浅析水电厂升压站二次系统防雷措施

蒲永

(茂县天龙湖电力有限公司，四川成都 610091)

雷电是一种自然现象，给人类社会带来了不少危害，国际电工委员会已将雷电灾害称为“电子时代的一大公害”，而直击雷击、感应雷击、雷电波侵入等瞬时过电压已成为破坏电子设备的罪魁祸首。笔者对大量的水电厂升压站二次设备雷击事故进行分析得知，由雷电感应和雷电波侵入造成的雷电电磁脉冲(LEMP)是控制设备损坏的主要原因。因此，只有了解其形成过程，寻求有效地防护措施，才能减少雷电带来的损失。

按照电力设计规范，水电厂升压站内一般都安装有避雷针、避雷网或避雷带等防直击雷措施，并且均采取了联合接地的方式。从形式上看，其已具备了良好的防雷和抗外界电磁干扰的性能，然而，二次设备为什么有时还会遭受过压过流而损坏呢?甚至还会对操作维护人员的人身构成威胁呢?分析其原因:这是由于当发生雷电时，带电的云层会在站内二次设备上产生感应电荷或雷电感应通过通信或电源线路侵入，如果天线和通信线缆与大地之间泄流通路不畅，就会由于感应在天线和线缆与大地之间产生的高电位而引起过电压，致使通信设施无法承受强电流的侵入而损坏，甚至会危及操作人员的人身安全。

1 雷电入侵水电厂升压站建筑物内设备的途径分析

水电厂升压站内的建筑物一般不超过3层(地面以上)，属二类防雷建筑物，但由于水电厂升压站设备处在一个强电和弱电系统形成的错综复杂的电磁环境中，高压开关设备的操作切换、雷电闪击、一次设备短路接地、二次回路切换、人员及邻近物体的静电放电和无线电辐射等产生的电磁干扰可能通过各种耦合进入二次系统形成浪涌和过电压。其中雷击在线路上引起的上万伏的过电压、过电流及极强的交变电磁场是损坏建筑物内设备的主要原因。雷电入侵建筑物内设备的途径有配电线路、通信线路、雷击电磁场、地反击等四种途径，具体分析如下。

1.1 配电线路引入的雷电过电压

雷电波通常是通过水电厂升压站临近的线路侵入母线，再经过变压器高、低压绕组间的静电和电磁耦合进入低压出线，途中经过了线路避雷器、母线避雷器等多级削峰，再经过变压器低压出线的平波作用使电压幅值大为下降。但由于雷电波的波峰幅值和能量很大，虽然雷电波在经过上述避雷器后大部分能量得以消除，但仍有部分雷电波以幅值相对很高且作用时间很短的低能量尖峰脉冲的形式通过变压器的低压出线加到水电厂升压站内所有的380 V 交流回路中。

220 V 等直流线路因进出高压场等原因，也是引入雷电的主要线路之一。

1.2 通信线路引入雷击

通信线路(通信线路一般包括一般有载波线、电话线、控制线等)由于水电厂升压站的通信电缆出线较长，感应雷电通过远控系统电缆及信号电缆侵入，以很高的电压直接加在二次设备上，该过电压轻则使设备加速老化，重则直接将设备损坏。对于电力系统来讲，RS485、RJ45网线、GPS 及微波载波等馈线等都是引入雷电的通信线路。

1.3 雷电电磁场

上述两条途径是有型的看到的途径，而电磁场是空间传播的、看不到的东西，此处所述的雷电电磁场是指雷击引起的室内的电磁场，该电磁场使室内的线路感应到过电压，该过电压直接传到设备，该电磁场也可使设备内PCB 板上的线路或器件感应到过电压，使设备损坏。实验表明:设备(包括设备近距离的连接线)处在2.4 GS 的电磁场中时设备会永久性损坏，设备(包括设备的近距离连接线)处在0.07 GS 的电磁场中时设备会产生误动作。说到底，雷电电磁场的危害最终还是使设备及线路感应到过电压。对于电力系统来讲，电力建筑物内的钢筋(当作引下线用)、水电厂升压站布线层内进出高压场地的各种线路都是雷电电磁场的产生源。

1.4 地反击

当水电厂升压站或线路遭受雷击后，雷电流会经避雷装置流人接地网，如果接地网的接地电阻偏大或接地网的均压效果不好时，在强大的雷电流作用下，会使接地网的局部电位显著抬高，并由此导致地电位对设备反击而损坏设备。

从安全及运行稳定等角度考虑，电气设备必须接地;如果雷击时，设备的接地线路为高电位，而设备的某处因某种原因为低电位时，则地线对设备上该点的电位差全部由设备承受，这实际上就是地线对设备某点的过电压，该过电压轻则使设备加速老化，重则直接将设备损坏。地反击是设备接地线路对设备某点的电位差，如果设备不存在低电位点则不存在电位差，单是地线高电位只能说是“水涨船高”。没有电位差，也就没有过电压(在电磁学里，电位差称电压)，当然设备也就不会损坏。单独的一台设备与外部没有任何导体连接时为高阻状态，此时，设备接地线为高电位，也不会存在电位差。一般来讲，设备接地线高电位对设备外接的配电线路、通信线等有电位差。说到底，地反击实际上就是地线与电源等线路之间产生了过电压。对于电力系统来讲，因采用共用接地方式而不存在地与地之间的反击，但地线对电源线、通信线之间则是存在反击的，这也相当于是电源与通信线引入了雷电。

