学文网【摘 要】:人类社会步入信息时代,各类先进的电子设备由于大量和广泛的运用,其遭受雷击危害几率大大增加。尤其是变电所内电子设备,依附于处在受避雷针保护范围内的一些设备,受雷击影响概率更大。且采用传统防雷措施,其防护多有不当,应当引起重视。在变电站的设计过程中,为保护变电站的设备安全,提高其供电可靠性,优化防雷设计方案,加强变电站的防雷安全措施,最大程度的减少雷击事故的发生,有着极其重要的意义。本文将对变电站防雷设计进行洋细的探讨和分析。
变电站 防雷 技术
在高速发展的现代社会中,各类先进的电子设备的广泛运用。使其遭受雷击危害的几率也大大增加。尤其是变电站内的电子设备,受雷击影响的概率更大。变电站一旦发生雷击事故,可能严重影响人们的正常生产、生活。因此要求变电站的防雷设计必须十分可靠。
1 雷电的危害
雷电放电是带电荷的雷云引起的放电现象,在某种天气和地质条件下,潮湿的热气流进人大气层冷凝而形成雷云,大气层中的雷云底部大多带负电荷,它在地面上感应出大量电荷,这样,雷云和大地之间就形成了强大的电场。随着雷云的发展和运动,当空间电场强度超过大气游离放电的临界电场强度时,就会发生雷云之间或雷云对地的放电,形成雷电。其放电过程包括先导放电、主放电和余辉放电三个阶段,放电通常是重复进行的,随着放电的次数增加而雷电流会逐渐减少。按其发展方向可分为下行雷和上行雷。下行雷是雷云产生并向大地发展的,上行雷是接地物体顶部激发起,并向雷云方向发起的。实际上,变电站会遭到雷击主要有两方面的原因:首先是雷电直接击中变电站的各种建筑,其次是雷电是有附近的电线来影响到变电站。在多年的实践中,我们一直使用避雷针或避雷线来防止雷击,把属于变电站的所有设施和有关建筑都包含在避雷针或线的保护中。
雷击危害主要是对设备或建筑物等产生电、热和机械性质的破坏。雷击的危害主要表现为以下几个方面:
1.1 电性质的破坏:雷电发生时,会产生数十乃至数百万伏的高压冲击波,破坏由电气设备和线路绝缘,引起大规模的停电,甚至可能引起火灾和爆炸。线路或设备绝缘的损坏又为高压窜入低压提供了危险条件。高压冲击波还可能与附近的金属导体之间产生放电火花,危及设备和人身安全。
1.2 热性质的破坏:雷击时,高达数十乃至数百千安的雷电流通过导体,在极短的时间(50-100µs)内转换出大量的热能,可能造成金属熔化、飞溅或易燃品的燃烧,引起火灾或爆炸。
1.3 机械性质的破坏:当巨大的雷电流通过被击物时,上千度的高温使其缝隙中的气体剧烈膨胀。与此同时,其中的水份又急剧蒸发变成水蒸气,致使被击物损坏,甚至爆裂成碎片。
此外,静电斥力、电磁推力也有很大的破坏作用,雷击时的气浪又会伤及邻近人员和损坏建筑物。事实上,雷击时上述几种破坏几乎同时出现,其危害是很大的。
2 防雷措施
避雷针、避雷线、避雷网、避雷带及避雷器都是经常采用的防雷装置。避雷针主要用来保护露天变配电设备及保护建筑物;避雷线主要用来保护输电线路;避雷网和避雷带主要是用来保护建筑物;避雷器则主要用来保护电力设备,属于一种专用的防雷设备。变电所通常采用下列防雷措施。
2.1 装设避雷针
为保护整个变电所设备和建筑物免遭直接雷击,变电所内应装设避雷针。避雷针的功效实质是引雷作用,它能使雷电场产生畸变,从而将雷云放电通道由原来可能向被保护物体发出的方向吸引到避雷针本身,然后经与避雷针相连接的引下线与接地装置将雷电流泄放到大地中去,使被保护物免受直接雷击,变电所通常装设多根避雷针来满足保护要求。避雷针可单***杆,也可利用户外配电装置的构架或投光灯的杆塔;但变压器的门型构架不能用来装设避雷针,以防止雷击产生的过电压对变压器网络放电。避雷针一般采用镀锌圆钢(针长1m以下时直径不应小于12mm,针长1-2m时直径不应小于16mm)或镀锌钢管(针长1m以下时直径不应小于20mm,针长1-2m时直径不应小于25mm)制成,通常安装在电杆或构架、建筑物上。它的下端要经引下线与接地装置相连接。
2.2 装设架空避雷线
避雷线也称架空地线,在变电所进出线上方架设避雷线,可避免出现遭受直接雷击,危害变电所内部设备;当进出线在避雷线保护范围外遭受直接雷击或感应过电压时,可降低过电压的幅值,减轻对变电所内部设备的危害。在变电所110kV进线盒27.5kV馈出线均装设架空避雷线进行保护。
2.3 装设避雷器
避雷器是为防止沿线路侵入变电所的雷击冲击波对电气设备的破坏,把雷电波(或感应雷电波)限制在避雷器残压值范围内,从而使变压器及其他电气设备免受过电压的危害,其接地电阻不得大于10Ω。在变电所每路进线终端、主变压器的低压侧出线、主变压器的中性点引出线、27.5kV馈出线上,一般都装设避雷器。
2.4 装设抗雷线圈
在变电所27.5kV馈出线上,串联抗雷线圈和避雷器配合使用,可以有效地降低雷电入侵波的陡度,加强防雷效果。
3 变电站防雷保护
变电站防雷保护是一个系统工程,它由三个子系统即三道防线组成:
3.1 第一道防线(即第一子系统)
