雷击对变电所电子设备的危害及其防护.docx

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雷击对变电所电子设备的危害及其防护

雷击对变电所电子设备的危害与其防护

摘要：

变电所电子设备受雷击影响概率大，应当引起重视。

采取分区、分级，重点防护，可起到事半功倍的效果。

关键词：

雷击防雷电子设备变电所

一前言

人类社会步入信息时代，各类先进的电子设备由于大量和广泛的运用，其遭受雷击危害机率大大增加。

尤其是变电所内电子设备，依附于处在受避雷针保护X围内的一次设备，受雷击影响概率更大。

且采用传统防雷措施，其防护多有不当，应当引起重视。

二雷击危害的几种方式

2.1雷的直击和绕击

雷云单体浮在大地上空，其所带电荷拖着地表相反电荷犹如一个影子随风移动。

如果途经变电所的避雷针或地表其它突出物，地电荷会导致突出物顶端电场畸变集中。

闪电开始之前先是雷云底部的始发先导按间歇分级跃进方式向地表发展，当距地面50～100m时，由避雷针等地表突出物电场畸变集中的地方产生垂直向上的迎面先导。

两者相接，进入直击或绕击的主放电阶段。

通常当地面上突出物的高度为h，雷云正下方的平均电场强度大于和等于580h-0.7kV/m时，则该突出物将容易受到直击雷。

原因是高为h的避雷针可影响雷云单体向下的始发先导发展方向的半径，用公式表述为:

R=16.3h0.61m。

该式还表明，地表安装独立避雷针后，将会在其附近出现大量的散击，甚至对避雷针进行直击，对受避雷针保护X围内的物体进行绕击。

[1]

一次雷击主放电一般为几万安培到十几万安培。

瞬间高热和电动力，会造成混凝土杆炸裂，小截面金属熔化，引起火灾和大爆炸，金属导体连接部分断裂破损，建筑物倒坍，电气设备损坏。

2.2雷电反击

直击雷电流通过地表突出物的电阻入地散流。

假如地电阻为10Ω，一个30kA的雷电流将会使地网电位上升至300kV。

如果受雷击变电所输电线路来自另一个不同地网的变电所，那么上升的地电位与输电线上的电位将形成巨大反差，导致与输电线路相连的电气设备的损坏。

不仅仅是输电线路、动力电缆，凡是引进变电所的金属管线都会引起雷电反击。

另一种雷电反击，对变电所的电子设备危害也不容忽视。

雷电流沿变电所的接地网散流，支线上的雷电流和各点电位差异很大。

连接在不同等电位地网上的电子设备。

如果其间有电信号联系，那么超过其容许承受能力的地电位差将导致设备损坏。

2.3感应雷

直击雷放电的能量通过电磁感应和静电感应方式向四周辐射，导致设备过电压放电，则为感应雷。

显然，感应雷危害是大面积的，是电子设备的克星。

有资料计算表明，当雷击电流为30kA斜角波，雷云高度为3公里，导线高度为10m，击中距末端匹配的500m长架空线路中点100m处地面时，线路上感应电压为150kV幅值的振荡波。

此波为电磁感应和静电感应共同作用的结果。

[2]

还有计算显示，一栋由工字钢架构且金属部分连接成法拉第笼的10层（60m×30m×100m，每层高10m）的建筑物，被-2.6/40us，100kA的雷击中楼顶，其各层楼面1m高处的感应电场垂直分量达数kV/m，随楼层降低感应电场强度趋向于均匀，但强度整体上无大的衰减。

[3]

事实上，在生产实践中，雷击的静电感应破坏力数倍于电磁感应。

静电感应还可用雷击的二次效应理论来解释。

带电雷云飘浮在地表上空，地表带上与雷云相反的等量电荷。

当雷击过后，雷击点地表变为电荷的相对空穴，周围高电荷区域内与地电位相对绝缘的导体上的电荷，将像受突然击发的水波一样冲向雷击点，导致设备打火，绝缘受损和电子设备失效。

