水电站自动化系统防雷设计的研究

2016-01-28杨依东

大科技 2016年24期

关键词：雷电水电站电位

杨依东

（怀化市水利电力勘测设计研究院湖南怀化 418000）

水电站自动化系统防雷设计的研究

杨依东

（怀化市水利电力勘测设计研究院湖南怀化 418000）

社会经济的不断发展，科学技术也越来越发达，电力自动化的程度不断提高，微机控制设备在众多的中小型水电站中应用也越来越广泛。本文则先从自动化系统受到雷电的干扰的主要途径进行分析，以及自动化系统防雷电干扰的主要方法及措施进行分析，以期为相关单位提供参考。

水电站；自动化系统；防雷设计

引言

防护工作是中小型水电站自动化系统中一项重要的工作内容，按照实际的情况，采取相应的措施来解决这些干扰的信号，对其传播进行阻碍，或者将其传播的路径进行切断，因而做好雷电干扰防护工作需要从空间和频域两方面进行。

1 自动化系统中雷电干扰的主要途径

据有关部门进行的测量工作来看，我国的雷电电流基本都维持在了100000A左右，有时还可能超过200000A以上，这样大的电流量不管是通过避雷针流入大地还是沿着建筑物的钢筋结构流入大地，都会经过有关的导线，对水电站中的自动化系统造成干扰。电站自动化系统通常实行的能够自行配置的结构都是开放式的，因而对其进行布置时都是分层进行布置的，其主要分为两层，即电站的主控制层和现地控制层两个单元。如下所示，即为自动化系统中具体干扰途径：

1.1 通过电源线路入侵

自动化系统受到雷电干扰通过电源线路入侵的主要包含三种途径：①直接进入；②电磁耦合；③电容耦合。

（1）所谓的直接进入即是指电源直接被雷电击中，电流会再次经过电源设备直接进入，形成了二次回路入侵，此干扰方式产生的电压就很高，严重损害二次设备的性命，如果雷电电流的陡度按照每毫秒100000A进行测算的话，那么长度为10m的单根引线的引导下，设备的电感电压会达到1MV，甚至更高。变电站在实际工作中，由于有电晕消耗存在，产生的电压会较低，但对于变电站自动化系统的打击却是致命的。

（2）所谓的电磁藕合是变电站设备中的一种以及跟变电站有关的用电装置，即是为了进一步提高检修的效率，将不同的导线束在一起，而束在一起的导线则会有耦合感应发生，且这些耦合感应大小不一。根据耦合感应的有关原理，雷电在击中电源线路或者经过地下侵入时，会导致电源线跟变电站自动化系统中有关设备形成连接的关系，从而发生一定的磁场耦合反应，程度不一，对自动化系统的正常运行造成干扰，严重时还会对系统的功能造成威胁，降低了系统的运行性能。通常在描述耦合时是以参数模型作为基础的，而后再进一步简化电路的理论。

（3）所谓的电容耦合就是电源线路靠近水电站自动化系统时，雷电会沿着有关的线路侵入到电源线路，致使电源线路产生电场，这些电场会通过电容耦合对自动化系统中其余的线路造成感应。

