小型水電站的設(shè)備防雷設(shè)計 - 全文

引言
　　隨著電力自動化技術(shù)的不斷完善和提高，越來越多的小水電站采用了計算機(jī)控制設(shè)備。在提高電站自動化水平的同時，設(shè)備的耐過電壓水平卻直線下降，特別是在遭遇雷擊時，很容易造成控制設(shè)備的損壞。小型水電站往往地處山區(qū)，遭遇雷擊的概率比較高，所以加強(qiáng)小水電站的防雷保護(hù)非常必要。
　　雷擊有直擊雷和感應(yīng)雷兩種。雷電波是一種沖擊電壓波，作用時間短，持續(xù)時間為幾十 微秒到幾百微秒，是非周期變化脈沖波。直擊雷，雷擊點(diǎn)直接作用在設(shè)備上或作用在傳輸線路上引入造成設(shè)備的損壞。直擊雷造成設(shè)備損壞的程度都較為嚴(yán)重，一般采取安裝避雷針和布設(shè)避雷帶進(jìn)行防雷保護(hù)。感應(yīng)雷，在雷擊點(diǎn)發(fā)生的幾百米范圍內(nèi)的設(shè)備都可能感應(yīng)到一定的雷電幅值，使設(shè)備過電壓而造成損壞。實(shí)際上，雷電造成的設(shè)備損壞大多數(shù)是由感應(yīng)雷引起的。本文針對小型水電站的低壓設(shè)備防雷措施作一簡單介紹。
1電源及設(shè)備通常采用的防雷措施
　　計算機(jī)控制設(shè)備要防雷擊，首先要對低壓配電線路進(jìn)行防雷設(shè)計，特別是低壓機(jī)組。如控制設(shè)備直接從400V母線上配電，雷電波可以沿母線侵入設(shè)備。解決的方法是在低壓配電網(wǎng)的進(jìn)線端安裝低壓避雷器，同時三相對地并接大容量吸收電容器；在電源進(jìn)入設(shè)備前應(yīng)加裝隔離變壓器，并在隔離變壓器二次側(cè)對地并接壓敏電阻和TVS抑制二極管，最后通過UPS進(jìn)入計算機(jī)控制設(shè)備。實(shí)踐證明，該方法能較好地防止感應(yīng)雷的侵入，下面作一具體敘述。
1.1低壓母線及配電線路
　　低壓配電線路應(yīng)從變壓器出口處安裝低壓避雷器或擊穿保險器，避雷器一端接母線，另一端與接地回路相接，雷擊造成的過電壓經(jīng)低壓避雷器、吸收電容器放電后電壓強(qiáng)度已大大減弱,氧化鋅避雷器具有優(yōu)異的非線性伏安特性，當(dāng)過電壓一出現(xiàn)時就開始吸收能量，使電壓受到抑制。在實(shí)際系統(tǒng)中，影響電力自動化設(shè)備的干擾既有共模干擾又有差模干擾，且往往同時發(fā)生，浪涌能量最終通過保護(hù)器泄放入大地。
1.2電源接口浪涌保護(hù)器
　?。?）為防止雷電波從電源輸入端侵入設(shè)備，將浪涌能量通過保護(hù)器以電流的形式通過地線釋放到大地，使電源電壓保持穩(wěn)定。在裝置電源的進(jìn)線端安裝壓敏電阻，壓敏電阻在正常情況下處于關(guān)斷狀態(tài)，其漏電電流≤50μA，對電路的正常工作無影響。一旦壓敏電阻兩端出現(xiàn)瞬間高壓時，其阻值會急劇下降，達(dá)到釋放浪涌電流的目的，使設(shè)備免受過電壓的沖擊而損壞。當(dāng)瞬間高壓消除時，壓敏電阻又恢復(fù)到高阻狀態(tài)，電路恢復(fù)正常。壓敏電阻雖然能吸收很大的浪涌電流，但卻不能承受毫安級以上的持續(xù)電流，所以在壓敏電阻的進(jìn)線端應(yīng)串接熔絲，從而保護(hù)壓敏電阻。
　?。?）TVS的電壓/電流特性曲線如圖1所示。它的正向特性與普通二極管相同，反向特性為典型的PN結(jié)雪崩器件。圖2是TVS的電流/時間和電壓/時間曲線。?

