小型水电站的设备防雷设计
出处：chaojijing 发布于：2007-09-30 17:34:56
引言
随着电力自动化技术的不断完善和提高，越来越多的小水电站采用了计算机控制设备。在提高电站自动化水平的同时，设备的耐过电压水平却直线下降，特别是在遭遇雷击时，很容易造成控制设备的损坏。小型水电站往往地处山区，遭遇雷击的概率比较高，所以加强小水电站的防雷保护非常必要。
雷击有直击雷和感应雷两种。雷电波是一种冲击电压波，作用时间短，持续时间为几十 微秒到几百微秒，是非周期变化脉冲波。直击雷，雷击点直接作用在设备上或作用在传输线路上引入造成设备的损坏。直击雷造成设备损坏的程度都较为严重，一般采取安装避雷针和布设避雷带进行防雷保护。感应雷，在雷击点发生的几百米范围内的设备都可能感应到一定的雷电幅值，使设备过电压而造成损坏。实际上，雷电造成的设备损坏大多数是由感应雷引起的。本文针对小型水电站的低压设备防雷措施作一简单介绍。
随着电力自动化技术的不断完善和提高，越来越多的小水电站采用了计算机控制设备。在提高电站自动化水平的同时，设备的耐过电压水平却直线下降，特别是在遭遇雷击时，很容易造成控制设备的损坏。小型水电站往往地处山区，遭遇雷击的概率比较高，所以加强小水电站的防雷保护非常必要。
雷击有直击雷和感应雷两种。雷电波是一种冲击电压波，作用时间短，持续时间为几十 微秒到几百微秒，是非周期变化脉冲波。直击雷，雷击点直接作用在设备上或作用在传输线路上引入造成设备的损坏。直击雷造成设备损坏的程度都较为严重，一般采取安装避雷针和布设避雷带进行防雷保护。感应雷，在雷击点发生的几百米范围内的设备都可能感应到一定的雷电幅值，使设备过电压而造成损坏。实际上，雷电造成的设备损坏大多数是由感应雷引起的。本文针对小型水电站的低压设备防雷措施作一简单介绍。
1电源及设备通常采用的防雷措施
计算机控制设备要防雷击，首先要对低压配电线路进行防雷设计，特别是低压机组。如控制设备直接从400V母线上配电，雷电波可以沿母线侵入设备。解决的方法是在低压配电网的进线端安装低压避雷器，同时三相对地并接大容量吸收电容器；在电源进入设备前应加装隔离变压器，并在隔离变压器二次侧对地并接压敏电阻和TVS抑制二极管，通过UPS进入计算机控制设备。实践证明，该方法能较好地防止感应雷的侵入，下面作一具体叙述。
1.1低压母线及配电线路
低压配电线路应从变压器出口处安装低压避雷器或击穿保险器，避雷器一端接母线，另一端与接地回路相接，雷击造成的过电压经低压避雷器、吸收电容器放电后电压强度已大大减弱,氧化锌避雷器具有优异的非线性伏安特性，当过电压一出现时就开始吸收能量，使电压受到抑制。在实际系统中，影响电力自动化设备的干扰既有共模干扰又有差模干扰，且往往同时发生，浪涌能量终通过保护器泄放入大地。
1.2电源接口浪涌保护器
（1）为防止雷电波从电源输入端侵入设备，将浪涌能量通过保护器以电流的形式通过地线释放到大地，使电源电压保持稳定。在装置电源的进线端安装压敏电阻，压敏电阻在正常情况下处于关断状态，其漏电电流≤50μA，对电路的正常工作无影响。一旦压敏电阻两端出现瞬间高压时，其阻值会急剧下降，达到释放浪涌电流的目的，使设备免受过电压的冲击而损坏。当瞬间高压消除时，压敏电阻又恢复到高阻状态，电路恢复正常。压敏电阻虽然能吸收很大的浪涌电流，但却不能承受毫安级以上的持续电流，所以在压敏电阻的进线端应串接熔丝，从而保护压敏电阻。
（2）TVS的电压/电流特性曲线如图1所示。它的正向特性与普通二极管相同，反向特性为典型的PN结雪崩器件。图2是TVS的电流/时间和电压/时间曲线。