2 感应雷防护现状

就以上几方面原因我公司对所属的天龙湖、金龙潭、仙女堡电厂进行了详细的勘测，参照相关标准，弱电系统均无防感应雷措施，具体分析如下:

(1)配电系统:电力线是雷电进入电子设备的主要途径，水电厂升压站站内用电进入主控室和载波机房的配电系统必须采取安全、可靠的防雷保护措施，在水电厂站内总交流配电屏、直流总馈电柜、站内后台机的UPS 配电均没有安装电源浪涌保护器，只是在通信机房内的-48 V 直流电源前厂家配置了直流48 V 的保护器。

(2)通信系统:通信信号线是与外界实现通信联系的主要途径，这些与外界联系的通信线路与机房的终端设备相接，如果是架空敷设的，遭受雷击的概率非常大。水电厂升压站主控室的通信系统主要有:载波线、GPS 天馈线、RS485信号控制线、RS232信号控制线、CAN 网电缆连接到10 kV 馈线测控、RS422连接到后台监控主机电缆、电话拨号音频与MODEM 相连接线，以上的连接电缆会受其它线路相互感应的影响较易感应到电流，感应雷电的几率较大，没有安全、有效的防雷保护措施。

(3)交流采样、开关量回路:TV 和TA 二次线从户外高电压场引入到主控室的各种二次设备，没有防雷保护措施，极易从一次系统感应雷击。还有开关场的开关量经直流220 V 或48 V 引入到保护装置和监控后台机。提供开关、刀闸等供保护装置和监控及五防使用，该类引线较易感应到雷电流，感应雷电的几率较大，无有效的防雷保护措施。

(4)地电位反击:各电厂升压站主建筑均采用共地方式，因此，不存在地与地之间的反击而损坏弱电设备。

3 天龙湖、金龙潭、仙女堡电厂升压站二次系统的防雷措施

3.1 配电线路部分

一个完善的水电厂升压站配电线路的防护方案应从总交流配电、直流配电、重要设备配电等全面考虑。

对交流电源实行三级防雷保护。

第一级安装在站用变400 V 进线柜母线侧，即在变电器的低压侧加装间隙型浪涌保护器，泄放大部分入侵水电厂升压站的雷电流。

第二级站内总交流配电屏内的380 V 线路分别安装一台三相电源防雷器，防止雷击过电压从交流配电线进入中控室的二次设备。

第三级分直流和交流防雷。直流第三级防雷装置安装在站内装置柜内，如各类保护柜、测控柜、故障录波装置、安稳及其它自动装置、通信直流电源柜等;交流第三级防雷装置安装在站内装置柜内的交流电源上，如UPS 电源上。

3.2 信号线路

(1)载波线防雷:在载波到通信柜柜前安装双绞线信号浪涌保护器，防止载波线路在高压场地感应雷电进入机房，对设备构成危害。

(2)通信线防雷:在通信线进入设备前串接信号浪涌保护器，抑制沿线路传导的过电压对设备造成的危害，可满足ADSL，ISDN，DDN 帧中继，模拟电话线等多种通信线路的防雷保护。

(3)天馈线防雷:对拥有带BNC 或N 接头的连接收发器GPS 时钟系统，在同轴进入同步装置前串接高频馈线防雷器，防止天馈线从户外引入雷击过电压进入设备，对设备构成危害。

(4)设备间通信线路防雷:水电厂升压站二次设备间通信主要采用RS485、RS232 RS422，CAN 等方式。主要是通过感应雷击产生的过电压击毁通信端口或引起设备集成电路芯片损坏。在通信口的两端口分别安装相应的信号避雷器。

(5)TV 二次回路防雷:水电厂升压站TV 二次电压进入保护装置一般都采取了一定的防雷措施，如电抗器隔离、光耦隔离等。

3.3 接地、屏蔽系统

规范水电厂升压站设备的接地、屏蔽工作，是提高二次设备防雷水平的最直接、最有效的措施:

(1)水电厂升压站综合自动化系统及其它二次设备应采用共地系统，接入水电厂全厂主接地网。

(2)主控室接地网将各盘柜内地线通过接地铜排首尾相连形成环网，接地铜排截面积不小于100 mm2。

(3)需要接到各接地网的二次设备主要有:自动化设备机箱、保护、测控装置机箱，自动化系统、保护、测控装置的隔离变压器(如采样系统用的测量TA 和TV，直流逆变电源隔离变等)屏蔽层，二次电缆屏蔽层、铠装层(采用两端接地方式)，后台监控计算机机箱、UPS 电源机箱。二次设备盘柜(如保护屏、测控屏)、端子箱应直接接地。线路TA 和CVT 二次回路采用就近接地，母线TA，CVT 二次回路采用主控室接地，与母线TA和CVT 二次回路有电联系的所有TA 和CVT 二次回路应共同一点在主控室接地。

4 结语

笔者针对综合自动化设备，通过对雷电波入侵途径进行分析，结合当今弱电防雷技术，探讨了水电厂升压站二次系统的防雷措施。在强调现有水电厂升压站二次设备接地和屏蔽的重要性的同时，又突出了现代防雷设备在综合自动化系统防雷上的应用，措施有效，提高了综合自动化系统二次设备的防雷水平，确保了系统的安全运行。