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[摘 要] 变电站是电力系统中变换电压、接受和分配电能、控制电力的流向和调整电压的电力设施,它通过其变压器将各级电压的电网联系起来。在变电站附近的线路上落雷时雷电波会沿导线进入变电站,产生过电压,有时会造成对微机设备的干扰或损坏。本文针对此,对变电站微机设备的防雷设计进行了初步探讨。
[关键词] 变电站 微机设备 防雷设计 电力系统
一、雷击对变电站设备的危害性
(一)直击雷
直击雷的电流最到值可达到200KA,无论是在泄放时的了路径还是下地时的高电位,都具有极大的破坏力,尽管高度不是很高,但占地面积大、开阔的变电站建筑,户外设备遭受直接雷击的概率还是比较高的,当雷击避雷针时,避雷针对地面的电位可能很高,如它们与被保护电气设备之间的绝缘距离不够,就有可能在避雷针遭受雷击后,使避雷针与被保护设备之间产生跳火现象,将雷电流加到被保护的电池设备上,造成事故。
(二)传导雷
传导雷,远处的雷电击中高压传输线路,所产生的过电压由室外源线传机房,所谓静电感应雷,主要分为两种,一种是雷云对电源/信号电缆产生等电荷量的静电感应,随着雷云的扩展,电缆线上逐渐感应出大量的异性电荷,当雷云突然放电后,电缆内聚集的感应电荷在线路上产生瞬间浪通,并沿着电源线,用户线,光缆等进入机房攻击通讯设备。
(三)电脉磁冲
电脉磁冲,变电站避雷针接闪后,强大的雷电流在引下线附近产生巨大的雷电电磁脉冲,使建筑内的通信设备遭受感应雷击,对于机房而言,因考虑到布线的美观,常常将网络干线电缆槽紧靠外墙立柱旁,而电源、地线又走另外一侧电线槽,他们所构成的闭环将使交换与传输设备内产生感应过电压。这种微妙至毫秒级的浪通电压速度快,副值也很高,很容易造成网络交换机、集中监空系统的损坏。
(四)地面反击
地面反击,当变电站的避雷针接闪后,巨大的雷电流在数秒时间下地时,使整个电站附近的地电位迅速抬高,造成与地网连接的其他电气设备发生反击放电现象,如果这个接地系统的等电位处理的不好或几个地网在地下的连通的不好,由此产生的地面回路,将引发地面反击事故,危害人身和设备安全。
二、变电站防雷设计的基本措施
(一)降低感应电压
由于雷电感应电压的高低与被感应导体的长度、截面、位置等有关,因此电气设备二次装置连线应尽可能的短,而且也可以采用有屏蔽的导线来降低感应电压。
(二)采用新材料
采用绝缘隔离,一些保护装置模块的外壳或固定支架可以采用绝缘材料,信号的传输可采用光缆、光电耦合器,对RS-232、485以及CAN等数据通讯接口加装光电隔离器等措施都可以大大削弱雷电感应电压。
加装浪涌抑制器,在保护、通讯、自动控制系统的设计中考虑使用瞬变电压抑制二极管(TVS)、气体放电管(GDT)、压敏电阻(MOV)、齐纳二极管(ZENA)等浪涌抑制器,都能对电路中出现的瞬间浪涌电压脉冲起到分流和箝位的作用,可以有效地防止过电压对设备的损害。
可以在低压电源系统中采用电源防雷器,当雷电入侵时,电源防雷器能在极短的时间将雷电产生的大量脉冲能量释放到安全地线上,从而达到保护电路上设备的目的。正常情况下,防雷器处于高阻状态,当电源由于雷击或开关操作出现瞬时脉冲电压时,防雷器立即在纳秒级的时间内导通,将该脉冲电压短路到大地进行泄放。
(三)提高对变电站接地装置重要性的认识
严格按照有关标准要求进行防雷接地的设计,定期对变电站进行接地电阻测量,当接地电阻达不到规定要求时,要及时采取有效的措施加以改进。
变电站中长期使用的金属接地体因具有易腐蚀、寿命短、不稳定、效果差、高阻抗等缺陷,近年来已受到很大的挑战,因此推荐使用新型“高效长寿接地极”,它是由金属极芯和稳定性较好的非金属导电材料组成,克服了传统金属接地体的弊端。
(四)合理设计接地网
在设计接地网时应尽量采用方孔地网,以改善地面电位分布,合格分布网格大小,防止局部电位升高。同时在电缆沟内要设置接地带、在电缆沟附近要设置与电缆沟平行的水平均压带以改善电缆沟的电位均匀。
考虑到雷电波沿导线入侵变电站,所以变电站设计时一般都在断路器或隔离开关后面、主变附近的母线上装设避雷器,来限制雷电过电压。但当开关处于备用状态或者因故障处于短时分闸状态时,进线断路器等设备就脱离了母线避雷器的保护,这时强大的雷电波沿线路到达开关后,雷电的泄放通路中出现断口,根据波的折射理论且因阻抗不配,波的振荡会形成很高幅值的过电压,从而对断口处开关等设备的绝缘构成重大危害。