特别注意的是电子设备的高阻抗输入回路，信号回路等引线较长，且直接连接的金属体积较大处，虽然已作电磁屏蔽（采用屏蔽电缆且屏蔽层两端接地）仍会遭受厄运。

2.4雷电侵入波

远方落雷，通过直击或电磁感应和静电感应方式从高压输电线路、配电线路、低压电源线路、通信线、电缆线、金属管道等途径侵入变电所，由于管线相对较长，且存在着分布电感和电容，使雷电传播速度减慢，这样一种现象用波传输理论来说明的概念称作雷电波。

雷电波在传输过程中通过不同参数的连接线段或线路端点时，波阻抗发生变化会产生反射、折射，可导致波阻抗突变处的电压升高许多，加大了对设备的危害。

三变电所防雷措施与对电子设备保护的不足

3.1避雷针

为免遭直击雷破坏，变电所一般设有独立避雷针和构架避雷针，有些峡谷地带变电所则采用避雷线保护。

其结构均分为接闪器、引下线和接地体，防雷原理一样。

为了防止反击，要求避雷针与被保护设备之间空中距离不小于5m，地中距离不小于3m。

构架避雷针一般用于110kV与以上，且装设集中接地装置后与主地网连接。

独立避雷针的保护X围对地面为1.5h（针高），对超过针高一半的空间其保护X围只能在45°角内校核。

目前国际上流行的一种滚球法理论校核独立避雷针的保护X围比较符合实际。

滚球法理论认为直击和绕击与雷云带电量有关，能量越小的雷越易产生绕击。

可形象地解释为一个半径与雷云带电量成比例的以雷云先导为圆心的球，滚落在地面上，到碰到避雷针尖为止。

球与地面接触点到针尖这段弧，如果碰不到被保护物体，则被保护物处在保护X围内。

如中等强度的雷云（U0=50MV），按雷电先导的闪击距离公式rs=1.63U01.75　，可得球的半径为133m。

在此情况下得出的保护半径比有关设计规程的大一些。

按防雷规X校核保护X围，一般110kV中等规模变电所采用3～5根，35kV变电所1～４根30m左右避雷针，以覆盖全所被保护区。

微波塔也是一种独立避雷针。

对于所内设有微波塔的，规程规定微波塔必须与通信室地网连接。

通讯室和主控室地网一体，雷电流通过主控室地网泄放。

按前面分析，如果高压配电室、主控室、通讯室内保护、监控、计量表、RTU等接于相距较远的地网，且之间又有电的联系时，所内电子设备遭受的反击机率更大。

避雷针的年雷击次数，可按经验公式N=0.015·n·k（l+5h）（b+5h）10-6计算[4]。

其中n为年雷暴日数，K为校正系数金属结构取2。

l、b、h分别为建筑物的长、宽、高。

按该式在年雷暴日为40的地区,35kV室外终端变电所，母线构架5.5m高，受雷击概率为每年0.000454次，而加１根30m高避雷针后，则每年将受0.027次雷击。

如果一个变电所有４根针，每边相距50m，雷击概率则为0.048次／年。

避雷针大大增加雷击概率，使得依附于一次设备的目前正在大量更新的保护、监控、综自与通讯等微电子设备感受雷害的机率大大增加，损坏方式也多种多样，使电力生产带来很大的损失。

3.2避雷器

为了防护感应雷和输电线路的雷电侵入波的危害，变电所采用了避雷器。

以前装设的避雷器大多为装在线路端的管型避雷器和装在母线、设备处的阀型避雷器，目前均由性能更好的金属氧化物避雷器所取代。

由于雷电侵入波主要对35kV以下系统危害较大，变电所着重对35kV和10kV线路入侵波进行防护。

对35kV架空进线，一般是采用进线段1～2km的架空避雷线配其两端的管型避雷器进行防护。

对10kV线路，则每条进线均采用一组阀型或氧化锌避雷器进行防护。

对3～10kV配电变压器，一般只规定了高压侧采用阀型避雷器的保护，对多雷区外送的Y/Y0连接的变压器的只规定了装设以防变波与低压侧雷电入侵波击穿变压器高压侧绝缘的避雷器。

上述防护措施未考虑低压部分过电压，未考虑雷电入侵波或危险电位通过进所金属管线引入构成对电子设备的威胁。

3.3建筑物内的防雷措施

室外变电所的建筑物一般有高压室、主控室、通讯室以与部分附属住宅楼办公楼等。

按建筑物防雷等级划分，变电所生产性建筑物一般被划分为第三类工业建筑。

由于设计时一般将此类建筑物置于变电所避雷针保护X围，因此除通讯室按相关标准进行过防雷处理外，其它部分因不设屋面避雷针和避雷带，故均压带以与利用建筑物钢筋作分流线和组成法拉第笼屏蔽网等措施均未采用。

