雷電對變電所的危害及防護

1、雷電對變電所的危害及防護摘要：變電所電子設備受雷擊影響概率大，應當引起重視。采取分區(qū)、分級，重點防護，可起 到事半功倍的效果。關鍵詞：雷擊防雷電子設備變電所一前言人類社會步入信息時代，各類先進的電子設備由于大量和廣泛的運用，其遭受雷擊危害機 率大大增加。尤其是變電所內電子設備，依附于處在受避雷針保護范圍內的一次設備，受雷擊 影響概率更大。且采用傳統(tǒng)防雷措施，其防護多有不當，應當引起重視。二雷擊危害的幾種方式2.1雷的直擊和繞擊雷云單體浮在大地上空，其所帶電荷拖著地表相反電荷猶如一個影子隨風移動。如果途經 變電所的避雷針或地表其它突出物，地電荷會導致突出物頂端電場畸變集中。閃電開始之前先 是雷云

2、底部的始發(fā)先導按間歇分級躍進方式向地表發(fā)展，當距地面50100m時，由避雷針等地 表突出物電場畸變集中的地方產生垂直向上的迎面先導。兩者相接，進入直擊或繞擊的主放電 階段。通常當?shù)孛嫔贤怀鑫锏母叨葹閔，雷云正下方的平均電場強度大于和等于580h-0.7kV/m時， 則該突出物將容易受到直擊雷。原因是高為h的避雷針可影響雷云單體向下的始發(fā)先導發(fā)展方 向的半徑，用公式表述為：R=16.3h0.61m。該式還表明，地表安裝獨立避雷針后，將會在其附 近出現(xiàn)大量的散擊，甚至對避雷針進行直擊，對受避雷針保護范圍內的物體進行繞擊。1一次雷擊主放電一般為幾萬安培到十幾萬安培。瞬間高熱和電動力，會造成混凝土桿炸

3、裂， 小截面金屬熔化，引起火災和大爆炸，金屬導體連接部分斷裂破損，建筑物倒坍，電氣設備損 壞。雷電反擊直擊雷電流通過地表突出物的電阻入地散流。假如地電阻為10Q，一個30kA的雷電流將 會使地網電位上升至300kV。如果受雷擊變電所輸電線路來自另一個不同地網的變電所，那么 上升的地電位與輸電線上的電位將形成巨大反差，導致與輸電線路相連的電氣設備的損壞。不 僅僅是輸電線路、動力電纜，凡是引進變電所的金屬管線都會引起雷電反擊。另一種雷電反擊，對變電所的電子設備危害也不容忽視。雷電流沿變電所的接地網散流， 支線上的雷電流和各點電位差異很大。連接在不同等電位地網上的電子設備。如果其間有電信 號聯(lián)系，那

4、么超過其容許承受能力的地電位差將導致設備損壞。2.3感應雷直擊雷放電的能量通過電磁感應和靜電感應方式向四周輻射，導致設備過電壓放電，則為 感應雷。顯然，感應雷危害是大面積的，是電子設備的克星。有資料計算表明，當雷擊電流為30kA斜角波，雷云高度為3公里，導線高度為10m，擊中 距末端匹配的500m長架空線路中點100m處地面時，線路上感應電壓為150kV幅值的振蕩波。 此波為電磁感應和靜電感應共同作用的結果。2還有計算顯示，一棟由工字鋼架構且金屬部分連接成法拉第籠的10層（60mX 30mX 100m， 每層高10m）的建筑物，被-2.6/40us，100kA的雷擊中樓頂，其各層樓面1m高處的

5、感應電場垂 直分量達數(shù)kV/m，隨樓層降低感應電場強度趨向于均勻，但強度整體上無大的衰減。3事實上，在生產實踐中，雷擊的靜電感應破壞力數(shù)倍于電磁感應。靜電感應還可用雷擊的 二次效應理論來解釋。帶電雷云飄浮在地表上空，地表帶上與雷云相反的等量電荷。當雷擊過 后，雷擊點地表變?yōu)殡姾傻南鄬昭ǎ車唠姾蓞^(qū)域內與地電位相對絕緣的導體上的電荷， 將像受突然擊發(fā)的水波一樣沖向雷擊點，導致設備打火，絕緣受損和電子設備失效。特別注意 的是電子設備的高阻抗輸入回路，信號回路等引線較長，且直接連接的金屬體積較大處，雖然 已作電磁屏蔽（采用屏蔽電纜且屏蔽層兩端接地）仍會遭受厄運。2.4雷電侵入波遠方落雷，通過直擊

