过针高一半的空间其保护范围只能在45角内校核。目前国际上流行的一种滚球法理论校核独立避雷针的保护范围比较符合实际。滚球法理论认为直击和绕击与雷云带电量有关，能量越小的雷越易产生绕击。可形象地解释为一个半径与雷云带电量成比例的以雷云先导为圆心的球，滚落在地面上。到碰到避雷针尖为止。球与地面接触点到针尖这段弧，如果碰不到被保护物体，则被保护物处在保护范围内。如中等强度的雷云 按雷电先导的闪击距离公式 7可得球的0 s0半径为3在此情况下得出的保护半径比有关设计规程的大一些。按防雷规范核保护范围，一般 中等规模变电站采用〜根， 变电站〜根左右避雷针，即可以覆盖全站被保护区范围。避雷针的年雷击次数，可按经验公式 -- 计算5其中为年雷暴日数，为校正系数，金属结构取2、、分别为建筑物的长、宽、高。按该式在年雷暴日为的地区，室外终端变电站，母线构架高，受雷击概率为每年次，而加根 高避雷针后，则每年将受 次雷击。如果一个变电站有根针，每边相距 ，雷击概率则为 次年。由于避雷针的存在，建筑物上落雷机会反倒增加，内部设备遭感应雷危害的机会和程度一般来说是增加了。3.避2雷器为了防护感应雷和输电线路的雷电侵入波的危害，变电站内采用了避雷器。以前装设的避雷器大多为装在线路端的管型避雷器和装在母线、设备处的阀型避雷器，目前均由性能更好的金属氧化物避雷器所取代。由于雷电侵入波主要对以下系统危害较大，变电站着重对和线路入侵波进行了防护。对架空进线，一般是采用进线段〜的架空避雷线配其两端的管型避雷器进行防护。对线路，则每条进线均采用一组阀型或氧化锌避雷器进行防护。上述防护措施均未考虑低压部分过电压，未考虑雷电入侵波或危险电位通过进所金属管线引入构成对电子设备的威胁。3.变3电站内建筑物的防雷措施变电站的建筑物一般有高低压室、主控室、通讯室以及部分附属办公楼住宅楼等，按建筑物防雷等级划分，变电站生产性建筑物一般被划分为第三类工业建筑。由于设计时一般将此类建筑物置于变电站避雷针保护范围内，因此除通讯室按相关标准进行过防雷处理外，其它部分因不设屋面避雷针和避雷带，故均压带以及利用建筑物钢筋作分流线和组成法拉第笼屏蔽网等措施均未采用。对于防雷电波入侵，引入建筑物内的缆线等一般均通过与接地网连成一体的电缆沟支架和电缆竖井支架引入，且部分电缆作了两端屏蔽接地处理。由于以往建筑物防雷未考虑当今大量电子设备的防护问题，致使许多已建的建筑物，存在严重的防雷先天缺陷。电子设备防感应雷基本上靠机壳和内部措施，使其可靠性下降。.变4电站的地网及其他由于变电站建筑物未考虑直击雷泄流通路，其地网处理一般是与所内主接地网相连，形成联合地网。但由于该联合地网从主控室到高压室到以及室外高压配电装置，因为距离远、面积大，各种电子设备之间的联系复杂，地网各点电位不同易造成设备工作出错和损坏。其中影响最大的是高频电缆、长距离导引电缆、控制电缆，以及就地布置的电子设备与主控制室之间的网络线等。建筑物内金属门窗、玻璃幕墙、吊顶龙骨架、灯线、管线等，常常被予以忽视，未作接地。还有二次回路使用的直流蓄电池作浮点运行（特别是旧式电池体积庞大），这些都是雷电二次效应的入侵点。四、变电站加强防雷保护的几点措施由以上分析可看出，变电站传统的防雷措施对高压电气设备的防护是有效的，但对电子设备的防护并不恰当，必须在原定防雷措施基础上，更进一步进行防范。采取措施的原则应是分区防护、三级过压保护、多重屏蔽、均衡电位、浮点电位牵制。.第1一级防护区为全所范围内的高压设备部分和高压线路的进线段保护范围。主要措施为采用独立避雷针、构架避雷针、架空避雷线、高压避雷器、设备引下线、主接地网。其主要任务为引雷、泄流、限幅、均压，完成基本的防雷功能。由于避雷针的采用增加了雷击概率，感应雷对电子设备的危害机率增加，因此为了减轻雷击感应幅射，在有些工程采用了带屏蔽作用的引下线，有的采用多条引下线分流，这些措施均可起到一定作用。另外有些变电站以前选用了导体消雷器、半导体消雷器、少长针消雷器等多种类型的无源消雷器。由于消雷器的保护范围至少与同等高度避雷针一样，因此对于消雷器的运行，如能够消雷或部分消雷，都将会对电子设备有益，可予以保留。.第2二级防护区包括进出变电站管线、二次电缆、端子箱、所用电系统。其主要任务是防感应雷过电压和侵入波过电压的传递，以及危险电位内引外送。4.2进.出1站管线处理进出变电站管线包括水管、煤气管、电源线、信息传输线等。进站金属管类均应直埋进所且与地网分几处连接。所用电源一般不外送，如内引应经隔离变压器引入，引入前须直埋进站。进出站的信息传输线缆应穿管直埋入站并经保安单元或相应的数据避雷器后引入机房。有金属线的光缆穿管直埋入站应先经接地汇接排后才能引入机房。接地的波导管本身具有良好的防雷作用，不需加避雷器，按规程沿路接地即可。对于天馈线防雷主要在同轴电缆进户处加装相应的高频浪涌保护器，并且天馈线的顶端通过金属支架接地，如无金属支架，则采用①以上镀锌圆钢下引接地。如果天线馈线较长，在其中间应隔左右与下引接地线跨接一次。4.2二.次2电缆及端子箱直接与电子设备屏柜和装置相连的控制信号电缆、电流、电压回路电缆都应该采用屏蔽电缆，且屏蔽层金属保护层及备用芯均应两端接地。端子箱及断路器机构箱等不管内部是否安装电子设备均应避开避雷器或构架避雷针的主要散流线接地。4.2所.用3电系统根据《建筑物防雷设计规范》（ ）规定，对微电子设备的供配电系统应采取三级过电压保护。三级分别为所用变低压出口，所用电配电柜及各分路出口。低压配电系统避雷器一般以 （金属氧化物可变电阻）为主。 的主要用途是保护那些必须满足"瞬态电压浪涌抑制器"各项要求的产品免受雷电损害，它是组成大多数电涌保护器 的基本器件。在选择 设备时，有几个参数需要考虑，如最大持续工作电流、输入频率、峰值电涌电流、可测限制电压（也称残压）、响应时间、重量和外型尺寸等。产品通常是并行连接的，最好能通过一个隔离开关，连接距离越短越好，不超过15厘0米，随着距离的增加，电涌抑制效果会下降。4.第3三级防护区包括变电站主控室、远动通信机房及全部电子设备。其主要任务是多重屏蔽、电源过压嵌位、信号限幅滤波、地电位均压、浮点电位牵制。微电子设备工作电压低击穿功率小，靠单一屏蔽难以达到预期效果，必须采取多重屏蔽，如利用建筑物钢筋网组成的法拉第笼，设备屏柜金属外壳，装置金属外壳等逐级屏蔽。新建的变电站必须按照《建筑物防雷设计规范》（ ）、电力部《电力系统通信站防雷运行管理规程》（ ）及其他相关规范要求，利用建筑物女儿墙、天面防雷网及结构钢筋、基础钢筋焊接成一体的网组成第一级屏蔽，做好防雷接地措