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变电站弱电设备遭受雷电损坏原因分析及防护


摘 要: 变电站是电力供电系统的重要枢纽,但其往往地处空旷地带,容易遭受雷击,变电站弱电设备易遭受雷电损坏的主要原因有地电位干扰、空间电磁感应的影响、所安装电源避雷器不匹配、光缆接地处理不当等,根据这些原因提出了相应的保护措施,最后详细介绍了施工工艺要求。

关键词: 变电站; 弱电设备; 防雷装置

作者:林经春

引 言

近年来,电力覆盖电网的飞速发展,大大提高了人们生活质量及工作效率,但同时也造成了对供电系统的过度依赖及对其质量的要求也越来越高。变电站是电力供电系统的重要枢纽,但其往往地处空旷地带,容易遭受雷击,如果发生雷击事故,将造成大面积的停电,严重影响社会生产和人民生活,对变电站机房内的人员及设备安全造成极大的威胁,因此要求变电所的防雷措施必须十分可靠。本文结合2002 年 8 月 5 日洛阳市旭升变电站、汝阳县王坪乡聂坪村变电站设备遭受雷击,2008 年 4 月 7 日洛阳金谷园等地的变电站反映的机房光端机集成电路板、网络设备在雷雨天气时出现故障和器件损坏等情况进行分析。

1 原因分析

变电站的各类保护和控制系统在运行中面对的高电压、强电场和电磁环境非常复杂,造成弱电设备损毁的主要原因有以下几项。

1.1 地电位干扰

1.1.1 地电位反击

地电位反击是雷电流入地的瞬间,由于各系统接地装置间电位不同而产生的电位差沿接地线到达设备的外壳、电力线的中性线以及直流地的基准电位点,有可能使设备的外壳、电力线的中性线、直流地的基准零电位点瞬间抬高数千伏直至数万伏,危及人身和设备的安全。实验证明,两个接地系统之间的距离为 30 m 时,这种反击现象仍然存在[1 - 4]。

1.1.2 地电位干扰源及干扰途径

变电站最严重的电磁干扰源是雷电,干扰分为共模干扰和差模干扰。共模干扰( 也称纵态干扰或共模耦合) 是指出现于导线与地之间的干扰。差模干扰( 也称横态干扰或差模耦合) 是指出现于信号回路内的与正常信号电压相串联的一种干扰。

干扰源通过各种耦合途径作用在二次系统,从干扰源把干扰能量传递到干扰对象有 2 种方式: 传导方式和辐射方式。干扰源通过耦合进入控制电路,或从控制电路传导出去可以进一步分为以下几种方式。

(1)共模阻抗耦合( 电导耦合) 。如图 1 所示,当 2 个或多个电路共用 1 条线或 1 个连接点时,将可能产生共模阻抗耦合干扰,干扰水平取决于共模阻抗幅值。

图 1 共模阻抗耦合

(2)容性耦合( 电耦合) 。如图 2 所示,弱电系统每部分之间存在电容,任何电压的变化,不管在什么位置,将驱动电流通过电容而传导干扰,产生的干扰电流为I = Cdu /dt式中,I 为通过电路电容的电流; C 为 2 个电路之间的电容; 对于容性耦合,耦合随导体间的距离增加而减小,高阻抗电路更有益于容性耦合。

图 2 容性耦合

(3)感性耦合。一个电路产生的磁场可能会对另一电路产生电感性耦合,它是由干扰源与被干扰对象之间的互感所引起的,主要由干扰源的电流所决定。

(4)辐射干扰( 电磁耦合) 。辐射干扰是指一次系统产生的电磁干扰所辐射的干扰能量通过空间电磁波的形式传播到二次系统中,产生干扰。随二次电缆的接地方式不同形成共模和差模干扰。干扰源对二次回路的耦合是非常复杂的,通常同时存在几种干扰源和几种干扰方式。另外,变电所内发生工频接地短路时流经接地装置的大电流产生的地电位差也是引起地电位干扰的主要原因,其主要有共模干扰和电容耦合干扰两种干扰形式。