为了避免以上事故的发生,我们除了在变电站内设计避雷针,在母线上装设避雷器外,还要考虑在进线断路器的线路侧增设避雷设备,来限制从线路上侵入雷电波过电压的幅值。可选择在变电站内进线架构上或出线的第一杆塔上装设无间隙避雷器,同时为了防止相间过电压,可采用三相组合式避雷器。
三、变电站微机设备的防雷保护方案
本着安全可靠、技术先进、经济合理的原则,采用均、分、地、保、屏、隔离等方法,坚持综合治理,层层设防,水涨船高,整体防御的原则拟定如下技术方案:
(1)变电站地网接地电阻必须满足规程要求,否则应首先改造地网。
(2)站用变压器高低压侧应分别安装合成绝缘氧化锌避雷器。
(3)进(出)变电站控制室、电源室、通信室的380/220V电源线和信号线穿镀锌钢管(10m以上)屏蔽,钢管两端应良好接地。
(4)站用变压器配电柜应安装通流容量大的B级三相交流电源电涌保护箱。
(5)电源室、通信室应分别用B级三相(单相)交流电源电涌保护箱;直流电源处安装直流电源电涌保护器。
(6)变电站RTU应安装直流电源和信号线电源电涌保护器。
(7)变电站监控系统应安装与之相适应的同轴电缆电涌保护器。
(8)变电站通信线路的入口处应安装信号线电涌保护器。
(9)计算机电源入口处应安装防雷插座。
(10)将变电站所有导电体进行等电位连接并良好接地。现代防雷强调的就是等电位联合接地,即防雷接地、交流接地、工作接地联接在一起,这种接地方式使设备之间的地电位相等。如果不采用联合接地,就有可能在雷击瞬间引起各种接地点的电位不平衡,造成高电位点与低电位点间打火放电,此类现象称为反击。GB 9361-88《计算站场地安全要求》规定:设备应采用并联接地方式。机房内均压环采用扁铜材或多股扁铜线。
四、变电站微机设备的防雷设计
我们严格按照 GB 50057-94《建筑物防雷设计规范》、DL/T 621-1997《交流电气装置的接地》、DL 548-94《电力系统通讯站防雷运行管理规程》、DL/T 620-1997《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》、GB 18802.1-2002/IEC 61643-1:1998《低压配电系统的电涌保护器》、GA173-1998《计算机信息系统防雷保安器》、YD2011-93《微波站防雷与接地设计规范》、GB 50343-2004《建筑物电子信息系统防雷技术规范》等有关规程规定,同时根据对微机设备干扰、过电压成因的综合分析,紧密结合现场实际进行优化设计。
[关键词] 变电站 微机设备 防雷设计 电力系统
一、雷击对变电站设备的危害性
(一)直击雷
直击雷的电流最到值可达到200KA,无论是在泄放时的了路径还是下地时的高电位,都具有极大的破坏力,尽管高度不是很高,但占地面积大、开阔的变电站建筑,户外设备遭受直接雷击的概率还是比较高的,当雷击避雷针时,避雷针对地面的电位可能很高,如它们与被保护电气设备之间的绝缘距离不够,就有可能在避雷针遭受雷击后,使避雷针与被保护设备之间产生跳火现象,将雷电流加到被保护的电池设备上,造成事故。
(二)传导雷
传导雷,远处的雷电击中高压传输线路,所产生的过电压由室外源线传机房,所谓静电感应雷,主要分为两种,一种是雷云对电源/信号电缆产生等电荷量的静电感应,随着雷云的扩展,电缆线上逐渐感应出大量的异性电荷,当雷云突然放电后,电缆内聚集的感应电荷在线路上产生瞬间浪通,并沿着电源线,用户线,光缆等进入机房攻击通讯设备。
(三)电脉磁冲
电脉磁冲,变电站避雷针接闪后,强大的雷电流在引下线附近产生巨大的雷电电磁脉冲,使建筑内的通信设备遭受感应雷击,对于机房而言,因考虑到布线的美观,常常将网络干线电缆槽紧靠外墙立柱旁,而电源、地线又走另外一侧电线槽,他们所构成的闭环将使交换与传输设备内产生感应过电压。这种微妙至毫秒级的浪通电压速度快,副值也很高,很容易造成网络交换机、集中监空系统的损坏。
(四)地面反击
地面反击,当变电站的避雷针接闪后,巨大的雷电流在数秒时间下地时,使整个电站附近的地电位迅速抬高,造成与地网连接的其他电气设备发生反击放电现象,如果这个接地系统的等电位处理的不好或几个地网在地下的连通的不好,由此产生的地面回路,将引发地面反击事故,危害人身和设备安全。
二、变电站防雷设计的基本措施
(一)降低感应电压
由于雷电感应电压的高低与被感应导体的长度、截面、位置等有关,因此电气设备二次装置连线应尽可能的短,而且也可以采用有屏蔽的导线来降低感应电压。
(二)采用新材料