计算机控制设备要防雷击，首先要对低压配电线路进行防雷设计，特别是低压机组。如控制设备直接从400V母线上配电，雷电波可以沿母线侵入设备。解决的方法是在低压配电网的进线端安装低压避雷器，同时三相对地并接大容量吸收电容器；在电源进入设备前应加装隔离变压器，并在隔离变压器二次侧对地并接压敏电阻和TVS抑制二极管，通过UPS进入计算机控制设备。实践证明，该方法能较好地防止感应雷的侵入，下面作一具体叙述。
1.1低压母线及配电线路
低压配电线路应从变压器出口处安装低压避雷器或击穿保险器，避雷器一端接母线，另一端与接地回路相接，雷击造成的过电压经低压避雷器、吸收电容器放电后电压强度已大大减弱,氧化锌避雷器具有优异的非线性伏安特性，当过电压一出现时就开始吸收能量，使电压受到抑制。在实际系统中，影响电力自动化设备的干扰既有共模干扰又有差模干扰，且往往同时发生，浪涌能量终通过保护器泄放入大地。
1.2电源接口浪涌保护器
（1）为防止雷电波从电源输入端侵入设备，将浪涌能量通过保护器以电流的形式通过地线释放到大地，使电源电压保持稳定。在装置电源的进线端安装压敏电阻，压敏电阻在正常情况下处于关断状态，其漏电电流≤50μA，对电路的正常工作无影响。一旦压敏电阻两端出现瞬间高压时，其阻值会急剧下降，达到释放浪涌电流的目的，使设备免受过电压的冲击而损坏。当瞬间高压消除时，压敏电阻又恢复到高阻状态，电路恢复正常。压敏电阻虽然能吸收很大的浪涌电流，但却不能承受毫安级以上的持续电流，所以在压敏电阻的进线端应串接熔丝，从而保护压敏电阻。
（2）TVS的电压/电流特性曲线如图1所示。它的正向特性与普通二极管相同，反向特性为典型的PN结雪崩器件。图2是TVS的电流/时间和电压/时间曲线。
在瞬态峰值脉冲电流作用下，流过TVS的电流由原来的反向漏电流ID上升到IR时，其两端 呈现的电压由额定反向关断电压VWM上升到击穿电压VBR，TVS被击穿。随着脉冲峰值的出现，流过TVS的电流达到峰值脉冲电流IPP，其两端的电压被箝位到预定的箝位电压以下，脉冲电流按指数衰减，TVS两端的电压也不断下降，恢复到起始状态，从而起到抑制浪涌电流、保护计算机控制设备的目的。
与齐纳二极管相比，抑制二极管具有更快的电流导通能力。TVS受到反向瞬态高能量冲击时 ，能以纳秒级的响应速度，将其两极间的高阻抗变为低阻抗，吸收高达数十千安的浪涌电流，使两端的电压箝位于一个额定值。TVS管具有响应时间快、瞬态功率大、漏电电流低、击穿电压偏差小、体积小等特点。
TVS管的选用，首先确定被保护电路的直流电压或连续工作电压，箝位电压VC应高于被 保护电路的直流电压或连续工作电压。若选用的VWM太低，器件可能进入雪崩状态或因反向漏电流太大而影响电路的正常工作。TVS可并联使用以提高额定容量或串联使用以提高箝位电压。
（3） 通讯接口的防雷保护。通讯信息系统的信号电压很低，抗雷电电磁脉冲的能力较差 ，只要脉冲电平超过十几伏，就有可能造成设备损坏。 通讯系统的防雷通常是在通讯串口采用 光电隔离，通讯数据线上串接熔丝（0.3A），对地并接双向TVS管，一般就可以起到较好的雷电波抑制作用。
与齐纳二极管相比，抑制二极管具有更快的电流导通能力。TVS受到反向瞬态高能量冲击时 ，能以纳秒级的响应速度，将其两极间的高阻抗变为低阻抗，吸收高达数十千安的浪涌电流，使两端的电压箝位于一个额定值。TVS管具有响应时间快、瞬态功率大、漏电电流低、击穿电压偏差小、体积小等特点。
TVS管的选用，首先确定被保护电路的直流电压或连续工作电压，箝位电压VC应高于被 保护电路的直流电压或连续工作电压。若选用的VWM太低，器件可能进入雪崩状态或因反向漏电流太大而影响电路的正常工作。TVS可并联使用以提高额定容量或串联使用以提高箝位电压。