对于防雷电波入侵，引入建筑物内的缆线等一般均通过与接地网连成一体的电缆沟支架和电缆竖井支架引入，且部分电缆作了两端屏蔽接地处理。

由于以往建筑物防雷未考虑当今大量电子设备的防护问题，致使许多已建和在建的建筑物，存在严重的防雷先天缺陷。

电子设备防感应雷基本上靠机壳和内部措施，使其可靠性下降。

3.4建筑物的地网与金属部分处理

由于变电所建筑物未考虑直击雷泄流通路，其地网处理一般是与所内主接地网相连。

虽然许多规程中分出了防雷地、交流地、直流地、保护地、数据地，但是执行起来很不易，一是条件苛刻，场地狭小;二是所用设备规模不大，没有必要分得太清，于是造成了事实上的联合地网。

现代研究认为，这种联合地网经济有效，并且可以解决各地网在内外过电压时产生的电位差，造成对耐受水平低的电子设备的反击。

不过联合地网必须通过合理布置接地线和等电位处理技术与装置本身的电磁兼容防护来解决设备的安全问题。

目前变电所的联合地网从主控室到高压室以与到室外高压配电装置，因为距离远、面积大，各种电子设备之间的联系复杂，地网各点电位不同易造成设备工作出错和损坏。

其中影响最大的是高频电缆、长距离导引电缆、控制电缆，以与就地布置电子设备与主控制室之间的网络线等。

建筑物内金属门窗、玻璃幕墙、吊顶龙骨架、灯线、管线等，常常予以忽视，未作接地。

还有二次回路使用的直流蓄电池作浮点运行（特别是旧式电池体积庞大），这些都是雷电二次效应的推波助澜者，是电子设备潜在的杀手。

四变电所加强防雷措施

变电所传统防雷措施对高压电气设备的防护是有效的，但对电子设备的防护并不恰当，为了适应智能化变电所的发展要求，必须在原定防雷措施基础上，更进一步进行防X。

采取措施的原则是分区防护、三级过压保护、多重屏蔽、均衡电位、浮点电位牵制。

根据1992年国际建筑物防雷会议上IEC/TC81中提出的防雷保护区的新概念，对变电的的防雷化分为三个区进行分级防护，根据设备的敏感性和重要性进行加强屏蔽可以起到事半功倍的效果。

4.1第一级防护区为全所X围内的高压设备部分和高压线路的进线段保护X围。

主要措施为独立避雷针、构架避雷针、架空避雷线、高压避雷器、设备引下线、主接地网和微波塔与其接地。

其主要任务为引雷、泄流、限幅、均压，完成基本的防雷功能。

由于避雷针的采用增加了雷击概率，感应雷对电子设备的危害机率增加。

为了减轻雷击感应幅射，有些工程采用了带屏蔽作用的引下线，有的采用多条引下线分流，这些措施均可起到一定作用。

另外有些变电所以前选用了导体消雷器、半导体消雷器、少长针消雷器等多种类型的无源消雷器。

其评价褒贬不一，不过有一个不争的事实:

