电力系统二次设备综合防雷措施

唐东平

(广西投资集团银海铝业有限公司，广西 南宁 530028)

一 引言

随着电力系统信息化建设的不断提高，各种电子设备被广泛应用于电力系统中，调度通讯等信息设备越来越多，但是各种电子设备的耐雷电压、耐过电流能力却越来越低，对雷电电磁脉冲敏感性提高。另外，由于电子设备的信号来源路径增多，电力系统较以前更容易遭受雷电波侵入，信息系统正常运行受到影响，微型计算机和通信设备的串行通信口将会受到损坏，严重的会直接破坏计算机本事。特别是在雷电多发区造成系统损坏的现象更加普遍，一旦二次设备受到雷击，一次设备的安全也将受到威胁。实践证明采用二次防雷措施的电力系统，其安全性能够达到要求，因此，综合防雷在电力系统二次设备上的使用是必要的。

通常来说直击雷以及雷电电磁脉冲感应雷的防护是防雷的主要部分。在预防雷电电磁脉冲感应雷时应该从多个方面考虑造成雷电灾害的各种因素，根据雷电的各种危害机理、途径和通道等，应采用对应的综合防雷措施。

对于电力系统二次设备来说，雷电主要通过以下途径侵入:(1)雷击通过架空线通道传导耦合;(2)雷击通过地线通道传导耦合;(3)雷电电磁脉冲能量通过空间通道的辐射耦合;(4)雷云电场通过静电感应耦合到电缆沟的电缆中;(5)通讯线路也是雷电入侵的路径之一。

由于雷电的侵袭无孔不入，所以任何单一的防护措施其效果都是有限的，需要采取多方面的防雷措施。防雷措施可概括为两个部分(内外部防护)和四项技术(屏蔽、拦截、分流、接地以及均压)。不同的防雷技术之间不存在替代性，相互有着紧密的联系，需要综合考虑多个防雷技术。

二 雷电的二次效应及其作用范围

所谓雷电的二次效应是指从云中下来的雷电电流泄放地面时，在泄放过道的附近形成电磁场，从而导致在这个电磁场周围的电子装置和金属元件受到电磁脉冲的干扰而毁坏的现象。雷电二次效应的耦合方式主要有反击、电磁感应、静电场耦合三个方面。

1.反击

当金属体遭受直击雷的时候，在接闪瞬间金属体与大地间存在着很高的电压，雷电的反击现象就是指的这个电压对与大地连接的金属物品之间所发生的放电现象。雷电的反击一般发生在建筑物的外部及附近的金属体上，例如当树木遭到雷击时，树木本身所带的高电压与其附近的金属体和房屋之间就会产生雷电反击现象。

2.电磁感应

雷电的电磁感应是由于雷击后巨大的雷电流在周围空间产生瞬间变化的强电磁场所导致的，在主放电过程中，伴随雷电流冲击波，强电磁场能在附近的金属导体上感应出很高的感应过电压。雷电的电磁感应一般发生在用电设备的内部、各电子器件内部电路等，在强电磁场附近导体上产生电磁感应可能使金属部件之间产生火花从而直接损害设备。如在送电线路附近发生雷云对地放电时，在送电线路上就会产生电磁感应过电压。在图1 中，沿着ABCDA 方向的回路和沿着ABEFA 方向的回路所产生的雷电感应电动势会A 点的对地电压升高，从而出现过电压，这就是雷电感应过电压的电磁分量。当雷击杆塔时，在导线上也会产生电磁感应过电压。雷击点感应电压的大小与雷电流的幅值和陡度成正比。

图1 雷电电磁感应过电压电磁分量图

3.静电场耦合

当雷云向地面发展时，会在输电线路上产生很高的电位，输电线路上感应出的电荷与雷云的极性相反，这个现象称为静电感应。雷电场是一个储能巨大的静电场，雷击过程中的雷电流是从小到大再减弱，开始阶段它在放电过程中由于空气阻力的作用，经过加热使得放电电流会达到最大值，再随着电场的减弱放电电流下降。因个位静电场放电，电流的方向保持恒定，就会造成一个脉冲电流，且幅值偏大，会构成静电场的耦合。这种情况一般是在电设备外围发生，对电力系统的通讯过程不利。

