试论变电站二次系统的防雷措施

摘 要:闪电的电磁脉冲辐射是引发变电站二次系统雷灾的主要起因,针对二次系统的雷击危害,变电站可通过解决地网电位差的方法来加以消除。本文从雷击破坏二次系统的几个主要方面入手,从拦截、分流、等电位连接、屏蔽、接地、布线等几个步骤阐述了变电站二次系统防雷的主要做法,并对变电站二次系统防雷进行了经验总结。

关键词:变电站 二次系统 电磁脉冲辐射 雷电灾害

中图分类号:TV2 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2012)10(c)-0116-01

1 变电站二次系统雷灾的起因和表现

雷电干扰是变电站所受干扰的重要因素,特别是对于二次系统而言,闪电的电磁脉冲辐射(LEMP)的危害极大。目前,很多变电站对于一次系统的防雷要求在设计上都给与了高度重视,但对于二次系统的防雷往往并没有给与特别关注,尤其是针对电话程控交换机、通讯线路、厂区电视信号装置、电视信号线路、监控线路、二次设备和二次线路等,雷电往往极易引发这些设施的故障和损坏。

从作用原理来看,变电站受到雷击从而破坏二次系统有一个比较复杂的作用路径,一般情况是:雷电入侵变电站后使避雷器发生动作,电流通过变电站地网接入大地,但同时也引起了变电站地网电位升高。由于变电站各设备对地电位不相等,由此形成地网电位差,该电位差通过电源中性点形成回路,导致反击引起设备损坏。但是,根据雷击方式的不同,二次系统受到的破坏可以分为以下几类。

1.1 直击雷和感应雷

直击雷是指雷电直接击到建筑物上,由于直击雷蕴含极大的能量,电压峰值可达5000 kV,因此蕴含着极大的破坏力。雷电流所产生的电磁脉冲超过2.4高斯时,集成电路将发生永久性损坏,这对于变电站二次系统而言也是致命的。不过,这种直击雷造成的雷电灾害比较少见,大部分变电站二次系统所受到的雷击破坏都是感应雷作用,也即云层之间的频繁放电产生强大的电磁波,在电源线和信号线上感应极高的脉冲电压,从而对各种设备造成破坏,但这种感应雷的峰值只有50～100 kV。

1.2 雷电波侵入和电流耦合

除了直接的雷击外,雷电波侵入和电流耦合也是二次系统受损的重要原因。远处的雷电击中低压供电线路、通讯线路、信号线路或因电磁感应产生的极高电压,由电源线路、视频线、控制线、网络传输线传至电站控制设备,造成设备损坏。此外,当建筑物遭受雷击时,雷电流向地泄放的时候会在埋地敷设的管道、线缆上耦合出过电压、过电流。如果二次设备紧邻变电站中的建筑物,那么就容易因耦合产生的过电压、过电流而损坏。

1.3 地电位反击

二次设备电源是由变电站所用变压器供给的,在正常情况下,各二次设备的电压就等于电源供给的电压。当发生雷击的时候,由于各二次设备分布在不同位置,且设备外壳就近接地,其接地点与雷击点产生水平距离,由于各自距离的不同,各分布点的电位则不同,二次设备接地点与电源点的电位差也不同,这就导致地网电位差的产生。

2 变电站二次系统的防雷思路和主要措施

现代防雷方案所考虑到的防护对象包括建筑物、人和设备,从这三种保护对象出发,我们可以从拦截、分流、等电位连接、屏蔽、接地、布线等六个方面进行变电站二次系统的防雷设计,而这六种防雷措施又可以分为外部防雷和内部防雷两大方面,外部防雷主要以接闪器(避雷针、带、网线等)、引下线、接地装置等构成,防止雷电直接击中建筑物、人员和设备。内部防雷主要以等电位连接为主,包括对不带电金属部件的直接等电位连接以及对带电部件、线路等通过浪涌保护器进行间接等电位连接。

(1)采用共用接地系统。

针对雷击引发的变电站地网电位差,一个可行的方法是共用接地系统。共用接地系统的范围包括交流工作地、直流工作地、安全保护地、防静电地、防雷接地等等。具体来说,共用接地系统要求在变电站的建筑物内把变电站内所有的金属物,如设备、地网、电力系统的零线、自来水管及其金属屏蔽层,用电气连接的方法连接起来,或者把各系统原来的接地网通过地下或地上的金属连接起来,使它们之间形成统一接地网。通过应用这种共用接地系统和等电位技术,变电站建筑物内的电气和电子设备的金属外壳、机柜、机架、计算机直流地、防静电接地、屏蔽线外层、安全保护地及各种SPO(浪涌保护器等)接地端均应以最短的距离就近与等电位网络进行连接。当雷电袭击变电站时,雷电流在各系统上产生的高电压将同时存在各系统的接地线上,这样就使各接地线之间不存在高电位差,各系统电位相同,两点间没有电流,电位差为零,基本清除了系统之间的击穿问题。

(2)合理选择电缆敷设路径。

电缆是变电站受到雷击破坏的一个重要环节,二次系统电缆可能会由于一次系统设备或电缆受到雷击而产生感应耦合,为此,二次电缆的铺设应遵循以下原则:一是变电站电缆应尽可能地避开高压电缆、有可能存在暂态大电流的电缆以及暂态强电流入地点,并尽可能减小平行敷设的长度。二是避免采用架空电缆,在进入变电站前改为直埋电缆,其金属外护层应在两端分别与主接地网可靠连接。第三,采用非金属护套电缆时,埋地敷设应穿金属管,同时保证至少在金属管的两端应有可靠接地,并要求金属管全长保持电气连通。

(3)加装浪涌保护器。

闪电放电产生的瞬态浪通过电压将会对二次设备产生严重影响,甚至会将其摧毁。如果缺乏限压及泄流的保护措施,低压电气系统将难以承受瞬态雷击浪涌的冲击。因此,在变电站二次系统中加装浪涌保护器,是保护系统免受雷击的重要措施。

3 结语

从以上分析可以得出以下主要结论:一是变电站二次系统的防雷措施,正逐步由单纯的共用接地系统方式向二维、三维空间防雷转变。二是应在确定变电站二次系统的具体技术参数的前提下,进行有针对性的防范措施。三是应从拦截、分流、等电位连接、屏蔽、接地、布线等几个步骤分析变电站二次系统防雷的具体要求。

参考文献

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