浅谈电力系统的安全防雷设计

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浅谈电力系统的安全防雷设计 摘 要：电力系统防雷是保证电力设备安全的重要措施之一，本文通过介绍对雷电的产生原理及防范措施、最终对防雷技术改革的目的、要求及措施，提出有益的建议，使每个电力职工增强电力设施的安全保护意识。 　　关键词：雷电 防雷技术 接地保护 浪涌电压 　　近年来，随着电子技术的飞速发展，自动控制系统在电力生产各个方面的使用越来越广，电力职工在受益于微电子技术的极大方便的同时，也受到其一旦损坏就损失巨大的困扰。实际上，在电力系统增加自动控制系统的时候，对自动控制系统的安全防雷意识相对淡薄，一旦有雷电波侵入，设备损坏一般是巨大的，有的甚至使整个系统瘫痪，造成无可挽回的损失。 1 雷击产生的原因 　　雷击是一种自然现象，它能释放出巨大的能量、具有极强大的破坏能力。一直以来，致力于电力生产和电力设备研究的人员通过对雷击破坏性的研究、探索，对雷电的危害采取了一定的预防措施，有效地降低了雷害。 　　当雷电放电路径不经过防雷保护装置时，放电过程中产生强大的瞬变电磁场在附近的导体中感应到强大的电磁脉冲，称感应雷。感应雷可通过两种不同的感应方式侵入导体。一种是在雷云中电荷积聚时，附近导体会感应相反的电荷，当雷击放电时，雷云中电荷迅速释放，而导体中的静电荷在失去雷云电场束缚后也会沿导体流动寻找释放通道，就会在电路中形成静电感应，其次是在雷云放电时，迅速变化的雷电流在其周围产生强大的瞬变电磁场，附近的导体中就会产生很高的感生电动势，在电路中形成电磁感应，感应雷沿导体传播，损坏电路中的设备或设备中的器件。信息系统中系统接口多，线路长，给感应雷的产生、耦合和传播提供了良好环境，而信息系统设备随着科技的发展，集成度越来越高，抗过电压能力越来越差，极易受感应雷的袭击，并且损害的往往是集成度较高的系统核心器件，所以更不能掉以轻心，感应雷可以来自云中放电，也可以来自对地雷击。而信息系统与外界连接有各种长距离电缆可在更大范围内产生感应雷，并沿电缆传入信息系统。所以防感应雷是电力系统特别是微电子技术应用比较广泛的变电站综合自动化系统内，因而信息系统防雷是电力系统保证安全的重点。 2、电力系统高压电力装置防雷技术 2.1 原始的高压防雷技术 　　电力装置在其发展使用初期大都是通过裸导线架空线路输电，架空导线一般在离地面6～18m的空间，通过雷电入侵波产生的雷电过电压使线路或设备绝缘击穿而损坏。当时人们通过在线路或设备上人为地制造绝缘薄弱点即间隙装置，间隙的击穿电压比线路或设备的雷电冲击绝缘水平低，在正常运行电压下间隙处于隔离绝缘状态，当雷电发生时强大的过电压使间隙击穿，从而产生接地保护，起到保护线路或设备绝缘的作用。 2.2 间隙保护技术：间隙保护就是线路大体的两极由角形棒组成，一极固定在绝缘件上连接带电导线，而另一极接地，间隙击穿后电弧在角形棒间上升拉长，当电弧电流变小时可以自行熄弧，间隙保护技术的缺点是当电弧电流大到几十安以上时就没法自行熄弧，雷电过电压时，单相、两相或三相间隙都可能击穿接地，造成接地故障、两相或三相间短路故障，以致线路电源断路器保护动作分闸。 2.3 管型避雷器技术：管型避雷器技术是利用一种具有喷气熄弧功能的间隙装置，此装置有内外两个间隙，外间隙类似保护间隙，两极均固定在绝缘件上，内间隙置于避雷器管内，当雷电过电压内外间隙击穿时，雷电流和工频短路电流经管内壁接地，管壁物质受热气化，有较大压力气体经内间隙喷出管外，强制间隙熄弧。管型避雷器技术也存在很多的缺点：此装置的的选用受安装地点的限制，其次还受线路最大、最小短路电流的制约，最大短路电流大于避雷器的断流上限时避雷器会爆炸；短路电流小于避雷器的断流下限时就不能熄弧，避雷器可能烧坏。