淺談電力系統(tǒng)的安全防雷


近年來，隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，自動控制系統(tǒng)在電力生產(chǎn)各個方面的使用越來越廣，電力職工在受益于微電子技術(shù)的極大方便的同時，也受到其一旦損壞就損失巨大的困擾。實際上，在電力系統(tǒng)增加自動控制系統(tǒng)的時候，對自動控制系統(tǒng)的安全防雷意識相對淡薄，一旦有雷電波侵入，設(shè)備損壞一般是巨大的，有的甚至使整個系統(tǒng)癱瘓，造成無可挽回的損失。

1 雷擊產(chǎn)生的原因

　　雷擊是一種自然現(xiàn)象，它能釋放出巨大的能量、具有極強大的破壞能力。一直以來，致力于電力生產(chǎn)和電力設(shè)備研究的人員通過對雷擊破壞性的研究、探索，對雷電的危害采取了一定的預防措施，有效地降低了雷害。
　　當雷電放電路徑不經(jīng)過防雷保護裝置時，放電過程中產(chǎn)生強大的瞬變電磁場在附近的導體中感應(yīng)到強大的電磁脈沖，稱感應(yīng)雷。感應(yīng)雷可通過兩種不同的感應(yīng)方式侵入導體。一種是在雷云中電荷積聚時，附近導體會感應(yīng)相反的電荷，當雷擊放電時，雷云中電荷迅速釋放，而導體中的靜電荷在失去雷云電場束縛后也會沿導體流動尋找釋放通道，就會在電路中形成靜電感應(yīng)，其次是在雷云放電時，迅速變化的雷電流在其周圍產(chǎn)生強大的瞬變電磁場，附近的導體中就會產(chǎn)生很高的感生電動勢，在電路中形成電磁感應(yīng)，感應(yīng)雷沿導體傳播，損壞電路中的設(shè)備或設(shè)備中的器件。信息系統(tǒng)中系統(tǒng)接口多，線路長，給感應(yīng)雷的產(chǎn)生、耦合和傳播提供了良好環(huán)境，而信息系統(tǒng)設(shè)備隨著科技的發(fā)展，集成度越來越高，抗過電壓能力越來越差，極易受感應(yīng)雷的襲擊，并且損害的往往是集成度較高的系統(tǒng)核心器件，所以更不能掉以輕心，感應(yīng)雷可以來自云中放電，也可以來自對地雷擊。而信息系統(tǒng)與外界連接有各種長距離電纜可在更大范圍內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)雷，并沿電纜傳入信息系統(tǒng)。所以防感應(yīng)雷是電力系統(tǒng)特別是微電子技術(shù)應(yīng)用比較廣泛的變電站綜合自動化系統(tǒng)內(nèi)，因而信息系統(tǒng)防雷是電力系統(tǒng)保證安全的重點。

2、電力系統(tǒng)高壓電力裝置防雷技術(shù)

2.1 原始的高壓防雷技術(shù)

　　電力裝置在其發(fā)展使用初期大都是通過裸導線架空線路輸電，架空導線一般在離地面6～18m的空間，通過雷電入侵波產(chǎn)生的雷電過電壓使線路或設(shè)備絕緣擊穿而損壞。當時人們通過在線路或設(shè)備上人為地制造絕緣薄弱點即間隙裝置，間隙的擊穿電壓比線路或設(shè)備的雷電沖擊絕緣水平低，在正常運行電壓下間隙處于隔離絕緣狀態(tài)，當雷電發(fā)生時強大的過電壓使間隙擊穿，從而產(chǎn)生接地保護，起到保護線路或設(shè)備絕緣的作用。

2.2 間隙保護技術(shù)：間隙保護就是線路大體的兩極由角形棒組成，一極固定在絕緣件上連接帶電導線，而另一極接地，間隙擊穿后電弧在角形棒間上升拉長，當電弧電流變小時可以自行熄弧，間隙保護技術(shù)的缺點是當電弧電流大到幾十安以上時就沒法自行熄弧，雷電過電壓時，單相、兩相或三相間隙都可能擊穿接地，造成接地故障、兩相或三相間短路故障，以致線路電源斷路器保護動作分閘。

