雷電對變電所的危害及防護(hù)

1、雷電對變電所的危害及防護(hù)摘要：變電所電子設(shè)備受雷擊影響概率大，應(yīng)當(dāng)引起重視。采取分區(qū)、分級(jí)，重點(diǎn)防護(hù)，可起 到事半功倍的效果。關(guān)鍵詞：雷擊防雷電子設(shè)備變電所一前言人類社會(huì)步入信息時(shí)代，各類先進(jìn)的電子設(shè)備由于大量和廣泛的運(yùn)用，其遭受雷擊危害機(jī) 率大大增加。尤其是變電所內(nèi)電子設(shè)備，依附于處在受避雷針保護(hù)范圍內(nèi)的一次設(shè)備，受雷擊 影響概率更大。且采用傳統(tǒng)防雷措施，其防護(hù)多有不當(dāng)，應(yīng)當(dāng)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(gè)影子隨風(fēng)移動(dòng)。如果途經(jīng) 變電所的避雷針或地表其它突出物，地電荷會(huì)導(dǎo)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(dǎo)按間歇分級(jí)躍進(jìn)方式向地表發(fā)展，當(dāng)距地面50100m時(shí)，由避雷針等地 表突出物電場畸變集中的地方產(chǎn)生垂直向上的迎面先導(dǎo)。兩者相接，進(jìn)入直擊或繞擊的主放電 階段。通常當(dāng)?shù)孛嫔贤怀鑫锏母叨葹閔，雷云正下方的平均電場強(qiáng)度大于和等于580h-0.7kV/m時(shí)， 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(dǎo)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(dú)立避雷針后，將會(huì)在其附 近出現(xiàn)大量的散擊，甚至對避雷針進(jìn)行直擊，對受避雷針保護(hù)范圍內(nèi)的物體進(jìn)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(dòng)力，會(huì)造成混凝土桿炸

3、裂， 小截面金屬熔化，引起火災(zāi)和大爆炸，金屬導(dǎo)體連接部分?jǐn)嗔哑茡p，建筑物倒坍，電氣設(shè)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(gè)30kA的雷電流將 會(huì)使地網(wǎng)電位上升至300kV。如果受雷擊變電所輸電線路來自另一個(gè)不同地網(wǎng)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(dǎo)致與輸電線路相連的電氣設(shè)備的損壞。不 僅僅是輸電線路、動(dòng)力電纜，凡是引進(jìn)變電所的金屬管線都會(huì)引起雷電反擊。另一種雷電反擊，對變電所的電子設(shè)備危害也不容忽視。雷電流沿變電所的接地網(wǎng)散流， 支線上的雷電流和各點(diǎn)電位差異很大。連接在不同等電位地網(wǎng)上的電子設(shè)備。如果其間有電信 號(hào)聯(lián)系，那

4、么超過其容許承受能力的地電位差將導(dǎo)致設(shè)備損壞。2.3感應(yīng)雷直擊雷放電的能量通過電磁感應(yīng)和靜電感應(yīng)方式向四周輻射，導(dǎo)致設(shè)備過電壓放電，則為 感應(yīng)雷。顯然，感應(yīng)雷危害是大面積的，是電子設(shè)備的克星。有資料計(jì)算表明，當(dāng)雷擊電流為30kA斜角波，雷云高度為3公里，導(dǎo)線高度為10m，擊中 距末端匹配的500m長架空線路中點(diǎn)100m處地面時(shí)，線路上感應(yīng)電壓為150kV幅值的振蕩波。 此波為電磁感應(yīng)和靜電感應(yīng)共同作用的結(jié)果。2還有計(jì)算顯示，一棟由工字鋼架構(gòu)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(yīng)電場垂 直分量達(dá)數(shù)kV/m，隨樓層降低感應(yīng)電場強(qiáng)度趨向于均勻，但強(qiáng)度整體上無大的衰減。3事實(shí)上，在生產(chǎn)實(shí)踐中，雷擊的靜電感應(yīng)破壞力數(shù)倍于電磁感應(yīng)。靜電感應(yīng)還可用雷擊的 二次效應(yīng)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(dāng)雷擊過 后，雷擊點(diǎn)地表變?yōu)殡姾傻南鄬昭ǎ車唠姾蓞^(qū)域內(nèi)與地電位相對絕緣的導(dǎo)體上的電荷， 將像受突然擊發(fā)的水波一樣沖向雷擊點(diǎn)，導(dǎo)致設(shè)備打火，絕緣受損和電子設(shè)備失效。特別注意 的是電子設(shè)備的高阻抗輸入回路，信號(hào)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(huì)遭受厄運(yùn)。2.4雷電侵入波遠(yuǎn)方落雷，通過直擊