另外管型避雷器多次动作后，管内径会逐渐增大，熄弧能力会下降甚致消失。 3. 新型防雷技术的应用 　　间隙保护技术和管型避雷器技术都是靠间隙击穿接地放电降压来起到保护的作用，以上两种防雷技术往往会造成接地故障或相间短路故障，不能达到科学合理的保护作用。目前在电力系统中防雷保护仅将它们用于输电线路防雷，同时为了尽量减少线路停电事故，与自动重合闸装置配合使用。更为科学合理的防雷措施是阀型避雷器技术，是目前电力高压防雷最为普遍的电气设备防雷技术。其原理是在过电压下自动开闸泄流降压，恢复运行电压时闭闸断流，这种保护作用是靠避雷器内电阻元件的限流限压作用实现的，过电压下电阻元件可将雷电流限制在5kA内，残压限制在设备的雷电冲击绝缘水平以下；有些电阻元件在运行电压下仍有续流通过，长时间续流会使管型避雷器损坏，故一般需加串联间隙隔离运行电压，并靠间隙灭弧和切断续流。阀型避雷器突出优点是避雷器的电阻元件可避免电力系统直接接地或相间短路故障，其保护作用不会影响电力系统的正常安全运行。 3.1 碳化硅避雷器技术：碳化硅避雷器结构为将间隙和若干片SiC阀片压紧密封在避雷器瓷套内，保护作用是利用SiC阀片的非线性特性，在过电压下电阻变得很小，可大量泄放雷电流限制残压，而在雷电压过去后电阻自动增大，限制续流在几十安内，使间隙能灭弧和断流。碳化硅避雷器技术是现行防雷技术中主要的防雷电器。 3.2 氧化锌避雷器：氧化锌避雷器简称MOA, 与传统的碳化硅避雷器相比，MOA具有保护特性好，通流能力大，耐污能力强，结构简单，可靠性高等特点，能对输变电设备提供最佳保护。 　　碳化硅避雷器技术在防雷性能上有其突出的优点被电力系统高压设备广泛采用，但也存在着一定的缺点：一是只有雷电最大幅值限压保护功能，而无雷电陡波保护功能，防雷保护功能不完全；二是没有连续雷电冲击保护能力；三是动作特性稳定性差可能遭受暂态过电压危害；四是动作负载重使用寿命短等。这些潜在的缺点已暴露出碳化硅避雷器在使用的过程当中存在影响电力安全的隐患性且其产品技术也比较落后。氧化锌避雷器按外壳材料分为瓷套式、罐式、复合外套式三大类；按使用场所分配电、电站、线路、并联补偿电容器、变压器和电机中性点、发电机和电动机保护用六大类，氧化锌避雷器技术在继承了碳化硅避雷器技术的基础上，无论是在设计的思想上，还是在产品功能的完善上都是世界公认的当代最为先进防雷电器。氧化锌避雷器的结构为将若干片ZnO阀片压紧密封在避雷器瓷套内。ZnO阀片具有非常优异的非线性特性，在较高电压下电阻很小，可以泄放大量雷电流，残压很低，在电网运行电压下电阻很大很大，泄漏电流只有50～150μA，电流很小可视为无工频续流，这就是作成无间隙氧化锌避雷器的原因，其突出优点是它对雷电陡波和雷电幅值同样有限压作用，防雷保护功能完全。 　　我国最先生产使用的是无间隙氧化锌避雷器，经过长期的运行实践，发现它有损坏爆炸率高，使用寿命短等缺点，原因是暂态过电压承受能力差是其致命弱点。而串联间隙氧化锌避雷器仍有无间隙氧化锌避雷器的保护性能优点，同时有暂态过电压承受能力强的特点，是一种理想地扬长避短产品，结合国情在3～ 35kV系统串联间隙氧化锌避雷器才是当代最先进防雷电器。 4 电力系统弱电装置防雷技术 4.1雷击的形成及入侵途径 4.1.1雷击形成主要有两种形式：直接雷击和感应雷击 　　直接雷击是指雷电直接作用在物体上，产生电能效应、热效应和机械力等对物体造成危害。 感应雷击是指雷电放电时，在附近导体上产生的静电效应和电磁感应，由此产生的放电效应使使金属部件之间产生火花，称之为感应雷击。 4.1.2感应雷击的入侵途径有以下几种 　　变电站的避雷针的二次感应产生的雷击效应,产生的雷电电流经过避雷针导地时感应到市内的传输线上。对于老式的通讯设备来讲,它们的构造大都是由电子管、晶体管向集成电路过渡的。