2.3 管型避雷器技術(shù)：管型避雷器技術(shù)是利用一種具有噴氣熄弧功能的間隙裝置，此裝置有內(nèi)外兩個間隙，外間隙類似保護間隙，兩極均固定在絕緣件上，內(nèi)間隙置于避雷器管內(nèi)，當雷電過電壓內(nèi)外間隙擊穿時，雷電流和工頻短路電流經(jīng)管內(nèi)壁接地，管壁物質(zhì)受熱氣化，有較大壓力氣體經(jīng)內(nèi)間隙噴出管外，強制間隙熄弧。管型避雷器技術(shù)也存在很多的缺點：此裝置的的選用受安裝地點的限制，其次還受線路最大、最小短路電流的制約，最大短路電流大于避雷器的斷流上限時避雷器會爆炸；短路電流小于避雷器的斷流下限時就不能熄弧，避雷器可能燒壞。另外管型避雷器多次動作后，管內(nèi)徑會逐漸增大，熄弧能力會下降甚致消失。

3. 新型防雷技術(shù)的應(yīng)用

　　間隙保護技術(shù)和管型避雷器技術(shù)都是靠間隙擊穿接地放電降壓來起到保護的作用，以上兩種防雷技術(shù)往往會造成接地故障或相間短路故障，不能達到科學合理的保護作用。目前在電力系統(tǒng)中防雷保護僅將它們用于輸電線路防雷，同時為了盡量減少線路停電事故，與自動重合閘裝置配合使用。更為科學合理的防雷措施是閥型避雷器技術(shù)，是目前電力高壓防雷最為普遍的電氣設(shè)備防雷技術(shù)。其原理是在過電壓下自動開閘泄流降壓，恢復運行電壓時閉閘斷流，這種保護作用是靠避雷器內(nèi)電阻元件的限流限壓作用實現(xiàn)的，過電壓下電阻元件可將雷電流限制在5kA內(nèi)，殘壓限制在設(shè)備的雷電沖擊絕緣水平以下；有些電阻元件在運行電壓下仍有續(xù)流通過，長時間續(xù)流會使管型避雷器損壞，故一般需加串聯(lián)間隙隔離運行電壓，并靠間隙滅弧和切斷續(xù)流。閥型避雷器突出優(yōu)點是避雷器的電阻元件可避免電力系統(tǒng)直接接地或相間短路故障，其保護作用不會影響電力系統(tǒng)的正常安全運行。


3.1 碳化硅避雷器技術(shù)：碳化硅避雷器結(jié)構(gòu)為將間隙和若干片SiC閥片壓緊密封在避雷器瓷套內(nèi)，保護作用是利用SiC閥片的非線性特性，在過電壓下電阻變得很小，可大量泄放雷電流限制殘壓，而在雷電壓過去后電阻自動增大，限制續(xù)流在幾十安內(nèi)，使間隙能滅弧和斷流。碳化硅避雷器技術(shù)是現(xiàn)行防雷技術(shù)中主要的防雷電器。

3.2 氧化鋅避雷器：氧化鋅避雷器簡稱MOA, 與傳統(tǒng)的碳化硅避雷器相比，MOA具有保護特性好，通流能力大，耐污能力強，結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高等特點，能對輸變電設(shè)備提供最佳保護。

　　碳化硅避雷器技術(shù)在防雷性能上有其突出的優(yōu)點被電力系統(tǒng)高壓設(shè)備廣泛采用，但也存在著一定的缺點：一是只有雷電最大幅值限壓保護功能，而無雷電陡波保護功能，防雷保護功能不完全；二是沒有連續(xù)雷電沖擊保護能力；三是動作特性穩(wěn)定性差可能遭受暫態(tài)過電壓危害；四是動作負載重使用壽命短等。這些潛在的缺點已暴露出碳化硅避雷器在使用的過程當中存在影響電力安全的隱患性且其產(chǎn)品技術(shù)也比較落后。氧化鋅避雷器按外殼材料分為瓷套式、罐式、復合外套式三大類；按使用場所分配電、電站、線路、并聯(lián)補償電容器、變壓器和電機中性點、發(fā)電機和電動機保護用六大類，氧化鋅避雷器技術(shù)在繼承了碳化硅避雷器技術(shù)的基礎(chǔ)上，無論是在設(shè)計的思想上，還是在產(chǎn)品功能的完善上都是世界公認的當代最為先進防雷電器。氧化鋅避雷器的結(jié)構(gòu)為將若干片ZnO閥片壓緊密封在避雷器瓷套內(nèi)。ZnO閥片具有非常優(yōu)異的非線性特性，在較高電壓下電阻很小，可以泄放大量雷電流，殘壓很低，在電網(wǎng)運行電壓下電阻很大很大，泄漏電流只有50～150μA，電流很小可視為無工頻續(xù)流，這就是作成無間隙氧化鋅避雷器的原因，其突出優(yōu)點是它對雷電陡波和雷電幅值同樣有限壓作用，防雷保護功能完全。