6、或電磁感應(yīng)和靜電感應(yīng)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(diǎn)時(shí)，波阻抗發(fā)生變化會(huì)產(chǎn)生反射、折射，可導(dǎo) 致波阻抗突變處的電壓升高許多，加大了對設(shè)備的危害。三變電所防雷措施及對電子設(shè)備保護(hù)的不足3.1避雷針為免遭直擊雷破壞，變電所一般設(shè)有獨(dú)立避雷針和構(gòu)架避雷針，有些峽谷地帶變電所則采 用避雷線保護(hù)。其結(jié)構(gòu)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(hù)設(shè)備之間空

7、中距離不小于5m，地中距離不小于3m。構(gòu) 架避雷針一般用于110kV及以上，且裝設(shè)集中接地裝置后與主地網(wǎng)連接。獨(dú)立避雷針的保護(hù)范圍對地面為1.5h（針高），對超過針高一半的空間其保護(hù)范圍只能在 45角內(nèi)校核。目前國際上流行的一種滾球法理論校核獨(dú)立避雷針的保護(hù)范圍比較符合實(shí)際。 滾球法理論認(rèn)為直擊和繞擊與雷云帶電量有關(guān)，能量越小的雷越易產(chǎn)生繞擊。可形象地解釋為 一個(gè)半徑與雷云帶電量成比例的以雷云先導(dǎo)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(diǎn)到針尖這段弧，如果碰不到被保護(hù)物體，則被保護(hù)物處在保護(hù)范圍內(nèi)。如中等 強(qiáng)度的雷云（U0=50MV），按雷電先導(dǎo)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(hù)半徑比有關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)程的大一些。按防雷規(guī)范校核保護(hù)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(hù)區(qū)。微波塔也是一種獨(dú)立避雷針。對于所內(nèi)設(shè)有微波塔的，規(guī)程規(guī)定微波塔必須與通信室地網(wǎng) 連接。通訊室和主控室地網(wǎng)一體，雷電流通過主控室地網(wǎng)泄放。按前面分析，如果高壓配電室、 主控室、通訊室內(nèi)保護(hù)、監(jiān)控、計(jì)量表、RTU等接于相距較遠(yuǎn)的地網(wǎng)，且之間又有電的聯(lián)系時(shí)， 所內(nèi)電子設(shè)備遭受的反擊機(jī)率更大。避雷針的年雷擊次數(shù)，可按經(jīng)驗(yàn)公式N= 0.015 , n k (l+5h)(b+5h) 10-6計(jì)算4

9、。 其中n為年雷暴日數(shù)，K為校正系數(shù)金屬結(jié)構(gòu)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(gòu)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(gè)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(shè)備的目前正在大量更新的保護(hù)、監(jiān)控、綜自 及通訊等微電子設(shè)備感受雷害的機(jī)率大大增加，損壞方式也多種多樣，使電力生產(chǎn)帶來很大的 損失。3.2避雷器為了防護(hù)感應(yīng)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(shè)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(shè)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(jìn) 行防護(hù)。對35kV架空進(jìn)線，一般是采用進(jìn)線段12km的架空避雷線配其兩端的管型避雷器進(jìn) 行防護(hù)。對10kV線路，則每條進(jìn)線均采用一組閥型或氧化鋅避雷器進(jìn)行防護(hù)。對310kV配電 變壓器，一般只規(guī)定了高壓側(cè)采用閥型避雷器的保護(hù)，對多雷區(qū)外送的Y/Y0連接的變壓器的只 規(guī)定了裝設(shè)以防變波及低壓側(cè)雷電入侵波擊穿變壓器高壓側(cè)絕緣的避雷器。上述防護(hù)措施未考慮低壓部分過電壓，未考慮雷電入侵波或危險(xiǎn)電位通過進(jìn)所金屬管線引 入構(gòu)