1.1.3 影响接地网电位的因素

(1)雷电冲击接地电阻。雷电对地冲击产生反击电压,如果防雷接地网与二次重要设备接地网共用一个地网将直接影响二次设备。

(2)工频接地电流。大电流设备对地短路时将产生很大电流,由于接地电阻的存在,不仅短路处地电位大幅升高,如果地网设计不科学,地网将产生电流,影响接入地网上的其他设备。因此,二次设备一般不与大电流一次设备共用一个地网。

(3)直流输电系统的"地"对变电站地网的影响。单极直流输电运行以大地为回线,大地电流与单极线电流相同,因此高压直流走廊地电位受直流电流影响。有研究报告为证,双极直流输电理想条件下,地线电流互相抵消,大小为零。若换流器并联,则大地电流是单极的两倍。研究报告表明,高压直流投运后,附近变压器噪声升高,将对地电位产生很大影响。

(4)变电站接地网。二次设备对地网要求更敏感。接地网的接地电阻一般不超过 4 Ω。为防止一次设备地网的冲击电压,最好为独立地网,而且地网也要考虑均压问题。二次设备也接入该地网。地网不均压,则二次设备的电压反击也会造成控制和保护设备损坏。

1.2 空间电磁感应的影响

电磁感应是由于雷电流迅速变化在其周围产生瞬变的强电磁场,使附近导体上感应出很高的电动势。依据电磁感应原理,在雷电入地瞬间,距雷击中心 1. 5 ~ 2. 0 km 范围内都可能产生危险的过电压。当建筑物附近发生雷击或接闪器接闪时,建筑物及内部的设备都处在这个危险的电磁环境中。依据电磁感应原理,如果瞬变磁场中的导体是一个开环,则会产生感生电压; 如果是一个闭合回路则要产生感生电流,闭合回路的面积越大,通过的磁通量越多,产生的感生电流也越强。这就是有时一个与外界并无联系的内部网络系统,几声雷响过后,便形成瘫痪的原因。

雷击电力线路或线路附近发生雷击产生的瞬变电磁场在电力线路上形成的过电压,以及雷电的下行先导在线路上产生的静电感应均有可能沿供电线路进入设备而使设备损坏。依据公式:

Em =M × di /dt

( 其中 M 为互感系数,di /dt 为雷击电流变化率,Em为感生电压) ,一个5 m ×5 m 的开口金属环,在雷电电流峰值为100 kA 时,距雷击点为20 m 处感应电压为30 kV 左右,距雷击点为200 m 处感应电压为1 kV左右。大量雷击事故统计表明,70%—80%的雷击由电源线引入。

感应过电压同样可以沿信号传输线引入,与电力线相比沿传输线引入的过电压能量通常相对小一些,这是因为在电磁耦合过程中较多的能量耦合到电力线上。而在传输电缆孤立架设,没有其他线路与其分担时,大部分雷电能量同样会耦合其上,这就是有时一根电话线引入的雷击能致人于死地的原因。

机房楼顶未安装避雷带和避雷网,机房金属窗未进行等电位连接,机房内部空间容易受电磁干扰,引起弱电设备感应过电压,损毁电路板。

1.3 所安装电源避雷器不匹配

根据《建筑物防雷设计规范》有关条文规定[5],电源系统中所安装的电涌保护器必须能承受预期通过它们的雷电流,并应符合以下附加要求: 通过电涌时的最大钳压,有能力熄灭在雷电流通过后产生的工频续流。

电源线路多级 SPD 防护的主要目的是达到分级泄流,避免单级防护时随过大的雷击电流出现损坏概率高和产生残压。通过合理的多级泄流能量配合,保证 SPD 有较长的使用寿命和设备电源端口的残压低于设备端口耐雷电冲击电压,确保设备安全。

机房原有配电箱内所安装电源防雷器均为配电箱内自带,其所选器件若不符合规范要求,就起不到防雷保护作用。

1.4 光缆接地处理不当

光纤通讯线缆的内部金属加强芯未做好接地,导致雷电波侵入损毁电路板。

2 保护措施

2.1 排除地电位干扰办法

雷电对地冲击产生反击电压,如果防雷接地网与二次重要设备接地网是一个网将直接影响二次设备。因此,二次设备不要与大电流一次设备共用一个地网,应对机房设置独立的接地网络。