消雷器的保护X围至少与同等高度避雷针一样。

对于消雷器的运行，只要其接地满足防雷规X要求，空间和地中安全距离以与保护X围满足规程要求，就应当继续使用作好观察记录。

如能够消雷或部分消雷，都将会对电子设备有益。

4.2第二级防护区包括进出变电所管线、二次电缆、端子箱、所用电系统与微波天馈线。

其主要任务是防感应雷过电压和侵入波过电压的传递，以与危险电位内引外送。

4.2.1进出所管线处理

进出所管线包括水管、煤气管、热力管、电源线、纵联保护导引线、信息传输线等。

进所金属管类均应直埋进所，并与地网分几处连接，且宜在进所前经绝缘管道隔离后引入。

所用电源一般不外送，如内引应经隔离变压器引入，引入前穿管直埋15m进所。

仍采用纵联导引线保护的，导引线应按部颁反措经隔离变压器后引入，进所部分穿管直埋。

进出所的信息传输线缆应穿管直埋入所并经保安单元或相应的数据避雷器后引入机房。

有金属线的光缆穿管直埋入所先经接地汇接排后才能引入机房。

接地的波导管本身具有良好的防雷作用，不需加避雷器，按规程沿路接地即可，对同轴电缆天馈线应加装相应高频避雷器，避雷器的地线就近与机房的接地汇接排相连。

4.2.2二次电缆与端子箱

直接与电子设备屏柜和装置相连的控制信号电缆、电流、电压回路电缆都应该采用屏蔽电缆，且屏蔽层金属保护层与备用芯均应两端接地。

端子箱与断路器机构箱、汇控柜等不管内部是否安装电子设备均应避开避雷器或构架避雷针的主要散流线接地。

4.2.3所用电系统

电子设备雷害事故大多与电源相关。

一方面是防护力度不够，另一方面说明从所用电入侵的雷电波能量足够大，经几级高压泄放仍具有强大的破坏力。

根据国标（GB50057-94）《建筑物防雷设计规X》规定，对微电子设备的供配电系统应采取三级过电压保护。

三级分别为所用变低压出口，所用电配电柜各分路出口，各设备UPS电源出口。

低压配电系统避雷器一般以MOV（金属氧化物可变电阻）为主。

MOV失效率较高，虽说经改进后的MOV通流容量越做越大，且有一些产品采用熔断器和温度断开装置予以保护，但仍有损坏，有必要采取三级冗余以增强可靠性。

4.3第三级防护区包括变电所主控室、远动通信机房与全部电子设备。

其主要任务是多重屏蔽、电源过压嵌位、信号限幅滤波、地电位均压、浮点电位牵制。

4.3.1多重屏蔽

微电子设备工作电压低击穿功率小，靠单一屏蔽难以达到预期效果，必须采取多重屏蔽。

利用建筑物钢筋网组成的法拉第笼，以与设备屏柜金属外壳、装置金属外壳等逐级屏蔽。

早期的变电所建筑留下了许多防雷的先天不足，新建的变电所必须按国标（GB50057-94）《建筑物防雷设计规X》与邮电部（YD2011-93）《微波站防雷与接地设计规X》、电力部（DL548-94）《电力系统通信站防雷运行管理规程》等要求利用建筑物女儿墙、天面防雷网与结构钢筋、基础钢筋焊接成一体的网，以与设备特殊要求的金属幕墙组成第一级屏蔽。

设备屏柜、装置本体订货时必须注明电磁兼容防护等级，使用环境。

4.3.2地电位均压

笔者赞同室内采用联合地网，设环形地母线、接地汇集线。

地母线与地网采用多条引下线对称引下连接。

对于数字地、模拟地等功能地与保护地确实需要分开的，可采用地极防雷器连接。

对于电子设备之间电的联系跨度较大的部分，跨越几个防护区的部分，常因地电位不均衡造成工作出错或损害。

国家电力调度通信中心曾发文制定反措［5］，在变电所主控室电缆层敷设不小于100mm2的铜地网延伸至220kV耦合电容结合滤波器处连接。

这一措施实施以来效果令人满意。

不仅仅是高频保护，目前就地布置的电子设备与分控室或主控室之间的通信如果采用电的联系，同样会遭遇此问题。

现场可以根据具体情况采取地电位均衡措施。

4.3.3浮点电位牵制

建筑物内金属门窗、玻璃幕墙、吊顶龙骨、灯具等均可能随雷电二次效应危害电子设备，应予就近多点接地以防不测。

变电所二次回路直流蓄电池长期为浮点运行。

为防雷害，应采用直流避雷器和在绝缘监察装置内加装气体放电管。

五结束语

雷击对变电所电子设备的危害主要表现在感应过电压，侵入波过电压、地电位反击，雷电二次效应等。

对变电所电子设备的防雷应分区分级防护，引雷、分流、散流、屏蔽、均压、隔离、限幅、嵌位、滤波相结合，充分利用当代先进技术，根据电子设备工作特点选用低压避雷器，如高频避雷器、数据避雷器、放电管、硅瞬变二极管、瞬态过电压保护器、组合式避雷器等，等将雷害事故和干扰减少到最低程度。