　　我國最先生產(chǎn)使用的是無間隙氧化鋅避雷器，經(jīng)過長期的運行實踐，發(fā)現(xiàn)它有損壞爆炸率高，使用壽命短等缺點，原因是暫態(tài)過電壓承受能力差是其致命弱點。而串聯(lián)間隙氧化鋅避雷器仍有無間隙氧化鋅避雷器的保護性能優(yōu)點，同時有暫態(tài)過電壓承受能力強的特點，是一種理想地揚長避短產(chǎn)品，結(jié)合國情在3～ 35kV系統(tǒng)串聯(lián)間隙氧化鋅避雷器才是當代最先進防雷電器。

4 電力系統(tǒng)弱電裝置防雷技術(shù)

4.1雷擊的形成及入侵途徑

4.1.1雷擊形成主要有兩種形式：直接雷擊和感應(yīng)雷擊

　　直接雷擊是指雷電直接作用在物體上，產(chǎn)生電能效應(yīng)、熱效應(yīng)和機械力等對物體造成危害。
感應(yīng)雷擊是指雷電放電時，在附近導體上產(chǎn)生的靜電效應(yīng)和電磁感應(yīng)，由此產(chǎn)生的放電效應(yīng)使使金屬部件之間產(chǎn)生火花，稱之為感應(yīng)雷擊。

4.1.2感應(yīng)雷擊的入侵途徑有以下幾種

　　變電站的避雷針的二次感應(yīng)產(chǎn)生的雷擊效應(yīng),產(chǎn)生的雷電電流經(jīng)過避雷針導地時感應(yīng)到市內(nèi)的傳輸線上。對于老式的通訊設(shè)備來講,它們的構(gòu)造大都是由電子管、晶體管向集成電路過渡的。由于電子管、晶體管等相對對立,因而耐沖擊能力較強，因此二次雷擊效應(yīng)對電子管、晶體管通訊設(shè)備不會造成太大損害。對于集成化程度較高的微電子設(shè)備，其耐沖擊能力差，受雷擊更易使微電子設(shè)備受到損壞。

　　通過電源線、信號線或天線饋線引入的感應(yīng)雷擊通過電磁感應(yīng)耦合到各類傳輸線而破壞設(shè)備。電源線引入感應(yīng)雷擊。變電站內(nèi)設(shè)置的微波通信基站的供電線路大多采用架空明線。試驗表明，雷電頻譜在幾十MHz以下頻域，主要能量集中分布在工頻附近。因此，雷電與市電相耦合的概率很高，容易造成通信線路及通信串口燒壞。為了擴大信號覆蓋范圍，就要盡可能地增加天線架設(shè)高度（65m以上的鐵塔約占50%）。但是，在提高信號覆蓋范圍的同時，也增加了鐵塔引雷的概率。

4.2外部防護：外部防護是指對安裝弱電設(shè)備的建筑物本體的安全防護，可采用避雷針、分流、屏蔽網(wǎng)、均衡電位、接地等措施，這種防護措施比較常見，相對來說比較完善弱電設(shè)備的外部防護首先是使用建筑物的避雷針將主要的雷電流引人大地；其次是在將雷電流引人大地的時候盡量將雷電流分流，避免造成過電壓危害設(shè)備；第三是利用建筑物中的金屬部件以及鋼筋可以作為不規(guī)則的法拉第籠，起到一定的屏蔽作用，如果建筑物中的設(shè)備是低壓電子邏輯系統(tǒng)、遙控、小功率信號電路的電器，則需要加裝專門的屏蔽網(wǎng)，在整個屋面組成不大于5m－5m，6m－4m的網(wǎng)格，所有均壓環(huán)采用避雷帶等電位連接；第四是建筑物各點的電位均衡，避免由于電位差危害設(shè)備；第五是保障建筑物有良好的接地，降低雷擊建筑物時接點電位損壞設(shè)備