2.2 减少空间电磁感应的影响

(1)楼顶安装避雷带和避雷网格。

(2)楼四周敷设引下线。

(3)机房内设置防雷专用等电位连接网络,设备与等电位连接网络就近连接。

2.3 科学设计楼内电源防雷保护

电源部分采取三级防护,进行三级电涌过电压是因为能量需要逐级泄放和传输线路会感应 LEMP( 雷击电磁脉冲辐射) ,通过多级避雷措施后可将侵入设备的残压限制到一个合理的水平。电源第一级防雷保护: 安装于总配电。防止直接的传导雷进入 LPZ1 区,将上万至数十万伏的浪涌电压限制到 2. 5 kV 以下。一级浪涌保护器可以对直接雷击电流进行泄放,一级浪涌保护器响应时间低于 100 ns,电压保护水平≤2. 5 kV。依据《建筑物防雷设计规范》有关规定[5],在 LPZ0A 或 LPZ0B区与LPZ1 区 交 界 处,从室外 引 来 的 线 路 上 安 装SPD。当线路有屏蔽时,每个 SPD 的雷电流按雷电流幅值的 30%考虑。变电站为二类防雷建筑物,首次雷电流幅值为 150 kA,电源线路 为 铠 装 埋 地,TN-S配电模式,在建筑物已安装合格的防直击雷措施后,有 50% 的雷电流通过引下线流入接地装置,因此首次直击雷在低压配电线路上每线的分配电流为: 150 kA × 50% × 30% /4 = 5. 6 kA,按《建筑物防雷设计规范》第六章第四节第 6. 4. 7 条要求每线标称放电电流不宜小于 15 kA。同时,依据《建筑物电子信息系统防雷技术规范》[6],浪涌保护器可以将数万伏的雷击及电涌限制到 2. 5 kV 以下。

电源第二级防雷保护: 安装于分配电。根 据《建筑物防雷设计规范》第六章第四节第6. 4. 1—6.4. 12条 LPZ1区对浪涌保护器 ( SPD) 的要求及 GB50054—95《低压配电设计规范》第四章的有关规定,依据雷电分流理论,需使用 8 /20 μs 波形,通流容量 20 kA,能将线路感应雷击过电压限制到 2 kV以下。对于特殊区域需要做重点防护的配电电源需使用通流容量 40 kA 的浪涌保护器进行加强保护。《建筑物防雷设计规范》第六章指出配电盘、断路器、固定安装的电机等属于第 III 类耐冲击过压类别,其耐压为4 kV,安装于配电箱内。为防止浪涌保护器遭受雷击后损坏,电源对地短路,需要在浪涌保护器前安装空气开关作为短路保护装置。按照第二类防雷建筑物雷电防护等级二次雷击参数要求,依据雷电分流理论,可分配到电源线路系统的雷电电流为 8 /20μs 波形 75 kA,对于 TN 系统,每线可分配 8 /20 μs 波形雷电流 18. 75 kA。考虑到保护的裕度,作为配电系统电源第二级防雷,需使用 8 /20 μs 波形、通流容量65 kA 或 40 kA 每线的电源浪涌保护器。根据具体安装位置和布线方式的不同选择不同的通流容量,将线路感应雷击过电压限制到 2. 0 kV 以下。

电源精细级保护: 安装于重要设备前端。根据IEC 61312—3《雷电电磁脉冲的防护 第三部分: 浪涌保护器的要求》,在 LPZ2 区内,浪涌保护器可将浪涌电压限制到一千多伏,浪涌保护器通流容量为( 8 /20 μs) :≥3. 5 kA。2. 4 将光缆内部金属加强芯合理接地光缆接地处理不当时,会导致雷电波侵入损毁电路板,所以应将光缆内部金属加强芯合理接地。