（3） 通讯接口的防雷保护。通讯信息系统的信号电压很低，抗雷电电磁脉冲的能力较差 ，只要脉冲电平超过十几伏，就有可能造成设备损坏。 通讯系统的防雷通常是在通讯串口采用 光电隔离，通讯数据线上串接熔丝（0.3A），对地并接双向TVS管，一般就可以起到较好的雷电波抑制作用。
2接地系统的重要性
保护地的可靠接地非常重要，从人身、设备安全和抗干扰的角度来说，自动化设备应采用共用接地系统，并且一般情况下设备的信号地和保护地在其内部就连接在一起。如处理不好，往往在雷击时形成地电位反击，破坏控制系统。因此，计算机接地系统的处理至关重要。
接地布线主要有独立接地、共用接地和混合接地三种方式。
（1）独立接地是指对需接地的系统分别建立独立接地网，且各接地网之间要有足够的距离，其优点在于各接地系统之间不会产生干扰，这对于通讯系统来说非常重要，特别是在电磁环境特别恶劣的情况下。缺点是独立接地的计算机通讯系统，在雷电瞬时电压很高时，各接地系统点的电位可能相差很大，其设备元件容易击穿而损坏。相对于共同接地方式，采用独立接地的计算机网络系统遭遇雷击的几率要高得多，同时，独立接地对设计施工都带来一定的困难。
（2）共用接地，是把所需接地的各系统连接到一个地网上，使其成为电气相通的统一接地网。共用接地又有单点接地和多点接地两种方式。多点接地是指将通信与计算机系统中各设备接地线从不同地方分别连接到接地平面或接地母线上，而单点接地是将通信与计算机系统中各设备接地线连接到接地母线的同一点或同一平面上。多点接地优点是以短的连线接至地网，使其串联阻抗减至，从而有效抑制因电容效应而产生的干扰。单点接地方式，能消除公共阻抗耦合和低频接地环路引起的干扰，适用于1MHz以下频率的干扰。
（3）混合接地，由于上述两种接地方式各有优缺点，在对通信与计算机系统进行接地设计 与施工中，应扬长避短，将两种接地方式结合起来应用。这种多种接地方式的结合被称为混合接地方式，具体使用方法如下。
一方面，对通讯与计算机系统的整体结构采用共用接地中的单点接地方式，即建立一个总接地等电位连接带，并将防雷接地、电源系统接地、电气保护接地、防静电接地、射频接地、信息系统信号屏蔽层接地等各类接地在通信与计算机系统的各设备上相互分开，使之成为独立系统，再分别引线到等电位连接带上共同接地。这样不仅能够有效地抑制公共阻抗耦合和低频接地环路引起的干扰，同时又使各接地系统间保持等电位，因而可以限度地使通信与计算机系统免遭高电位反击，使工作人员免遭雷击伤害。
对信号线进行屏蔽接地设计时，首先要求各类通信电缆应为屏蔽电缆，无屏蔽层的电缆应从金属管内穿过，并在电缆两端将屏蔽层或金属管与地线相连接，以起到屏蔽效果。
保护地的可靠接地非常重要，从人身、设备安全和抗干扰的角度来说，自动化设备应采用共用接地系统，并且一般情况下设备的信号地和保护地在其内部就连接在一起。如处理不好，往往在雷击时形成地电位反击，破坏控制系统。因此，计算机接地系统的处理至关重要。
接地布线主要有独立接地、共用接地和混合接地三种方式。
（1）独立接地是指对需接地的系统分别建立独立接地网，且各接地网之间要有足够的距离，其优点在于各接地系统之间不会产生干扰，这对于通讯系统来说非常重要，特别是在电磁环境特别恶劣的情况下。缺点是独立接地的计算机通讯系统，在雷电瞬时电压很高时，各接地系统点的电位可能相差很大，其设备元件容易击穿而损坏。相对于共同接地方式，采用独立接地的计算机网络系统遭遇雷击的几率要高得多，同时，独立接地对设计施工都带来一定的困难。
（2）共用接地，是把所需接地的各系统连接到一个地网上，使其成为电气相通的统一接地网。共用接地又有单点接地和多点接地两种方式。多点接地是指将通信与计算机系统中各设备接地线从不同地方分别连接到接地平面或接地母线上，而单点接地是将通信与计算机系统中各设备接地线连接到接地母线的同一点或同一平面上。多点接地优点是以短的连线接至地网，使其串联阻抗减至，从而有效抑制因电容效应而产生的干扰。单点接地方式，能消除公共阻抗耦合和低频接地环路引起的干扰，适用于1MHz以下频率的干扰。