　　在瞬態(tài)峰值脈沖電流作用下，流過TVS的電流由原來的反向漏電流ID上升到IR時，其兩端 呈現(xiàn)的電壓由額定反向關(guān)斷電壓VWM上升到擊穿電壓VBR，TVS被擊穿。隨著脈沖峰值的出現(xiàn)，流過TVS的電流達(dá)到峰值脈沖電流IPP，其兩端的電壓被箝位到預(yù)定的最大箝位電壓以下，脈沖電流按指數(shù)衰減，TVS兩端的電壓也不斷下降，最后恢復(fù)到起始狀態(tài)，從而起到抑制浪涌電流、保護(hù)計算機(jī)控制設(shè)備的目的。
　　與齊納二極管相比，抑制二極管具有更快的電流導(dǎo)通能力。TVS受到反向瞬態(tài)高能量沖擊時 ，能以納秒級的響應(yīng)速度，將其兩極間的高阻抗變?yōu)榈妥杩?，吸收高達(dá)數(shù)十千安的浪涌電流，使兩端的電壓箝位于一個額定值。TVS管具有響應(yīng)時間快、瞬態(tài)功率大、漏電電流低、擊穿電壓偏差小、體積小等特點(diǎn)。
　　TVS管的選用，首先確定被保護(hù)電路的最大直流電壓或連續(xù)工作電壓，最大箝位電壓VC應(yīng)高于被 保護(hù)電路的最大直流電壓或連續(xù)工作電壓。若選用的VWM太低，器件可能進(jìn)入雪崩狀態(tài)或因反向漏電流太大而影響電路的正常工作。TVS可并聯(lián)使用以提高額定容量或串聯(lián)使用以提高箝位電壓。
　?。?） 通訊接口的防雷保護(hù)。通訊信息系統(tǒng)的信號電壓很低，抗雷電電磁脈沖的能力較差 ，只要脈沖電平超過十幾伏，就有可能造成設(shè)備損壞。 通訊系統(tǒng)的防雷通常是在通訊串口采用 光電隔離，通訊數(shù)據(jù)線上串接熔絲（0.3A），對地并接雙向TVS管，一般就可以起到較好的雷電波抑制作用。

2接地系統(tǒng)的重要性
　　保護(hù)地的可靠接地非常重要，從人身、設(shè)備安全和抗干擾的角度來說，自動化設(shè)備應(yīng)采用共用接地系統(tǒng)，并且一般情況下設(shè)備的信號地和保護(hù)地在其內(nèi)部就連接在一起。如處理不好，往往在雷擊時形成地電位反擊，破壞控制系統(tǒng)。因此，計算機(jī)接地系統(tǒng)的處理至關(guān)重要。
　　接地布線主要有獨(dú)立接地、共用接地和混合接地三種方式。?
　?。?）獨(dú)立接地是指對需接地的系統(tǒng)分別建立獨(dú)立接地網(wǎng)，且各接地網(wǎng)之間要有足夠的距離，其優(yōu)點(diǎn)在于各接地系統(tǒng)之間不會產(chǎn)生干擾，這對于通訊系統(tǒng)來說非常重要，特別是在電磁環(huán)境特別惡劣的情況下。缺點(diǎn)是獨(dú)立接地的計算機(jī)通訊系統(tǒng)，在雷電瞬時電壓很高時，各接地系統(tǒng)點(diǎn)的電位可能相差很大，其設(shè)備元件容易擊穿而損壞。相對于共同接地方式，采用獨(dú)立接地的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)遭遇雷擊的幾率要高得多，同時，獨(dú)立接地對設(shè)計施工都帶來一定的困難。
　?。?）共用接地，是把所需接地的各系統(tǒng)連接到一個地網(wǎng)上，使其成為電氣相通的統(tǒng)一接地網(wǎng)。共用接地又有單點(diǎn)接地和多點(diǎn)接地兩種方式。多點(diǎn)接地是指將通信與計算機(jī)系統(tǒng)中各設(shè)備接地線從不同地方分別連接到接地平面或接地母線上，而單點(diǎn)接地是將通信與計算機(jī)系統(tǒng)中各設(shè)備接地線連接到接地母線的同一點(diǎn)或同一平面上。多點(diǎn)接地優(yōu)點(diǎn)是以最短的連線接至地網(wǎng)，使其串聯(lián)阻抗減至最小，從而有效抑制因電容效應(yīng)而產(chǎn)生的干擾。單點(diǎn)接地方式，能消除公共阻抗耦合和低頻接地環(huán)路引起的干擾，適用于1MHz以下頻率的干擾。?