3 施工工艺要求

3.1 浪涌保护器的安装工艺

(1)模块式的浪涌保护器应尽量安装在被保护设备内,若无法安装在被保护设备内时,必须先将模块式浪涌保护器安装在安装盒内,再安装在附近的墙上或靠近被保护设备的其他地方; 箱式浪涌保护器应安装在附近的墙上或靠近被保护设备的其他地方,引线不宜超过 0. 5 m,接地引线尽量避免与电源线紧挨平行布设,宜短直。

(2)模块式浪涌保护器和自动空气开关一般固定在宽 35 mm 的标准导轨上,再将导轨固定在设备内。

(3)各级电源浪涌保护器必须安装在交流配电设备的交流输入端。模块式电源浪涌保护器必须通过相应容量的自动空气开关才能并入供电线路。

(4)断电拉闸,推高压熔断器必须得到变电站工作人员同意,施工人员不得自行断电。

(5)由于电源浪涌保护器在设备内部安装固定时是不切断电源的,而且空间较小,因此必须谨慎操作,尽量使用回转幅度小、回转半径小的工具( 如套铜扳手) 来固定浪涌保护器。

(6)切断电源前应向变电站工作人员确认电池稳定持续供电的最长时间及油机是否有自动启动装置。断电接线前还应用测电笔确认无电后方可把浪涌保护器接入供电线路。

(7)电源浪涌保护器应以最短、最直路径接地,防雷地线避免出现"V"形和"U"形弯,连线的弯曲角度不得小于 90°。防雷地线必须绑扎固定好,松紧适中。

3. 2 接地工艺要求[7 - 10]

3.2.1 普通镀锌接地体施工工艺

垂直接地体长度为 2. 5 m,垂直接地体间距应不小于其自身长度的 2 倍。当垂直接地体埋设有困难的时候,可在环行水平接地体的基础上向外延伸辐射形接地体或加降阻剂。接地体之间所有的焊点,除了浇注在混凝土中的以外,均应进行防腐蚀处理。接地装置的焊接长度,对扁钢为宽边的 2 倍,对圆钢为直径的 10 倍。接地体埋深,其上端距离地面应不小于 0. 8 m,在寒冷地区,接地体应该埋设在冻土层以下。人工接地体距建筑物出入口或人行道不应小于 3 m。当小于 3 m 时应加大水平接地体,局部深埋至 1 m。接地坑应回填土壤或降阻材料。

接地引入线应做防辐射处理,较好的办法是采用牺牲阳极防腐蚀法( 阳极金属采用锌或镁为宜) ,还应做绝缘处理,并不得在暖气地沟内布放。埋设时应避开污水管道和水沟,裸露在地面以上的部分,应有防止机械损伤的措施。接地引入线应以对称的方式( 南北或东西) 由地网就近引入,与机房接地汇集线相连。

3.2.2 离子接地极的施工工艺

(1)离子接地体由电极、防护罩、高能回填料组成。

(2)钻孔直径 150 mm,比接地体的长度深 100mm,在孔口周围根据防护罩的尺寸开挖。

(3)安装离子接地体时,先移开底部的红带,回填时不要移开顶端的红带。将接地体放于孔中间,加入预先拌好的粘土回填接地体底部到出液孔以上50 ~ 100 mm( 粘土与水的体积按 1∶ 2 预先搅拌好) 。

(4)用高能回填料回填至距接地体顶端约 600mm,引出预先与接地体用放热焊接的连接线,然后再用高能回填料回填距顶部 150 mm ( 高能回填料与水的体积比为 2∶ 1) 。

(5)安装防护罩时再移开顶端的红带,注意电极顶部的透气孔不被掩埋。

4 结语

对洛阳市旭升变电站、汝阳县王坪乡聂坪村变电站遭受雷击,洛阳金谷园等地的变电站反映的机房光端机集成电路板、网络设备在雷雨天气时出现故障和器件损坏等情况的分析表明: 变电所的各类弱电系统在运行中面对的高电压、强电场和电磁环境非常复杂,但受到雷电主要影响的还是地电位干扰。采取科学的防雷设计和严格的施工工艺能最大程度降低雷电对变电站内部弱电设备的影响。

参考文献

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