6、或電磁感應和靜電感應方式從高壓輸電線路、配電線路、低壓電源線 路、通信線、電纜線、金屬管道等途徑侵入變電所，由于管線相對較長，且存在著分布電感和 電容，使雷電傳播速度減慢，這樣一種現(xiàn)象用波傳輸理論來說明的概念稱作雷電波。雷電波在 傳輸過程中通過不同參數(shù)的連接線段或線路端點時，波阻抗發(fā)生變化會產生反射、折射，可導 致波阻抗突變處的電壓升高許多，加大了對設備的危害。三變電所防雷措施及對電子設備保護的不足3.1避雷針為免遭直擊雷破壞，變電所一般設有獨立避雷針和構架避雷針，有些峽谷地帶變電所則采 用避雷線保護。其結構均分為接閃器、引下線和接地體，防雷原理相同。為了防止反擊，要求避雷針與被保護設備之間空

7、中距離不小于5m，地中距離不小于3m。構 架避雷針一般用于110kV及以上，且裝設集中接地裝置后與主地網連接。獨立避雷針的保護范圍對地面為1.5h（針高），對超過針高一半的空間其保護范圍只能在 45角內校核。目前國際上流行的一種滾球法理論校核獨立避雷針的保護范圍比較符合實際。 滾球法理論認為直擊和繞擊與雷云帶電量有關，能量越小的雷越易產生繞擊?？尚蜗蟮亟忉尀?一個半徑與雷云帶電量成比例的以雷云先導為圓心的球，滾落在地面上，到碰到避雷針尖為止。 球與地面接觸點到針尖這段弧，如果碰不到被保護物體，則被保護物處在保護范圍內。如中等 強度的雷云（U0=50MV），按雷電先導的閃擊距離公式rs=1.63

8、U01.75 ，可得球的半徑為133 m。在此情況下得出的保護半徑比有關設計規(guī)程的大一些。按防雷規(guī)范校核保護范圍，一般110kV中等規(guī)模變電所采用35根，35kV變電所14根30m左右避雷針，以覆蓋全所被保護區(qū)。微波塔也是一種獨立避雷針。對于所內設有微波塔的，規(guī)程規(guī)定微波塔必須與通信室地網 連接。通訊室和主控室地網一體，雷電流通過主控室地網泄放。按前面分析，如果高壓配電室、 主控室、通訊室內保護、監(jiān)控、計量表、RTU等接于相距較遠的地網，且之間又有電的聯(lián)系時， 所內電子設備遭受的反擊機率更大。避雷針的年雷擊次數(shù)，可按經驗公式N= 0.015 , n k (l+5h)(b+5h) 10-6計算4

9、。 其中n為年雷暴日數(shù)，K為校正系數(shù)金屬結構取2。l、b、h分別為建筑物的長、寬、高。按該 式在年雷暴日為40的地區(qū),35kV室外終端變電所，母線構架5.5m高，受雷擊概率為每年0.00 0454次，而加1根30m高避雷針后，則每年將受0.027次雷擊。如果一個變電所有4根針，每 邊相距50m，雷擊概率則為0.048次/年。避雷針大大增加雷擊概率，使得依附于一次設備的目前正在大量更新的保護、監(jiān)控、綜自 及通訊等微電子設備感受雷害的機率大大增加，損壞方式也多種多樣，使電力生產帶來很大的 損失。3.2避雷器為了防護感應雷和輸電線路的雷電侵入波的危害，變電所采用了避雷器。以前裝設的避雷 器大多為裝在

10、線路端的管型避雷器和裝在母線、設備處的閥型避雷器，目前均由性能更好的金 屬氧化物避雷器所取代。由于雷電侵入波主要對35kV以下系統(tǒng)危害較大，變電所著重對35kV和10kV線路入侵波進 行防護。對35kV架空進線，一般是采用進線段12km的架空避雷線配其兩端的管型避雷器進 行防護。對10kV線路，則每條進線均采用一組閥型或氧化鋅避雷器進行防護。對310kV配電 變壓器，一般只規(guī)定了高壓側采用閥型避雷器的保護，對多雷區(qū)外送的Y/Y0連接的變壓器的只 規(guī)定了裝設以防變波及低壓側雷電入侵波擊穿變壓器高壓側絕緣的避雷器。上述防護措施未考慮低壓部分過電壓，未考慮雷電入侵波或危險電位通過進所金屬管線引 入構

