基于提高二次设备防雷技术的实证分析

2010-05-11付书明卢江丽

中国新技术新产品 2010年15期

付书明卢江丽

（杭州职业技术学院中国计量学院，浙江杭州 310018）

1 引言

随着科技不断发展，避雷器的制造水平也得到了很大的提高，金属氧化物避雷器被广泛推广使用，使得对变电站中一次部分的雷电过电压的保护得到了保证。然而，大规模、高精度集成模块制成的微电子为主要元件的控制、保护、信号、通信、监控等设备在电力系统中的使用也越来越广泛，特别是在一些大型发变电站中，即使在采样和计量系统中也普遍采用，它们大大提升了电力系统自动控制水平。相对其应用程度来说，与这些高精度的二次设备的保护研究并没有得到相应的重视。怎样才能使这些微电子二次设备在恶劣的雷电环境下正常运行，是亟待解决的问题。因此，下文重点论述雷电干扰对二次设备的影响以及二次设备接地的必要性。

2 雷电干扰对二次设备的影响

2.1 雷电干扰的影响综述

当变电站遭受雷击时，雷电流经由避雷针、避雷器或避雷线的接地引下线流入地网。由于地网接地体阻抗，特别是感抗的作用，使得在雷电流下的地网电位分布变得极不均匀。同时由于地网接地体上的电流随时间的变化率(di/dt)很大，使得地网附近的二次回路上产生较高的感应电势。计算机和其它的二次设备对这种幅值高、变化快、持续时间短的暂态干扰极为敏感，常常会因为处在这种干扰之下而影响正常工作，甚至还会造成设备的损坏和其它事故的发生。为此我们有必要对雷电流在接地网上的分布进行分析。雷击过电压分为直击雷过电压和感应雷过电压两种，直击雷是指雷电直接击中电气设备、线路或建筑物，引起强大的雷电流流过这些物体导致整个系统过电压；感应雷是指雷云对地放电过程中，放电通道周围空间的电磁场发生急剧变化，在附近导体上产生感应过电压

2.2 感应雷对二次设备的影响

感应雷虽然没有直击雷产生的影响猛烈，变电站二次系统发生的雷击事故绝大部分是由感应雷引起的。以下介绍感应雷对变电站二次设备的影响。

图1 导电部件或二次系统与等电位连接排的连接

图2 机房防雷设置示意图

感应雷对二次设备的影响主要是指在雷云之间放电或雷云对地之间放电时，在附近的户外传输信号线路、埋地电缆线路、设备连接线上产生电磁感应并侵入设备，使串联在线路之间或线路末端的电子设备受到损坏。当雷云层与层之间以及雷云与大地之间放电时，在放电通道周围产生的电磁感应、雷电电磁脉冲的辐射以及雷云电场的静电感应，使建筑物上的金属部件、管道、钢筋和由室外进入室内的电源线、信号传输线、天线馈线等感应出雷电高电压，并通过这些线路以及进入室内的管道、电缆等引入室内造成电子设备损坏。感应雷的频谱很宽，从能量积累大多分布来看，大多集中在低频段。如10/700μs冲击波，总能量95%以上分布在3kHz频率以下；而1.2/50μs冲击波，大约总能量90%以上分布在18kHz频率以下。可见这类波形对工作在低频和直流状态的电子设备危害极大。当集成电路任一个端口的能量达到10～6J左右时，芯片会遭到永久性破坏。雷电感应是雷电流的强大电场以及磁场变化时产生的静电感应和电磁感应造成的。

3 接地技术在二次设备防雷中的重要性

由于计算机技术和网络技术在电力系统中的应用，大大提高了电力系统运行的安全性和可靠性，同时也提高了系统暂态稳定和动态稳定性。然而，由于变电站的二次电缆数目众多并且敷设得错综复杂，导致电力系统和设备一旦发生故障，其暂态过程和故障电气量的数值陡增，伴随着复杂的电磁振荡过程，微机系统由于自身工作电压低，在此环境中极易受到干扰。二次电缆和继电保护设备自身的接地和抗干扰性能变得极其重要。在实际生产中，不断有因二次系统接地方式不正确和干扰造成保护误动作或开关误跳，甚至造成保护及控制元件损坏的事故出现。电力系统中的二次系统是由各种二次设备和电缆组成的，几乎所有的电气量都是通过电缆引入二次设备的。这些电缆处于一次设备的高压电磁场中，工作条件极其复杂，同时还经受着系统故障时各种暂态环境和各种气候条件的考验。而作为二次系统的大脑，各种保护装置和信息处理系统，都是由计算机、通信设备等敏感的电子原器件构成，对各种诸如雷电过电压、电力系统操作过电压、静电放电、电磁辐射等干扰非常敏感。为了能使各设备免受干扰的影响，在发电厂和变电站中出于安全的考虑，都会布置一个范围覆盖全厂或全站的接地网，所有的一次、二次设备都要求与这个地网连接。地网铺设情况直接影响变电站各设备的运行，电力系统中发生的很多重大事故往往都和接地网的性能指标以及一、二次设备与地网的连接设计有关，可见，正确的接地对二次设备防雷非常重要。

4 等电位连接技术对二次设备的保护原理及实例分析

在实际中，变电站二次系统中的各控制屏柜和集成自动化设备不可能在同一个位置，之间可能相距甚远，若分别将它们在就近的接地铜排上接地，当雷电冲击电流经避雷设施泄放导至地网时，这股强大的接地电流就很有可能在一二次设备的两个接地点之间产生较大电位差，将干扰系统正常工作，干扰严重时甚至会损坏控制电路或元件。因此，为防止不同信号回路接地线上的电位差引起交叉干扰，应严格按“一点接地”原则进行设计和施工，即实行等电位连接。所谓等电位连接，就是把所有可能同时触及或接近的、在故障情况下可能带不同电位的裸露导体（包括电气设备以外的裸露导体）相互连接起来，等值他们之间的电位差，以防止出现接触电压。二次系统中信号分系统要将内部地线接通，然后各自用规定面积的导线统一引到某一点，再由该点接到接地铜排上，从而实现一点接地。对于控制柜和保护柜，利用一点接地保证其在同一个接地等电位面上，以保证自动控制系统的安全可靠运行。等电位连接一般包括保护接地，构造等电位面有两种可能做法，一是将微机保护柜底部已有的接地铜排通过焊接联通，同时在尽头用专用100mm2铜线联通，形成一个铜网格，这个网格与由电缆沟引来的粗铜导线联通，对控制室的接地点形成要求的对地网唯一的一点接地。另一种做法是，在保护柜底部的下面构造一个专用的铜网格，各控制保护柜的专用接地端子经一定截面的铜线联到此铜网格实现。

实现等电位连接的主体为:设备处在建筑物的主要金属构件和进入建筑物的金属管道、供电线路（含外漏可导电部分）、防雷装置以及由电子设备构成的信息系统。应采用连接导线和线夹在连接排做等电位连接，需要时采用浪涌保护器（SPD）做等电位连接，如图1示。

图2是一个普通机房的防雷设置:避雷针安装在楼顶上，防雷地，保护地合设，工作地单设，当雷击时Ua电位陡升，防雷地电位Ua与工作地Ub之间形成高电位差，由于设备机壳与工作主件间存在着分布电容，当数十千安电流对保护地(防雷地)冲击时，雷电流很容易经过藕合电容流到工作地，造成设备损坏，甚至人身安全受到威胁。如果防雷地，保护地与工作地联在一起使Ua，Ub等电位，水涨船高，Ua，Ub同步变化，而不致损坏设备，危害人身安全。