由于电子管、晶体管等相对对立,因而耐冲击能力较强，因此二次雷击效应对电子管、晶体管通讯设备不会造成太大损害。对于集成化程度较高的微电子设备，其耐冲击能力差，受雷击更易使微电子设备受到损坏。 　　通过电源线、信号线或天线馈线引入的感应雷击通过电磁感应耦合到各类传输线而破坏设备。电源线引入感应雷击。变电站内设置的微波通信基站的供电线路大多采用架空明线。试验表明，雷电频谱在几十MHz以下频域，主要能量集中分布在工频附近。因此，雷电与市电相耦合的概率很高，容易造成通信线路及通信串口烧坏。为了扩大信号覆盖范围，就要尽可能地增加天线架设高度（65m以上的铁塔约占50%）。但是，在提高信号覆盖范围的同时，也增加了铁塔引雷的概率。 4.2外部防护：外部防护是指对安装弱电设备的建筑物本体的安全防护，可采用避雷针、分流、屏蔽网、均衡电位、接地等措施，这种防护措施比较常见，相对来说比较完善弱电设备的外部防护首先是使用建筑物的避雷针将主要的雷电流引人大地；其次是在将雷电流引人大地的时候尽量将雷电流分流，避免造成过电压危害设备；第三是利用建筑物中的金属部件以及钢筋可以作为不规则的法拉第笼，起到一定的屏蔽作用，如果建筑物中的设备是低压电子逻辑系统、遥控、小功率信号电路的电器，则需要加装专门的屏蔽网，在整个屋面组成不大于5m－5m，6m－4m的网格，所有均压环采用避雷带等电位连接；第四是建筑物各点的电位均衡，避免由于电位差危害设备；第五是保障建筑物有良好的接地，降低雷击建筑物时接点电位损坏设备。 4.2.1电力系统综合自动化变电站的局域网的安全防雷保护从机房到各保护装置的通信线，如果采用架空线路，则易受到雷击，应在进机房前改为埋地电缆，电缆长度应大于50m，其金属外护层应在两端分别与机房地网连接，采用非金属护套电缆时，应穿金属管埋地，至少金属管两端同样应接地，金属管全长应保持电气连接。 4.2.2 电力系统综合自动化变电站监控机房及通信机房的安全屏蔽措施 　　屏蔽是利用各种金属屏蔽体来阻挡和衰减施加在计算机等设备上的电磁干扰或过电压所产生的巨大能量。对计算机系统来说具体可分为建筑物屏蔽、设备屏蔽和各种线缆包含管道的屏蔽。建筑物的屏蔽可利用建筑物钢筋、金属构架、金属门窗、地板等均相互焊接或可靠连接在一起，形成一个法拉第笼保护，并通过接地网可靠的电气连结，形成初级屏蔽网。设备的屏蔽应该对计算机设备耐电压能力进行严格且严密的调查，按IEC划分的防雷区（LPZ）施行多级屏蔽。屏蔽的效果首先取决于初级屏蔽网的衰减程度，其次取决于屏蔽层厚度，厚度最科学的标准为接近电磁波的波长，使电磁波在到达机房内部时消减到最小程度，材料为密度大而且可靠程度高的网孔密度屏蔽材料，但以上必须按信号频率而定，低频时采用高导磁材料，高频时采用铜材，铅材为宜。特别注意的是在雷雨天气里，屏蔽中要注意对各种“洞”的密封，除门窗外，重点对入户的金属管道、通信线路，电力线缆入口作好屏蔽，各种线缆均要 采取屏蔽措施，金属丝纺织网、金属软导管、硬导管、栈桥均可用于屏蔽线缆。在此强调二点注意事项。其一是屏蔽管线的接地，一般要求入户线采用地下电缆入户，其电缆金属护层，在前后两端做良好接地。测量结果表明，电线电缆屏蔽层一端接地时可将高频干扰电压降低一个数量级，两端接地时可降低两个数量级。其二是使用金属丝编制网屏蔽电缆，因其重量轻，使用方便而被广泛应用，但是在电磁波频率较高时，其波长接近编织层网孔尺寸时，波的透入增 加，因此，最好再穿一层金属管。 4.3电力系统二次保护系统的等电位连接是安全防雷的重要措施 　　等电位连接是IEC标准中指出内部防雷措施的一部份，其目的在于减少雷电流所引起的电位差对设备的危害。所谓等电位连接就是用连接导线或过电压电涌保护器，将处在需要防雷的空间内的防雷装置和建筑物的金属构架、金属装置、外来导线、电气装置、电信装置等连接起来，形成一个等电位连接网络，以实现均压等电位。 