11、成對電子設備的威脅。3.3建筑物內的防雷措施室外變電所的建筑物一般有高壓室、主控室、通訊室以及部分附屬住宅樓辦公樓等。按建 筑物防雷等級劃分，變電所生產性建筑物一般被劃分為第三類工業(yè)建筑。由于設計時一般將此 類建筑物置于變電所避雷針保護范圍，因此除通訊室按相關標準進行過防雷處理外，其它部分 因不設屋面避雷針和避雷帶，故均壓帶以及利用建筑物鋼筋作分流線和組成法拉第籠屏蔽網等 措施均未采用。對于防雷電波入侵，引入建筑物內的纜線等一般均通過與接地網連成一體的電 纜溝支架和電纜豎井支架引入，且部分電纜作了兩端屏蔽接地處理。由于以往建筑物防雷未考慮當今大量電子設備的防護問題，致使許多已建和在建的建筑物，

12、 存在嚴重的防雷先天缺陷。電子設備防感應雷基本上靠機殼和內部措施，使其可靠性下降。3.4建筑物的地網及金屬部分處理由于變電所建筑物未考慮直擊雷泄流通路，其地網處理一般是與所內主接地網相連。雖然 許多規(guī)程中分出了防雷地、交流地、直流地、保護地、數(shù)據(jù)地，但是執(zhí)行起來很不易，一是條 件苛刻，場地狹?。欢撬迷O備規(guī)模不大，沒有必要分得太清，于是造成了事實上的聯(lián)合地 網?，F(xiàn)代研究認為，這種聯(lián)合地網經濟有效，并且可以解決各地網在內外過電壓時產生的電位 差，造成對耐受水平低的電子設備的反擊。不過聯(lián)合地網必須通過合理布置接地線和等電位處 理技術及裝置本身的電磁兼容防護來解決設備的安全問題。目前變電所的聯(lián)合地

13、網從主控室到高壓室以及到室外高壓配電裝置，因為距離遠、面積大， 各種電子設備之間的聯(lián)系復雜，地網各點電位不同易造成設備工作出錯和損壞。其中影響最大 的是高頻電纜、長距離導引電纜、控制電纜，以及就地布置電子設備與主控制室之間的網絡線建筑物內金屬門窗、玻璃幕墻、吊頂龍骨架、燈線、管線等，常常予以忽視，未作接地。 還有二次回路使用的直流蓄電池作浮點運行（特別是舊式電池體積龐大），這些都是雷電二次 效應的推波助瀾者，是電子設備潛在的殺手。四變電所加強防雷措施變電所傳統(tǒng)防雷措施對高壓電氣設備的防護是有效的，但對電子設備的防護并不恰當，為 了適應智能化變電所的發(fā)展要求，必須在原定防雷措施基礎上，更進一步進

14、行防范。采取措施 的原則是分區(qū)防護、三級過壓保護、多重屏蔽、均衡電位、浮點電位牽制。根據(jù)1992年國際建 筑物防雷會議上IEC/TC81中提出的防雷保護區(qū)的新概念，對變電的的防雷化分為三個區(qū)進行分 級防護，根據(jù)設備的敏感性和重要性進行加強屏蔽可以起到事半功倍的效果。4.1第一級防護區(qū)為全所范圍內的高壓設備部分和高壓線路的進線段保護范圍。主要措施 為獨立避雷針、構架避雷針、架空避雷線、高壓避雷器、設備引下線、主接地網和微波塔及其 接地。其主要任務為引雷、泄流、限幅、均壓，完成基本的防雷功能。由于避雷針的采用增加了雷擊概率，感應雷對電子設備的危害機率增加。為了減輕雷擊感 應幅射，有些工程采用了帶屏