4.2.1電力系統(tǒng)綜合自動化變電站的局域網(wǎng)的安全防雷保護從機房到各保護裝置的通信線，如果采用架空線路，則易受到雷擊，應(yīng)在進機房前改為埋地電纜，電纜長度應(yīng)大于50m，其金屬外護層應(yīng)在兩端分別與機房地網(wǎng)連接，采用非金屬護套電纜時，應(yīng)穿金屬管埋地，至少金屬管兩端同樣應(yīng)接地，金屬管全長應(yīng)保持電氣連接。

4.2.2 電力系統(tǒng)綜合自動化變電站監(jiān)控機房及通信機房的安全屏蔽措施

　　屏蔽是利用各種金屬屏蔽體來阻擋和衰減施加在計算機等設(shè)備上的電磁干擾或過電壓所產(chǎn)生的巨大能量。對計算機系統(tǒng)來說具體可分為建筑物屏蔽、設(shè)備屏蔽和各種線纜包含管道的屏蔽。建筑物的屏蔽可利用建筑物鋼筋、金屬構(gòu)架、金屬門窗、地板等均相互焊接或可靠連接在一起，形成一個法拉第籠保護，并通過接地網(wǎng)可靠的電氣連結(jié)，形成初級屏蔽網(wǎng)。設(shè)備的屏蔽應(yīng)該對計算機設(shè)備耐電壓能力進行嚴格且嚴密的調(diào)查，按IEC劃分的防雷區(qū)（LPZ）施行多級屏蔽。屏蔽的效果首先取決于初級屏蔽網(wǎng)的衰減程度，其次取決于屏蔽層厚度，厚度最科學的標準為接近電磁波的波長，使電磁波在到達機房內(nèi)部時消減到最小程度，材料為密度大而且可靠程度高的網(wǎng)孔密度屏蔽材料，但以上必須按信號頻率而定，低頻時采用高導磁材料，高頻時采用銅材，鉛材為宜。特別注意的是在雷雨天氣里，屏蔽中要注意對各種“洞”的密封，除門窗外，重點對入戶的金屬管道、通信線路，電力線纜入口作好屏蔽，各種線纜均要 采取屏蔽措施，金屬絲紡織網(wǎng)、金屬軟導管、硬導管、棧橋均可用于屏蔽線纜。在此強調(diào)二點注意事項。其一是屏蔽管線的接地，一般要求入戶線采用地下電纜入戶，其電纜金屬護層，在前后兩端做良好接地。測量結(jié)果表明，電線電纜屏蔽層一端接地時可將高頻干擾電壓降低一個數(shù)量級，兩端接地時可降低兩個數(shù)量級。其二是使用金屬絲編制網(wǎng)屏蔽電纜，因其重量輕，使用方便而被廣泛應(yīng)用，但是在電磁波頻率較高時，其波長接近編織層網(wǎng)孔尺寸時，波的透入增 加，因此，最好再穿一層金屬管。

4.3電力系統(tǒng)二次保護系統(tǒng)的等電位連接是安全防雷的重要措施

　　等電位連接是IEC標準中指出內(nèi)部防雷措施的一部份，其目的在于減少雷電流所引起的電位差對設(shè)備的危害。所謂等電位連接就是用連接導線或過電壓電涌保護器，將處在需要防雷的空間內(nèi)的防雷裝置和建筑物的金屬構(gòu)架、金屬裝置、外來導線、電氣裝置、電信裝置等連接起來，形成一個等電位連接網(wǎng)絡(luò)，以實現(xiàn)均壓等電位。

4.4 變電站實施等電位連接的浪涌保護器，IEC標準將需要保護的空間劃分為不同的防雷區(qū)，以規(guī)定各部份空間不同的LEMP的嚴重程度和指明各區(qū)交界處等電位連接點的位置。以往的規(guī)程要求電子設(shè)備單獨接地，這種接地稱為直流工作地或信號地、邏輯地，它實質(zhì)上是高頻信號的接地。單獨信號地的目的是為了防止地網(wǎng)中雜散電流或暫態(tài)電流干擾設(shè)備的正常工作，有時也過分強調(diào)要求接地電阻的低值。

