電力系統(tǒng)二次設(shè)備綜合防雷措施

唐東平

(廣西投資集團(tuán)銀海鋁業(yè)有限公司，廣西 南寧 530028)

一 引言

隨著電力系統(tǒng)信息化建設(shè)的不斷提高，各種電子設(shè)備被廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)中，調(diào)度通訊等信息設(shè)備越來越多，但是各種電子設(shè)備的耐雷電壓、耐過電流能力卻越來越低，對(duì)雷電電磁脈沖敏感性提高。另外，由于電子設(shè)備的信號(hào)來源路徑增多，電力系統(tǒng)較以前更容易遭受雷電波侵入，信息系統(tǒng)正常運(yùn)行受到影響，微型計(jì)算機(jī)和通信設(shè)備的串行通信口將會(huì)受到損壞，嚴(yán)重的會(huì)直接破壞計(jì)算機(jī)本事。特別是在雷電多發(fā)區(qū)造成系統(tǒng)損壞的現(xiàn)象更加普遍，一旦二次設(shè)備受到雷擊，一次設(shè)備的安全也將受到威脅。實(shí)踐證明采用二次防雷措施的電力系統(tǒng)，其安全性能夠達(dá)到要求，因此，綜合防雷在電力系統(tǒng)二次設(shè)備上的使用是必要的。

通常來說直擊雷以及雷電電磁脈沖感應(yīng)雷的防護(hù)是防雷的主要部分。在預(yù)防雷電電磁脈沖感應(yīng)雷時(shí)應(yīng)該從多個(gè)方面考慮造成雷電災(zāi)害的各種因素，根據(jù)雷電的各種危害機(jī)理、途徑和通道等，應(yīng)采用對(duì)應(yīng)的綜合防雷措施。

對(duì)于電力系統(tǒng)二次設(shè)備來說，雷電主要通過以下途徑侵入:(1)雷擊通過架空線通道傳導(dǎo)耦合;(2)雷擊通過地線通道傳導(dǎo)耦合;(3)雷電電磁脈沖能量通過空間通道的輻射耦合;(4)雷云電場(chǎng)通過靜電感應(yīng)耦合到電纜溝的電纜中;(5)通訊線路也是雷電入侵的路徑之一。

由于雷電的侵襲無孔不入，所以任何單一的防護(hù)措施其效果都是有限的，需要采取多方面的防雷措施。防雷措施可概括為兩個(gè)部分(內(nèi)外部防護(hù))和四項(xiàng)技術(shù)(屏蔽、攔截、分流、接地以及均壓)。不同的防雷技術(shù)之間不存在替代性，相互有著緊密的聯(lián)系，需要綜合考慮多個(gè)防雷技術(shù)。

二 雷電的二次效應(yīng)及其作用范圍

所謂雷電的二次效應(yīng)是指從云中下來的雷電電流泄放地面時(shí)，在泄放過道的附近形成電磁場(chǎng)，從而導(dǎo)致在這個(gè)電磁場(chǎng)周圍的電子裝置和金屬元件受到電磁脈沖的干擾而毀壞的現(xiàn)象。雷電二次效應(yīng)的耦合方式主要有反擊、電磁感應(yīng)、靜電場(chǎng)耦合三個(gè)方面。

1.反擊

當(dāng)金屬體遭受直擊雷的時(shí)候，在接閃瞬間金屬體與大地間存在著很高的電壓，雷電的反擊現(xiàn)象就是指的這個(gè)電壓對(duì)與大地連接的金屬物品之間所發(fā)生的放電現(xiàn)象。雷電的反擊一般發(fā)生在建筑物的外部及附近的金屬體上，例如當(dāng)樹木遭到雷擊時(shí)，樹木本身所帶的高電壓與其附近的金屬體和房屋之間就會(huì)產(chǎn)生雷電反擊現(xiàn)象。

2.電磁感應(yīng)