11、成對電子設(shè)備的威脅。3.3建筑物內(nèi)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(jí)劃分，變電所生產(chǎn)性建筑物一般被劃分為第三類工業(yè)建筑。由于設(shè)計(jì)時(shí)一般將此 類建筑物置于變電所避雷針保護(hù)范圍，因此除通訊室按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行過防雷處理外，其它部分 因不設(shè)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(wǎng)等 措施均未采用。對于防雷電波入侵，引入建筑物內(nèi)的纜線等一般均通過與接地網(wǎng)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(dāng)今大量電子設(shè)備的防護(hù)問題，致使許多已建和在建的建筑物，

12、 存在嚴(yán)重的防雷先天缺陷。電子設(shè)備防感應(yīng)雷基本上靠機(jī)殼和內(nèi)部措施，使其可靠性下降。3.4建筑物的地網(wǎng)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(wǎng)處理一般是與所內(nèi)主接地網(wǎng)相連。雖然 許多規(guī)程中分出了防雷地、交流地、直流地、保護(hù)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(shè)備規(guī)模不大，沒有必要分得太清，于是造成了事實(shí)上的聯(lián)合地 網(wǎng)?，F(xiàn)代研究認(rèn)為，這種聯(lián)合地網(wǎng)經(jīng)濟(jì)有效，并且可以解決各地網(wǎng)在內(nèi)外過電壓時(shí)產(chǎn)生的電位 差，造成對耐受水平低的電子設(shè)備的反擊。不過聯(lián)合地網(wǎng)必須通過合理布置接地線和等電位處 理技術(shù)及裝置本身的電磁兼容防護(hù)來解決設(shè)備的安全問題。目前變電所的聯(lián)合地

13、網(wǎng)從主控室到高壓室以及到室外高壓配電裝置，因?yàn)榫嚯x遠(yuǎn)、面積大， 各種電子設(shè)備之間的聯(lián)系復(fù)雜，地網(wǎng)各點(diǎn)電位不同易造成設(shè)備工作出錯(cuò)和損壞。其中影響最大 的是高頻電纜、長距離導(dǎo)引電纜、控制電纜，以及就地布置電子設(shè)備與主控制室之間的網(wǎng)絡(luò)線建筑物內(nèi)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(diǎn)運(yùn)行（特別是舊式電池體積龐大），這些都是雷電二次 效應(yīng)的推波助瀾者，是電子設(shè)備潛在的殺手。四變電所加強(qiáng)防雷措施變電所傳統(tǒng)防雷措施對高壓電氣設(shè)備的防護(hù)是有效的，但對電子設(shè)備的防護(hù)并不恰當(dāng)，為 了適應(yīng)智能化變電所的發(fā)展要求，必須在原定防雷措施基礎(chǔ)上，更進(jìn)一步進(jìn)

14、行防范。采取措施 的原則是分區(qū)防護(hù)、三級(jí)過壓保護(hù)、多重屏蔽、均衡電位、浮點(diǎn)電位牽制。根據(jù)1992年國際建 筑物防雷會(huì)議上IEC/TC81中提出的防雷保護(hù)區(qū)的新概念，對變電的的防雷化分為三個(gè)區(qū)進(jìn)行分 級(jí)防護(hù)，根據(jù)設(shè)備的敏感性和重要性進(jìn)行加強(qiáng)屏蔽可以起到事半功倍的效果。4.1第一級(jí)防護(hù)區(qū)為全所范圍內(nèi)的高壓設(shè)備部分和高壓線路的進(jìn)線段保護(hù)范圍。主要措施 為獨(dú)立避雷針、構(gòu)架避雷針、架空避雷線、高壓避雷器、設(shè)備引下線、主接地網(wǎng)和微波塔及其 接地。其主要任務(wù)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(yīng)雷對電子設(shè)備的危害機(jī)率增加。為了減輕雷擊感 應(yīng)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(dǎo)體消雷器、半導(dǎo)體消雷器、少長針消雷器等多種類型的無源 消雷器。其評價(jià)褒貶不一，不過有一個(gè)不爭的事實(shí)：消雷器的保護(hù)范圍至少與同等高度避雷針 一樣。對于消雷器的運(yùn)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(hù)范圍 滿足規(guī)程要求，就應(yīng)當(dāng)繼續(xù)使用作好觀察記錄。如能夠消雷或部分消雷，都將會(huì)對電子設(shè)備有 X 益04.2第二級(jí)防護(hù)區(qū)包括進(jìn)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(wù)是防感應(yīng)雷過電壓和侵入波過電壓的傳遞，以及危險(xiǎn)電位內(nèi)引外送。4.2.1 進(jìn)出所管線處理進(jìn)出所管線包括