三 二次设备综合防雷措施

(一)综合防雷的组成

1.直击雷防护

(1)功能:拦截雷电流以及对雷电流的泄放。

(2)系统组成:主要由避雷针、避雷带、引下线和接地体构成，把大部分的雷电电流直接传输地面。

2.雷电电磁脉冲防护

(1)功能:均衡系统电位，限制过电压幅值。

(2)组成:由各种过电压保护器和避雷器组成。

(二)综合防雷的主要措施

1.拦截

由于雷电过电压的能量非常大，因此单一的防雷措施根本无法完全消除雷电过电压的侵害，必须采取多级的综合防雷措施才能将侵入的雷电过电压限制在设备能够承受，并且不危害人身安全的范围之内。综合防雷的第一步目标是直击雷。尽管避雷针会对电力系统二次设备产生一些副作用，但是传统的避雷针和避雷网等设备仍然是拦击直击雷最为经济、最为有效的途径。对与此同时产生的副作用，应该采取积极有效的技术措施予以抑制。

2.屏蔽

屏蔽是防止任何形式电磁干扰的基本手段之一，主要是防止或降低外界电磁辐射能量向被保护的空间传播，以及限制某一区域内部的电磁能量向外传播。屏蔽一般可以分为电场屏蔽、磁场屏蔽和电磁场屏蔽三种。电场屏蔽是抑制或消除静电干扰;磁场屏蔽是为了抑制或消除由于磁场耦合所引起的干扰;电磁场屏蔽是同时考虑了电场和磁场的因素，用来屏蔽高频电磁场辐射的一种措施。此外，对于电缆的屏蔽也是一项非常重要的措施，为了防止雷电电磁脉冲对机房内外所有架空和地下的电缆的干扰，一般的做法是用多点接地的金属网、蜂窝结构的非完整屏蔽体或屏蔽室之类完整屏蔽体将电缆屏蔽起来。

3.均压

均压也称为等电位连接，其本质是由等电位连接用的金属导线、等电位连接器、所有导体(不带电金属物体，比如各种线缆屏蔽层，设备的金属底座、金属管道和金属外壳等;带电金属物体，比如电源线和各种信号传输线等)以及可靠的接地系统所组成的一个电位补偿系统。其中非带电导体直接用导线连接，带电导体通过避雷器连接，把所有导体之间作良好的导电性连接，并与接地系统连通。均压的作用是为雷电流提供低阻抗的流动通道，使其能迅速泄放到大地，同时保障系统安全，使系统各个部分之间不产生能导致危害的电位差。即在极短时间里通过均压系统迅速地在被保护系统区域内的所有导体之间建立起等电位区域，使得需要保护的系统区域内部的导体之间不存在明显的电位差，从而保护设备和人身安全。

4.分流

分流是指在泄放雷电电流到大地的过程中，按照所划分的防雷保护区对雷电能量分级泄放，并且尽可能多的将多余的雷电能量在引入到二次设备之前就泄放到大地中。

5.接地

接地是泄放雷电电流最有效的手段之一，其目的是使雷电能量通过低阻抗的良好接地系统泄放到大地中，降低引下线上的电压，避免发生雷电反击，从而保护建筑物、设备以及人身安全。接地不良的接地系统或避雷设施非但不能防雷，反而会为雷电电磁脉冲的破坏提供机会，对电气和电子设备产生电容性或电感性的耦合干扰。

在分析了以上各种情况之后，可以得到电力系统二次设备的防雷措施。第一，为了避免雷击，可以在金属导体采用两种方式方式，一种就是让两个导体电位均压，另一种方式就是简单的保持两个相邻导体之间的距离。第二，电力系统的静电场耦合，通过一些屏蔽方式来避免设备收到静电场的干扰。第三，对于雷电电磁感应，单一的措施不能有效的消除其危害，必须综合采取上述的拦截、屏蔽、均压、分流和接地等防雷措施。

由以上的分析可以将综合防雷措施总结为“有效拦截、良好屏蔽、均衡连接、合理接地、整体设计、综合治理、全面防御”的工程技术方法。

四 总结

随着电力系统中各种电子设备的广泛使用，雷击对电子设备所造成的损害问题也日益突出，因此对设备的综合防雷措施显得十分必要。本文首先从雷电入侵电力系统二次设备的途径入手，然后分析了雷电二次效应的危害和作用范围，最后提出了二次设备综合防雷的主要措施，为实际设计防雷方法提供了一定的依据，给电力系统二次设备的安全稳定运行提供有力的保障。

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