其作用是防止雷直击变电所电力设备。这道防线由拦截受雷(接闪器)、引流、接地散流防护系统组成。接闪器有避雷针(线),小变电所大多采用***避雷针,大变电所大多在变电所架构上采用避雷针或避雷线,或两者结合,对引流线和接地装置都有严格的要求。第一级防护区为全所范围内的高压设备部分和高压线路的进线段保护范围。主要措施为***避雷针、构架避雷针、架空避雷线、高压避雷器、设备引下线、主接地网和微波塔及其接地。由于避雷针的采用增加了雷击概率,感应雷对电子设备的危害几率增加。为了减轻雷击感应幅射,有些工程采用了带屏蔽作用的引下线,有的采用多条引下线分流,这些措施均可起到一定作用。
3.2 第二道防线
第二子系统为进线保护段。雷击进线保护段首端及以外时,绝大部分雷电流被引入地中,只有很小部分的雷电流沿架空线路导线侵入变电所。雷电波沿架空线路导线传播时,受冲击电晕和大地效应影响而衰减,能降到变电所电气装置绝缘强度的允许值。
变电所的主要危险是来自进线保护段之内的架空线路遭雷击,反击导线或绕击导线产生雷电侵入波,因此进线段又称危险段。加强进线段防雷保护是十分重要的,要求避雷线具有很好的屏蔽和较高的耐雷水平。不管如何,反击和绕击仍是可能的。因此,变电所设防(第三道防线)要求的进线保护段(危险段)愈短愈好,这样允许侵入波的陡度和幅值较大。对变电站进线实施防雷保护,其目的就是限制流经避雷器的雷电电流幅值和雷电渡的陡度。当线路上出现过电压时,将有行波沿导线向变电站运动,其幅值为线路绝缘的50%冲击闪络电压,线路的冲击耐压比变电站设备的冲击耐压要高很多。因此,在靠近变电站的进线上加装避雷线是防雷的主要措施,如果没架设避雷线,当靠近变电站的进线上遭到雷击时,流经避雷器的雷电电流幅值可超过5KA,且其陡度也会超过允许值,势必会对线路造成破坏。
3.3 第三道防线
第三级防护区包括变电所主控室、远动通信机房及全部电子设备。其主要任务是多重屏蔽、电源过压嵌位、信号限幅滤波、地电位均压、浮点电位牵制。
3.3.1 多重屏蔽
微电子设备工作电压低击穿功率小,靠单一屏蔽难以达到预期效果,必须采取多重屏蔽。利用建筑物钢筋网组成的法拉第笼,以及设备屏柜金属外壳、装置金属外壳等逐级屏蔽。早期的变电所建筑留下了许多防雷的先天不足,新建的变电所必须按国标(GB50057-94)《建筑物防雷设计规范》 及邮电部(YD2011-93)《微波站防雷与接地设计规范》电力部(DL548-94)《电力系统通信站防雷运行管理规程》等要求利用建筑物女儿墙、天面防雷网及结构钢筋、基础钢筋焊接成一体的网,以及设备特殊要求的金属幕墙组成第一级屏蔽。
3.3.2 地电位均压
笔者赞同室内采用联合地网,设环形地母线、接地汇集线。地母线与地网采用多条引下线对称引下连接。对于电子设备之间电的联系跨度较大的部分,跨越几个防护区的部分,常因地电位不均衡造成工作出错或损害。国家电力调度通信中心曾发文制定反措,在变电所主控室电缆层敷设不小于100mm2的铜地网延伸至220kV耦合电容结合滤波器处连接。这一措施实施以来效果令人满意。不仅仅是高频保护,目前就地布置的电子设备与分控室或主控室之间的通信如果采用电的联系,同样会遭遇此问题,现场可以根据具体情况采取地电位均衡措施。
3.3.3 浮点电位牵制
建筑物内金属门窗、玻璃幕墙、吊顶龙骨、灯具等均可能随雷电二次效应危害电子设备,应予就近多点接地以防不测。变电所二次回路直流蓄电池长期为浮点运行。为防雷害,应采用直流避雷器和在绝缘监察装置内加装气体放电管。
4 变电站防雷设计的基本措施
4.1 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。
4.2 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,存保护、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装地线上,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。
4.3 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、小稳定、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。
4.4 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半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,所以变电站设计时进线存断路器或隔离开关后面、土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。
雷击对变电所电子设备的危害主要表现在感应过电压,侵入波过电压、地电位反击,雷电二次效应等。对变电所电子设备的防雷应分区分级防护,引雷、分流、散流、屏蔽、均压、隔离、限幅、嵌位、滤波相结合,充分利用当代先进技术,根据电子设备工作特点选用低压避雷器,如高频避雷器、数据避雷器、放电管、硅瞬变二极管、瞬态过电压保护器、组合式避雷器等,等将雷害事故和干扰减少到最低程度。
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