4.5 儀器儀表雷擊的防護：防范電子設(shè)備不受雷擊，首先應(yīng)保證設(shè)備所處的建筑物有完善的避雷設(shè)施，以及確保電力供電系統(tǒng)避雷措施完備（在發(fā)電廠、變電站中要保證高低壓配電系統(tǒng)避雷良好）。其次由于電子設(shè)備工作電壓低，抵抗過壓能力弱，所以必須重點考慮防范感應(yīng)雷擊。目前感應(yīng)雷擊的防護主要采用感應(yīng)雷擊防護器，或?qū)赡芨袘?yīng)到雷擊的導線加以屏蔽，一般雷擊侵入途徑是由電源線或信號線入侵，因此雷擊防護就是要在雷電的進入端將其瀉放到大地，從而保護設(shè)備。同時還有一種情況感應(yīng)到雷擊，就是避雷裝置引下線與儀器設(shè)備的電源線或信號線相距太近且平行而通過電磁感應(yīng)引發(fā)雷擊，此種雷擊的避免則應(yīng)通過合理布線來解決，即在有關(guān)儀器儀表布線時按標準進行合理的綜合布線。在此方面，根據(jù)筆者經(jīng)驗，對于儀器儀表的感應(yīng)雷擊防護，若設(shè)備所處環(huán)境存在雷擊可能，則應(yīng)給予全面保護，否則往往就有漏保的可能。除了一般注重電源線的防護外，特別不能忽視信號線防雷，對于裝設(shè)于戶外的電子設(shè)備或線路，必須對有關(guān)線路采取兩端保護或多點保護方式。對于重要線路，如有可能盡量采用穿金屬管埋地方式敷設(shè)，以形成線路屏蔽，減少感應(yīng)雷擊。

5電力系統(tǒng)雷擊防護器的工作原理

　　電力系統(tǒng)目前的防雷器多采用兩種工作方式：開路方式與短路方式。開路方式是指在防雷器遇到瞬間過電壓時開路從而隔離設(shè)備，如隔離變壓器、電感器、光隔離器類防雷器便是采用此種原理。短路方式是指在防雷器遇到瞬間過電壓時對地短路使雷電流導入大地，從而保護電子設(shè)備。由于短路方式防雷器本身承受反壓低，設(shè)備經(jīng)濟簡單，所以應(yīng)用比較廣泛。其保護原理（見圖一），短路方式防雷器多為一個或幾個功能模塊的組合，由于各個模塊對雷擊防護性能有一些區(qū)別，所以在選擇避雷器時最好有所了解。其中抑制二極管及限流電阻模塊可精密控壓，但泄流較??；壓敏電阻模塊啟動電壓低、啟動快，但同樣泄流小，過載能力低；氣體放電管模塊泄流大，但啟動電壓較高。此外為防止較大過電壓沖擊。

6新形勢下的現(xiàn)代防雷技術(shù)及改革

　　現(xiàn)行過電壓保護規(guī)范GBJ64－83和電力行標準DL/T620－1997，對高壓電力裝置的防雷保護規(guī)定的特征是“在電力系統(tǒng)中各種防雷器件，不分優(yōu)劣兼容并用，實際使用以碳化硅避雷器為主”。其保護模式是系統(tǒng)中保護間隙或管型避雷器、閥型避雷器并用，其技術(shù)水平是只注重雷電幅值限壓保護，存在防雷保護功能不完全，保護性能不完善等缺點，防雷技術(shù)水平落后。我們必須認識：改革、發(fā)展、進步是新世紀時代科學技術(shù)發(fā)展趨向，現(xiàn)行防雷技術(shù)有必要技術(shù)改革，新的防雷技術(shù)應(yīng)體現(xiàn)“在防雷器件中，淘汰落后，推廣科學合理，技術(shù)先進，普遍推廣使用串聯(lián)間隙氧化鋅避雷器”，防雷技術(shù)改革的核心問題是推廣先進技術(shù)，只有使用先進、科學合理的防雷電器，才能將電力系統(tǒng)的安全防雷作好，使系統(tǒng)的設(shè)備在更為安全可靠的環(huán)境下更加經(jīng)濟有效的工作。提高防雷技術(shù)水平的具體的技術(shù)要求一般應(yīng)同時具有以下要求或特征：

（1） 具有完全的防雷功能，即對雷電陡波和雷電幅值同樣有限壓保護作用；

（2） 防雷保護作用不會造成電力網(wǎng)接地故障或相間短路故障，是保證電力網(wǎng)正常、安全運行的重要要求；

（3） 防雷保護作用不應(yīng)有短路電流或工頻續(xù)流等工頻能源浪費；

（4） 動作特性應(yīng)具有長期運行穩(wěn)定性，免受暫態(tài)過電壓危害；

（5） 應(yīng)具有連續(xù)雷電沖擊保護能力；

（6） 應(yīng)有較小的外形尺寸，小型化輕量化更便于室內(nèi)手車柜使用。