15、蔽作用的引下線，有的采用多條引下線分流，這些措施均可起到 一定作用。另外有些變電所以前選用了導體消雷器、半導體消雷器、少長針消雷器等多種類型的無源 消雷器。其評價褒貶不一，不過有一個不爭的事實：消雷器的保護范圍至少與同等高度避雷針 一樣。對于消雷器的運行，只要其接地滿足防雷規(guī)范要求，空間和地中安全距離以及保護范圍 滿足規(guī)程要求，就應當繼續(xù)使用作好觀察記錄。如能夠消雷或部分消雷，都將會對電子設備有 X 益04.2第二級防護區(qū)包括進出變電所管線、二次電纜、端子箱、所用電系統(tǒng)及微波天饋線。 其主要任務是防感應雷過電壓和侵入波過電壓的傳遞，以及危險電位內引外送。4.2.1 進出所管線處理進出所管線包括

16、水管、煤氣管、熱力管、電源線、縱聯(lián)保護導引線、信息傳輸線等。進所 金屬管類均應直埋進所，并與地網分幾處連接，且宜在進所前經絕緣管道隔離后引入。所用電 源一般不外送，如內引應經隔離變壓器引入，引入前穿管直埋15m進所。仍采用縱聯(lián)導引線保 護的，導引線應按部頒反措經隔離變壓器后引入，進所部分穿管直埋。進出所的信息傳輸線纜 應穿管直埋入所并經保安單元或相應的數(shù)據(jù)避雷器后引入機房。有金屬線的光纜穿管直埋入所 先經接地匯接排后才能引入機房。接地的波導管本身具有良好的防雷作用，不需加避雷器，按 規(guī)程沿路接地即可，對同軸電纜天饋線應加裝相應高頻避雷器，避雷器的地線就近與機房的接 地匯接排相連。4.2.2二次

17、電纜及端子箱直接與電子設備屏柜和裝置相連的控制信號電纜、電流、電壓回路電纜都應該采用屏蔽電 纜，且屏蔽層金屬保護層及備用芯均應兩端接地。端子箱及斷路器機構箱、匯控柜等不管內部 是否安裝電子設備均應避開避雷器或構架避雷針的主要散流線接地。4.2.3所用電系統(tǒng)電子設備雷害事故大多與電源相關。一方面是防護力度不夠，另一方面說明從所用電入侵 的雷電波能量足夠大，經幾級高壓泄放仍具有強大的破壞力。根據(jù)國標(GB50057-94)建筑物防雷設計規(guī)范規(guī)定，對微電子設備的供配電系統(tǒng)應采 取三級過電壓保護。三級分別為所用變低壓出口，所用電配電柜各分路出口，各設備UPS電源 出口。低壓配電系統(tǒng)避雷器一般以MOV

18、(金屬氧化物可變電阻)為主。MOV失效率較高，雖說經改 進后的MOV通流容量越做越大，且有一些產品采用熔斷器和溫度斷開裝置予以保護，但仍有損 壞，有必要采取三級冗余以增強可靠性。4.3第三級防護區(qū)包括變電所主控室、遠動通信機房及全部電子設備。其主要任務是多重 屏蔽、電源過壓嵌位、信號限幅濾波、地電位均壓、浮點電位牽制。4.3.1多重屏蔽微電子設備工作電壓低擊穿功率小，靠單一屏蔽難以達到預期效果，必須采取多重屏蔽。 利用建筑物鋼筋網組成的法拉第籠，以及設備屏柜金屬外殼、裝置金屬外殼等逐級屏蔽。早期的變電所建筑留下了許多防雷的先天不足，新建的變電所必須按國標(GB50057-94) 建筑物防雷設計規(guī)范及郵電部(YD2011-93)微波站防雷與接地設計規(guī)范、電力部(D L548-94)電力系統(tǒng)通信站防雷運行管理規(guī)程等要求利用建筑物女兒墻、天面防雷網及結構 鋼筋、基礎鋼筋焊接成一體的網，以及設備特殊要求的金屬幕墻組成第一級屏蔽。設備屏柜、裝置本體訂貨時必須注明電磁兼容防護等級，使用環(huán)境。地電位均壓筆者贊同室內采用聯(lián)合地網，設環(huán)形地母線、接地匯集線。地母線與地網采用多條引下線 對稱引下連接。對于數(shù)字地、模擬地等功能地與保護地確實需要分開的，可采用地極防雷器連 接。對于電子設備之間電的聯(lián)系跨度較大的部分，跨越幾個防護區(qū)的部分，常因地電位不均衡 造成工作出錯或損害。國家電力調度通信中心曾發(fā)