1.2 通过地电位反击引入

无论雷电是经过避雷器的接地引下线侵入到水电站的自动化系统，再经过接地网流入大地，或者是通过构架的避雷线侵入到水电站自动化系统中，再经过接地网流入大地，都会使得电位发生较大的异常反应，从而导致跟接地网有关的电网上升特别的迅速，对水电站自动化系统的正常运行造成了很大的影响。然而，在水电站的自动化系统实际运行中，常会在将低压电缆设置在地网旁边相应的电缆沟里，这些电缆通常都有控制、通信、计量以及对电路形成二次保护的作用，对于这些由于雷击而产生的有异常的电位差，会在电缆的屏蔽层处形成表皮电流，电流的强度十分的高，而后这些电流会通过屏蔽层和芯线的耦合干扰到电缆芯线的，严重时还会干扰到水电站自动化系统的正常运行。因而对于电压产生的干扰方式的不同，可以将通过地电位反击引入产生的雷电干扰分为两种形式，即差模干扰和共模干扰。而雷电电击的主要参数一般有两个：①从几十安甚至到几十万安不等的雷电流，会严重破坏水电站的自动化系统，尽管这样类型的破坏事件较短，但破坏的程度却是很深的，性质极其恶劣。②雷电流上升时的速度即是常说的陡度，当值域在1000～80000A/μm之间。上述两个放电特性即是雷电对水电站自动化设备的影响，水电站自动化系统在实际运行中，受到雷电的影响可以分为两种：①感应雷影响，其对水电站自动系统造成破坏一般体现在影响电磁感应、雷电反击以及静电感应等。②直击雷影响，其对水电站自动化系统设备造成破坏一般体现在影响雷电流冲击波、电效应、热效应等。

2 自动化系统防雷电干扰的主要方法及措施

通过上述对雷电干扰入侵的途径进行分析后，要对其提出相应的防雷干扰措施。一般对雷电的干扰进行防护要从空间和频域两方面进行防护。空间防雷主要有信号和电源两个防护系统，能够有效抑制电线的干扰；而频域防雷则是通过软件编程完成光电隔离，且利用滤波的方式避免雷电对水电站自动化系统造成干扰。

2.1 信号系统防护

为了对信号系统进行防护，可以使用浪涌抑制器。相关规范中有提到，机房使用的电缆要具有一定的屏蔽层，而使用的屏蔽电缆则要穿过钢管进行铺设。因而，为了对水电站自动化系统信号的电缆进行保护，可以利用金属钢管进行电流的引入或引出，要做好金属钢管的接地工作，以便能够保护好线路屏蔽接地。具体而言，选择SPD专用信号，由于直接进入系统通讯接口（此接口的电压一般在5～50V之间）或者是或接入可编程控制器会严重损害自动化系统，因而使用浪涌抑制器抑制电压，保护信号系统。

2.2 电源系统防护

（1）可以将避雷器安装在变压器的出口，或者在自动化系统中的低压配电线路中安装低压避雷器，以防止雷电波侵入时产生的电压损坏电源系统。安装避雷器时，为了确保自动化系统能够正常运行，要限制好避雷线的残压，还要限制侵入波的陡度，同时，还要有效的对设备与避雷器之间的实际线路距离进行保护。

（2）由于雷电波具有的能量较大，峰值较高，因而为了对水电站自动化系统的电源的进线处进行保护，则需要在电源接入端安装浪涌保护器，以便全面的保护自动化系统。但是，尽管有浪涌保护器对雷电波进行抑制，雷电波依旧存储着较高的能量相应的高频分量，会损害电源系统，因此，可以利用所以应利用液相色谱仪低通滤波器对雷电波进行滤波。此外，为了能够吸收雷电残余的能量，可以在滤波器中加装压敏电阻，且压敏电阻具有很好的非线性性能，能够有效保证电压钳处于安全区域。

2.3 抑制地电位干扰的措施

为了有效避免水电站自动化系统受到雷电的干扰而遭到破坏，产生电位差反应，减少损失，可以采取以下刚干扰的措施：①减小接地网中的接地电阻，以便能够很好的抑制地电位的升高。②适当的改善地电位的分布情况，以便能够限制局部电位的升高。③利用等电位连接的方式，或者是采取金属屏蔽接地的措施。在现代防雷的理论中均压等电位连接的方法效果最好，在水电站自动化系统中，实现等电位连接的主体通常有五个：①通过建筑物里的金属进入管道；②建筑物主要控制室中的主要金属元件；③一系列的供电线路，包含有电缆裸露的设备；④防雷装置；⑤由电子设备组成的信息系统。