雷電的電磁感應(yīng)是由于雷擊后巨大的雷電流在周圍空間產(chǎn)生瞬間變化的強(qiáng)電磁場(chǎng)所導(dǎo)致的，在主放電過程中，伴隨雷電流沖擊波，強(qiáng)電磁場(chǎng)能在附近的金屬導(dǎo)體上感應(yīng)出很高的感應(yīng)過電壓。雷電的電磁感應(yīng)一般發(fā)生在用電設(shè)備的內(nèi)部、各電子器件內(nèi)部電路等，在強(qiáng)電磁場(chǎng)附近導(dǎo)體上產(chǎn)生電磁感應(yīng)可能使金屬部件之間產(chǎn)生火花從而直接損害設(shè)備。如在送電線路附近發(fā)生雷云對(duì)地放電時(shí)，在送電線路上就會(huì)產(chǎn)生電磁感應(yīng)過電壓。在圖1 中，沿著ABCDA 方向的回路和沿著ABEFA 方向的回路所產(chǎn)生的雷電感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)會(huì)A 點(diǎn)的對(duì)地電壓升高，從而出現(xiàn)過電壓，這就是雷電感應(yīng)過電壓的電磁分量。當(dāng)雷擊桿塔時(shí)，在導(dǎo)線上也會(huì)產(chǎn)生電磁感應(yīng)過電壓。雷擊點(diǎn)感應(yīng)電壓的大小與雷電流的幅值和陡度成正比。

圖1 雷電電磁感應(yīng)過電壓電磁分量圖

3.靜電場(chǎng)耦合

當(dāng)雷云向地面發(fā)展時(shí)，會(huì)在輸電線路上產(chǎn)生很高的電位，輸電線路上感應(yīng)出的電荷與雷云的極性相反，這個(gè)現(xiàn)象稱為靜電感應(yīng)。雷電場(chǎng)是一個(gè)儲(chǔ)能巨大的靜電場(chǎng)，雷擊過程中的雷電流是從小到大再減弱，開始階段它在放電過程中由于空氣阻力的作用，經(jīng)過加熱使得放電電流會(huì)達(dá)到最大值，再隨著電場(chǎng)的減弱放電電流下降。因個(gè)位靜電場(chǎng)放電，電流的方向保持恒定，就會(huì)造成一個(gè)脈沖電流，且幅值偏大，會(huì)構(gòu)成靜電場(chǎng)的耦合。這種情況一般是在電設(shè)備外圍發(fā)生，對(duì)電力系統(tǒng)的通訊過程不利。

三 二次設(shè)備綜合防雷措施

(一)綜合防雷的組成

1.直擊雷防護(hù)

(1)功能:攔截雷電流以及對(duì)雷電流的泄放。

(2)系統(tǒng)組成:主要由避雷針、避雷帶、引下線和接地體構(gòu)成，把大部分的雷電電流直接傳輸?shù)孛妗?/p>

2.雷電電磁脈沖防護(hù)

(1)功能:均衡系統(tǒng)電位，限制過電壓幅值。

(2)組成:由各種過電壓保護(hù)器和避雷器組成。

(二)綜合防雷的主要措施

1.攔截

由于雷電過電壓的能量非常大，因此單一的防雷措施根本無法完全消除雷電過電壓的侵害，必須采取多級(jí)的綜合防雷措施才能將侵入的雷電過電壓限制在設(shè)備能夠承受，并且不危害人身安全的范圍之內(nèi)。綜合防雷的第一步目標(biāo)是直擊雷。盡管避雷針會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)二次設(shè)備產(chǎn)生一些副作用，但是傳統(tǒng)的避雷針和避雷網(wǎng)等設(shè)備仍然是攔擊直擊雷最為經(jīng)濟(jì)、最為有效的途徑。對(duì)與此同時(shí)產(chǎn)生的副作用，應(yīng)該采取積極有效的技術(shù)措施予以抑制。

2.屏蔽

屏蔽是防止任何形式電磁干擾的基本手段之一，主要是防止或降低外界電磁輻射能量向被保護(hù)的空間傳播，以及限制某一區(qū)域內(nèi)部的電磁能量向外傳播。屏蔽一般可以分為電場(chǎng)屏蔽、磁場(chǎng)屏蔽和電磁場(chǎng)屏蔽三種。電場(chǎng)屏蔽是抑制或消除靜電干擾;磁場(chǎng)屏蔽是為了抑制或消除由于磁場(chǎng)耦合所引起的干擾;電磁場(chǎng)屏蔽是同時(shí)考慮了電場(chǎng)和磁場(chǎng)的因素，用來屏蔽高頻電磁場(chǎng)輻射的一種措施。此外，對(duì)于電纜的屏蔽也是一項(xiàng)非常重要的措施，為了防止雷電電磁脈沖對(duì)機(jī)房?jī)?nèi)外所有架空和地下的電纜的干擾，一般的做法是用多點(diǎn)接地的金屬網(wǎng)、蜂窩結(jié)構(gòu)的非完整屏蔽體或屏蔽室之類完整屏蔽體將電纜屏蔽起來。