16、水管、煤氣管、熱力管、電源線、縱聯(lián)保護(hù)導(dǎo)引線、信息傳輸線等。進(jìn)所 金屬管類均應(yīng)直埋進(jìn)所，并與地網(wǎng)分幾處連接，且宜在進(jìn)所前經(jīng)絕緣管道隔離后引入。所用電 源一般不外送，如內(nèi)引應(yīng)經(jīng)隔離變壓器引入，引入前穿管直埋15m進(jìn)所。仍采用縱聯(lián)導(dǎo)引線保 護(hù)的，導(dǎo)引線應(yīng)按部頒反措經(jīng)隔離變壓器后引入，進(jìn)所部分穿管直埋。進(jìn)出所的信息傳輸線纜 應(yīng)穿管直埋入所并經(jīng)保安單元或相應(yīng)的數(shù)據(jù)避雷器后引入機(jī)房。有金屬線的光纜穿管直埋入所 先經(jīng)接地匯接排后才能引入機(jī)房。接地的波導(dǎo)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(yīng)加裝相應(yīng)高頻避雷器，避雷器的地線就近與機(jī)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(shè)備屏柜和裝置相連的控制信號(hào)電纜、電流、電壓回路電纜都應(yīng)該采用屏蔽電 纜，且屏蔽層金屬保護(hù)層及備用芯均應(yīng)兩端接地。端子箱及斷路器機(jī)構(gòu)箱、匯控柜等不管內(nèi)部 是否安裝電子設(shè)備均應(yīng)避開避雷器或構(gòu)架避雷針的主要散流線接地。4.2.3所用電系統(tǒng)電子設(shè)備雷害事故大多與電源相關(guān)。一方面是防護(hù)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(jīng)幾級(jí)高壓泄放仍具有強(qiáng)大的破壞力。根據(jù)國標(biāo)(GB50057-94)建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定，對微電子設(shè)備的供配電系統(tǒng)應(yīng)采 取三級(jí)過電壓保護(hù)。三級(jí)分別為所用變低壓出口，所用電配電柜各分路出口，各設(shè)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(jīng)改 進(jìn)后的MOV通流容量越做越大，且有一些產(chǎn)品采用熔斷器和溫度斷開裝置予以保護(hù)，但仍有損 壞，有必要采取三級(jí)冗余以增強(qiáng)可靠性。4.3第三級(jí)防護(hù)區(qū)包括變電所主控室、遠(yuǎn)動(dòng)通信機(jī)房及全部電子設(shè)備。其主要任務(wù)是多重 屏蔽、電源過壓嵌位、信號(hào)限幅濾波、地電位均壓、浮點(diǎn)電位牽制。4.3.1多重屏蔽微電子設(shè)備工作電壓低擊穿功率小，靠單一屏蔽難以達(dá)到預(yù)期效果，必須采取多重屏蔽。 利用建筑物鋼筋網(wǎng)組成的法拉第籠，以及設(shè)備屏柜金屬外殼、裝置金屬外殼等逐級(jí)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(biāo)(GB50057-94) 建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范及郵電部(YD2011-93)微波站防雷與接地設(shè)計(jì)規(guī)范、電力部(D L548-94)電力系統(tǒng)通信站防雷運(yùn)行管理規(guī)程等要求利用建筑物女兒墻、天面防雷網(wǎng)及結(jié)構(gòu) 鋼筋、基礎(chǔ)鋼筋焊接成一體的網(wǎng)，以及設(shè)備特殊要求的金屬幕墻組成第一級(jí)屏蔽。設(shè)備屏柜、裝置本體訂貨時(shí)必須注明電磁兼容防護(hù)等級(jí)，使用環(huán)境。地電位均壓筆者贊同室內(nèi)采用聯(lián)合地網(wǎng)，設(shè)環(huán)形地母線、接地匯集線。地母線與地網(wǎng)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(hù)地確實(shí)需要分開的，可采用地極防雷器連 接。對于電子設(shè)備之間電的聯(lián)系跨度較大的部分，跨越幾個(gè)防護(hù)區(qū)的部分，常因地電位不均衡 造成工作出錯(cuò)或損害。國家電力調(diào)度通信中心曾發(fā)