（3）混合接地，由于上述两种接地方式各有优缺点，在对通信与计算机系统进行接地设计 与施工中，应扬长避短，将两种接地方式结合起来应用。这种多种接地方式的结合被称为混合接地方式，具体使用方法如下。
一方面，对通讯与计算机系统的整体结构采用共用接地中的单点接地方式，即建立一个总接地等电位连接带，并将防雷接地、电源系统接地、电气保护接地、防静电接地、射频接地、信息系统信号屏蔽层接地等各类接地在通信与计算机系统的各设备上相互分开，使之成为独立系统，再分别引线到等电位连接带上共同接地。这样不仅能够有效地抑制公共阻抗耦合和低频接地环路引起的干扰，同时又使各接地系统间保持等电位，因而可以限度地使通信与计算机系统免遭高电位反击，使工作人员免遭雷击伤害。
对信号线进行屏蔽接地设计时，首先要求各类通信电缆应为屏蔽电缆，无屏蔽层的电缆应从金属管内穿过，并在电缆两端将屏蔽层或金属管与地线相连接，以起到屏蔽效果。
3避雷针对计算机设备的负面影响
避雷针引雷后，强大的雷击电波在入地的过程中，由于雷电流陡度di/dt的作用，在其周围导体内产生感应脉冲电压，即感应雷。其电压值为：
Uj=0.2(ln1000/a-1/2)di/dt×10-6(kV/m)
式中:a——雷电流引线与被感应导体间的平行距离，m；
di/dt——雷电流陡度，kA/μs。
30kA雷击时，在避雷针周围导体中耦合的Uj值在400m时，脉冲电压为0.9kV/m, 在10 m时，脉冲电压为9.5kV/m,可见避雷针对设备产生的影响。对常规设备控制的系统来讲，这样的感应脉冲电压还不至于使常规的继电保护装置损坏。但对采用计算机控制的设备及通讯信号来说，则完全不同。系统的直击雷保护应从控制LEMP（抗雷电电磁脉冲）的角度出发，避雷针采用短针、多针布置，以减小保护半径，降低雷击概率，也可采用避雷带、接闪网等措施。
避雷针引雷后，强大的雷击电波在入地的过程中，由于雷电流陡度di/dt的作用，在其周围导体内产生感应脉冲电压，即感应雷。其电压值为：
Uj=0.2(ln1000/a-1/2)di/dt×10-6(kV/m)
式中:a——雷电流引线与被感应导体间的平行距离，m；
di/dt——雷电流陡度，kA/μs。
30kA雷击时，在避雷针周围导体中耦合的Uj值在400m时，脉冲电压为0.9kV/m, 在10 m时，脉冲电压为9.5kV/m,可见避雷针对设备产生的影响。对常规设备控制的系统来讲，这样的感应脉冲电压还不至于使常规的继电保护装置损坏。但对采用计算机控制的设备及通讯信号来说，则完全不同。系统的直击雷保护应从控制LEMP（抗雷电电磁脉冲）的角度出发，避雷针采用短针、多针布置，以减小保护半径，降低雷击概率，也可采用避雷带、接闪网等措施。
4结束语
总的来说，目前关于小型水电站计算机控制设备的防雷，还没有一个完备的解决方案，设备遭遇雷击的情况时有发生。但采用计算机控制系统的电站，如能按以上所提的防雷思路，对雷击加以防范，必将大大缓解雷击对设备的损害程度和几率，从而保障电力生产的正常进行。
总的来说，目前关于小型水电站计算机控制设备的防雷，还没有一个完备的解决方案，设备遭遇雷击的情况时有发生。但采用计算机控制系统的电站，如能按以上所提的防雷思路，对雷击加以防范，必将大大缓解雷击对设备的损害程度和几率，从而保障电力生产的正常进行。
（王晓罡）
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