3.均壓

均壓也稱為等電位連接，其本質(zhì)是由等電位連接用的金屬導(dǎo)線、等電位連接器、所有導(dǎo)體(不帶電金屬物體，比如各種線纜屏蔽層，設(shè)備的金屬底座、金屬管道和金屬外殼等;帶電金屬物體，比如電源線和各種信號(hào)傳輸線等)以及可靠的接地系統(tǒng)所組成的一個(gè)電位補(bǔ)償系統(tǒng)。其中非帶電導(dǎo)體直接用導(dǎo)線連接，帶電導(dǎo)體通過避雷器連接，把所有導(dǎo)體之間作良好的導(dǎo)電性連接，并與接地系統(tǒng)連通。均壓的作用是為雷電流提供低阻抗的流動(dòng)通道，使其能迅速泄放到大地，同時(shí)保障系統(tǒng)安全，使系統(tǒng)各個(gè)部分之間不產(chǎn)生能導(dǎo)致危害的電位差。即在極短時(shí)間里通過均壓系統(tǒng)迅速地在被保護(hù)系統(tǒng)區(qū)域內(nèi)的所有導(dǎo)體之間建立起等電位區(qū)域，使得需要保護(hù)的系統(tǒng)區(qū)域內(nèi)部的導(dǎo)體之間不存在明顯的電位差，從而保護(hù)設(shè)備和人身安全。

4.分流

分流是指在泄放雷電電流到大地的過程中，按照所劃分的防雷保護(hù)區(qū)對(duì)雷電能量分級(jí)泄放，并且盡可能多的將多余的雷電能量在引入到二次設(shè)備之前就泄放到大地中。

5.接地

接地是泄放雷電電流最有效的手段之一，其目的是使雷電能量通過低阻抗的良好接地系統(tǒng)泄放到大地中，降低引下線上的電壓，避免發(fā)生雷電反擊，從而保護(hù)建筑物、設(shè)備以及人身安全。接地不良的接地系統(tǒng)或避雷設(shè)施非但不能防雷，反而會(huì)為雷電電磁脈沖的破壞提供機(jī)會(huì)，對(duì)電氣和電子設(shè)備產(chǎn)生電容性或電感性的耦合干擾。

在分析了以上各種情況之后，可以得到電力系統(tǒng)二次設(shè)備的防雷措施。第一，為了避免雷擊，可以在金屬導(dǎo)體采用兩種方式方式，一種就是讓兩個(gè)導(dǎo)體電位均壓，另一種方式就是簡(jiǎn)單的保持兩個(gè)相鄰導(dǎo)體之間的距離。第二，電力系統(tǒng)的靜電場(chǎng)耦合，通過一些屏蔽方式來避免設(shè)備收到靜電場(chǎng)的干擾。第三，對(duì)于雷電電磁感應(yīng)，單一的措施不能有效的消除其危害，必須綜合采取上述的攔截、屏蔽、均壓、分流和接地等防雷措施。

由以上的分析可以將綜合防雷措施總結(jié)為“有效攔截、良好屏蔽、均衡連接、合理接地、整體設(shè)計(jì)、綜合治理、全面防御”的工程技術(shù)方法。

四 總結(jié)

隨著電力系統(tǒng)中各種電子設(shè)備的廣泛使用，雷擊對(duì)電子設(shè)備所造成的損害問題也日益突出，因此對(duì)設(shè)備的綜合防雷措施顯得十分必要。本文首先從雷電入侵電力系統(tǒng)二次設(shè)備的途徑入手，然后分析了雷電二次效應(yīng)的危害和作用范圍，最后提出了二次設(shè)備綜合防雷的主要措施，為實(shí)際設(shè)計(jì)防雷方法提供了一定的依據(jù)，給電力系統(tǒng)二次設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供有力的保障。

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