4.4 变电站实施等电位连接的浪涌保护器，IEC标准将需要保护的空间划分为不同的防雷区，以规定各部份空间不同的LEMP的严重程度和指明各区交界处等电位连接点的位置。以往的规程要求电子设备单独接地，这种接地称为直流工作地或信号地、逻辑地，它实质上是高频信号的接地。单独信号地的目的是为了防止地网中杂散电流或暂态电流干扰设备的正常工作，有时也过分强调要求接地电阻的低值。 4.5 仪器仪表雷击的防护：防范电子设备不受雷击，首先应保证设备所处的建筑物有完善的避雷设施，以及确保电力供电系统避雷措施完备（在发电厂、变电站中要保证高低压配电系统避雷良好）。其次由于电子设备工作电压低，抵抗过压能力弱，所以必须重点考虑防范感应雷击。目前感应雷击的防护主要采用感应雷击防护器，或对可能感应到雷击的导线加以屏蔽，一般雷击侵入途径是由电源线或信号线入侵，因此雷击防护就是要在雷电的进入端将其泻放到大地，从而保护设备。同时还有一种情况感应到雷击，就是避雷装置引下线与仪器设备的电源线或信号线相距太近且平行而通过电磁感应引发雷击，此种雷击的避免则应通过合理布线来解决，即在有关仪器仪表布线时按标准进行合理的综合布线。在此方面，根据笔者经验，对于仪器仪表的感应雷击防护，若设备所处环境存在雷击可能，则应给予全面保护，否则往往就有漏保的可能。除了一般注重电源线的防护外，特别不能忽视信号线防雷，对于装设于户外的电子设备或线路，必须对有关线路采取两端保护或多点保护方式。对于重要线路，如有可能尽量采用穿金属管埋地方式敷设，以形成线路屏蔽，减少感应雷击。 5电力系统雷击防护器的工作原理 　　电力系统目前的防雷器多采用两种工作方式：开路方式与短路方式。开路方式是指在防雷器遇到瞬间过电压时开路从而隔离设备，如隔离变压器、电感器、光隔离器类防雷器便是采用此种原理。短路方式是指在防雷器遇到瞬间过电压时对地短路使雷电流导入大地，从而保护电子设备。由于短路方式防雷器本身承受反压低，设备经济简单，所以应用比较广泛。其保护原理（见图一），短路方式防雷器多为一个或几个功能模块的组合，由于各个模块对雷击防护性能有一些区别，所以在选择避雷器时最好有所了解。其中抑制二极管及限流电阻模块可精密控压，但泄流较小；压敏电阻模块启动电压低、启动快，但同样泄流小，过载能力低；气体放电管模块泄流大，但启动电压较高。此外为防止较大过电压冲击。 6新形势下的现代防雷技术及改革 　　现行过电压保护规范GBJ64－83和电力行标准DL/T620－1997，对高压电力装置的防雷保护规定的特征是“在电力系统中各种防雷器件，不分优劣兼容并用，实际使用以碳化硅避雷器为主”。其保护模式是系统中保护间隙或管型避雷器、阀型避雷器并用，其技术水平是只注重雷电幅值限压保护，存在防雷保护功能不完全，保护性能不完善等缺点，防雷技术水平落后。我们必须认识：改革、发展、进步是新世纪时代科学技术发展趋向，现行防雷技术有必要技术改革，新的防雷技术应体现“在防雷器件中，淘汰落后，推广科学合理，技术先进，普遍推广使用串联间隙氧化锌避雷器”，防雷技术改革的核心问题是推广先进技术，只有使用先进、科学合理的防雷电器，才能将电力系统的安全防雷作好，使系统的设备在更为安全可靠的环境下更加经济有效的工作。提高防雷技术水平的具体的技术要求一般应同时具有以下要求或特征： （1） 具有完全的防雷功能，即对雷电陡波和雷电幅值同样有限压保护作用； （2） 防雷保护作用不会造成电力网接地故障或相间短路故障，是保证电力网正常、安全运行的重要要求； （3） 防雷保护作用不应有短路电流或工频续流等工频能源浪费； （4） 动作特性应具有长期运行稳定性，免受暂态过电压危害； （5） 应具有连续雷电冲击保护能力； （6） 应有较小的外形尺寸，小型化轻量化更便于室内手车柜使用；