采用绝缘隔离,一些保护装置模块的外壳或固定支架可以采用绝缘材料,信号的传输可采用光缆、光电耦合器,对RS-232、485以及CAN等数据通讯接口加装光电隔离器等措施都可以大大削弱雷电感应电压。
加装浪涌抑制器,在保护、通讯、自动控制系统的设计中考虑使用瞬变电压抑制二极管(TVS)、气体放电管(GDT)、压敏电阻(MOV)、齐纳二极管(ZENA)等浪涌抑制器,都能对电路中出现的瞬间浪涌电压脉冲起到分流和箝位的作用,可以有效地防止过电压对设备的损害。
可以在低压电源系统中采用电源防雷器,当雷电入侵时,电源防雷器能在极短的时间将雷电产生的大量脉冲能量释放到安全地线上,从而达到保护电路上设备的目的。正常情况下,防雷器处于高阻状态,当电源由于雷击或开关操作出现瞬时脉冲电压时,防雷器立即在纳秒级的时间内导通,将该脉冲电压短路到大地进行泄放。
(三)提高对变电站接地装置重要性的认识
严格按照有关标准要求进行防雷接地的设计,定期对变电站进行接地电阻测量,当接地电阻达不到规定要求时,要及时采取有效的措施加以改进。
变电站中长期使用的金属接地体因具有易腐蚀、寿命短、不稳定、效果差、高阻抗等缺陷,近年来已受到很大的挑战,因此推荐使用新型“高效长寿接地极”,它是由金属极芯和稳定性较好的非金属导电材料组成,克服了传统金属接地体的弊端。
(四)合理设计接地网
在设计接地网时应尽量采用方孔地网,以改善地面电位分布,合格分布网格大小,防止局部电位升高。同时在电缆沟内要设置接地带、在电缆沟附近要设置与电缆沟平行的水平均压带以改善电缆沟的电位均匀。
考虑到雷电波沿导线入侵变电站,所以变电站设计时一般都在断路器或隔离开关后面、主变附近的母线上装设避雷器,来限制雷电过电压。但当开关处于备用状态或者因故障处于短时分闸状态时,进线断路器等设备就脱离了母线避雷器的保护,这时强大的雷电波沿线路到达开关后,雷电的泄放通路中出现断口,根据波的折射理论且因阻抗不配,波的振荡会形成很高幅值的过电压,从而对断口处开关等设备的绝缘构成重大危害。
为了避免以上事故的发生,我们除了在变电站内设计避雷针,在母线上装设避雷器外,还要考虑在进线断路器的线路侧增设避雷设备,来限制从线路上侵入雷电波过电压的幅值。可选择在变电站内进线架构上或出线的第一杆塔上装设无间隙避雷器,同时为了防止相间过电压,可采用三相组合式避雷器。
三、变电站微机设备的防雷保护方案
本着安全可靠、技术先进、经济合理的原则,采用均、分、地、保、屏、隔离等方法,坚持综合治理,层层设防,水涨船高,整体防御的原则拟定如下技术方案:
(1)变电站地网接地电阻必须满足规程要求,否则应首先改造地网。
(2)站用变压器高低压侧应分别安装合成绝缘氧化锌避雷器。
(3)进(出)变电站控制室、电源室、通信室的380/220V电源线和信号线穿镀锌钢管(10m以上)屏蔽,钢管两端应良好接地。
(4)站用变压器配电柜应安装通流容量大的B级三相交流电源电涌保护箱。
(5)电源室、通信室应分别用B级三相(单相)交流电源电涌保护箱;直流电源处安装直流电源电涌保护器。
(6)变电站RTU应安装直流电源和信号线电源电涌保护器。
(7)变电站监控系统应安装与之相适应的同轴电缆电涌保护器。
(8)变电站通信线路的入口处应安装信号线电涌保护器。
(9)计算机电源入口处应安装防雷插座。
(10)将变电站所有导电体进行等电位连接并良好接地。现代防雷强调的就是等电位联合接地,即防雷接地、交流接地、工作接地联接在一起,这种接地方式使设备之间的地电位相等。如果不采用联合接地,就有可能在雷击瞬间引起各种接地点的电位不平衡,造成高电位点与低电位点间打火放电,此类现象称为反击。GB 9361-88《计算站场地安全要求》规定:设备应采用并联接地方式。机房内均压环采用扁铜材或多股扁铜线。
四、变电站微机设备的防雷设计
我们严格按照 GB 50057-94《建筑物防雷设计规范》、DL/T 621-1997《交流电气装置的接地》、DL 548-94《电力系统通讯站防雷运行管理规程》、DL/T 620-1997《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》、GB 18802.1-2002/IEC 61643-1:1998《低压配电系统的电涌保护器》、GA173-1998《计算机信息系统防雷保安器》、YD2011-93《微波站防雷与接地设计规范》、GB 50343-2004《建筑物电子信息系统防雷技术规范》等有关规程规定,同时根据对微机设备干扰、过电压成因的综合分析,紧密结合现场实际进行优化设计。