　?。?）混合接地，由于上述兩種接地方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，在對通信與計算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行接地設(shè)計 與施工中，應(yīng)揚(yáng)長避短，將兩種接地方式結(jié)合起來應(yīng)用。這種多種接地方式的結(jié)合被稱為混合接地方式，具體使用方法如下。
　　一方面，對通訊與計算機(jī)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)采用共用接地中的單點(diǎn)接地方式，即建立一個總接地等電位連接帶，并將防雷接地、電源系統(tǒng)接地、電氣保護(hù)接地、防靜電接地、射頻接地、信息系統(tǒng)信號屏蔽層接地等各類接地在通信與計算機(jī)系統(tǒng)的各設(shè)備上相互分開，使之成為獨(dú)立系統(tǒng)，再分別引線到等電位連接帶上共同接地。這樣不僅能夠有效地抑制公共阻抗耦合和低頻接地環(huán)路引起的干擾，同時又使各接地系統(tǒng)間保持等電位，因而可以最大限度地使通信與計算機(jī)系統(tǒng)免遭高電位反擊，使工作人員免遭雷擊傷害。
　　對信號線進(jìn)行屏蔽接地設(shè)計時，首先要求各類通信電纜應(yīng)為屏蔽電纜，無屏蔽層的電纜應(yīng)從金屬管內(nèi)穿過，并在電纜兩端將屏蔽層或金屬管與地線相連接，以起到屏蔽效果。?
3避雷針對計算機(jī)設(shè)備的負(fù)面影響
　　避雷針引雷后，強(qiáng)大的雷擊電波在入地的過程中，由于雷電流陡度di/dt的作用，在其周圍導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)脈沖電壓，即感應(yīng)雷。其電壓值為：??
　　Uj=0.2(ln1000/a-1/2)di/dt×10-6(kV/m)
式中:a——雷電流引線與被感應(yīng)導(dǎo)體間的平行距離，m；
　　di/dt——雷電流陡度，kA/μs。
　　30kA雷擊時，在避雷針周圍導(dǎo)體中耦合的Uj值在400m時，脈沖電壓為0.9kV/m, 在10 m時，脈沖電壓為9.5kV/m,可見避雷針對設(shè)備產(chǎn)生的影響。對常規(guī)設(shè)備控制的系統(tǒng)來講，這樣的感應(yīng)脈沖電壓還不至于使常規(guī)的繼電保護(hù)裝置損壞。但對采用計算機(jī)控制的設(shè)備及通訊信號來說，則完全不同。系統(tǒng)的直擊雷保護(hù)應(yīng)從控制LEMP（抗雷電電磁脈沖）的角度出發(fā)，避雷針采用短針、多針布置，以減小保護(hù)半徑，降低雷擊概率，也可采用避雷帶、接閃網(wǎng)等措施。?
4結(jié)束語
　　總的來說，目前關(guān)于小型水電站計算機(jī)控制設(shè)備的防雷，還沒有一個完備的解決方案，設(shè)備遭遇雷擊的情況時有發(fā)生。但采用計算機(jī)控制系統(tǒng)的電站，如能按以上所提的防雷思路，對雷擊加以防范，必將大大緩解雷擊對設(shè)備的損害程度和幾率，從而保障電力生產(chǎn)的正常進(jìn)行。?