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直击雷对小水电站二次设备的影响

北极星电力网技术频道    作者:佚名   2008/3/7 11:50:32   

  所属频道:  水力发电    关键词:  水电 水电站 小水电

浙江省水力资源非常丰富,各地在山区分布着很多小水电站。而浙江省又属于多雷区,山区的年平均雷暴日数多在60个以上。因此,小水电站的防雷一直受到重视。但近年来,随着小水电站综合自动化程度的日益提高,由雷击造成的电站设备损坏事故时有发生,它直接影响到电站的正常运行,甚至危及运行人员的人身安全。这是因为水电站原有的防雷措施,没有考虑到这些以微电子元件为主的二次设备普遍存在着的弱点,那就是过电压耐受能力差、绝缘强度低、对电磁干扰敏感。因此,有必要对小水电站防雷设计中出现的新问题作进一步研究。

一般小水电站都有较完善的直击雷防护系统,如避雷针、屋顶避雷网(埋于屋面下)和避雷带(高出屋面边缘几十厘米)等,所以二次设备直接遭雷击损坏的概率是较小的。但雷击电站防雷系统时所产生的雷电放电,对室内二次设备产生的电磁干扰,同样会影响整个系统的正常运行。例如作为小水电站直击雷防护措施之一的避雷针,遭受雷击时,首先雷电流要通过避雷针的接地装置泄入大地,引起地电位升高,造成对二次设备的反击;其次雷电流通过避雷针的接地引下线入地时,会在周围空间产生强大的暂态电磁场,影响二次设备的正常运行。

1地电位升高的影响

一般水电站都装设有用于保护建筑物和室外设备的直击雷防护系统,如避雷针、避雷带(网)。

假如雷电流为5kA,冲击接地电阻4.9Ω,那么在接地网上就会产24.5kV的高电位。雷电流沿接地引下线传播过程中,会使不同接地网或者同一接地网,不同接地点之间产生梯级瞬间高电位差,对于耐压水平弱的二次设备,受损坏的概率是非常大的。对这类因地电位升高引起的过电压闪络,俗称“反击”。

瞬态地电位升高引起对电缆的干扰也是很大的。雷击造成地网的瞬态地电位很高,电缆沟中的电缆外皮电流很大,该电流通过电磁耦合在芯线上感应出电势(通过转移阻抗),产生一定的共模电压,对二次设备造成干扰。雷击落地点电位升高后由于电势差,还会在地网上形成强大的电流,由于接地线都是沿着电缆沟铺设,接地线上的雷电流会通过电磁耦合,对附近电缆架上的二次电缆内部芯线构成共模干扰,从而危害电缆所连接的二次设备。

如果估计某电缆外皮雷电流I为0.5kA,该电缆转移阻抗Zt为10mΩ,电缆长50m,则芯线上的感应电压为250V。对水电站某些微机监控设备或端口来说,这个电压有可能是危险的,应该引起注意。

2空间电磁场的影响

雷电流通过水电站的直击雷防护系统的接地引下线入地时,还会在周围空间产生强大的暂态电磁场,从而在二次设备上产生暂态电压或干扰磁场,影响这些设备的正常运行。

分析表明,当建筑物顶部直击雷装置接闪时,建筑物顶层机房内电磁感应强度高达2.38mT,其机房内部电源线、信号线及其接地线所构成环路中,开路电压非常大,足以造成内部设备损坏。

当雷电流通过避雷针时,会在其周围空间产生强烈的电磁场。根据雷电流磁场对二次设备的影响。当雷电流为20kA时,离垂直雷电流通道的水平距离为10m时,磁场强度为318A/m。此值大于IEC标准的脉冲磁场,抗扰度4级的试验磁场强度最大值(300A/m)。这种情况极易造成对监控设备的干扰。

雷击靠近控制室的避雷针时,在周围空间产生的强大暂态电磁场,还会在监控设备上产生有威胁的暂态过电压。例如,当雷击点离建筑物50m,雷电流为50kA时,在建筑物内的试验回路中感应的暂态电压,仍会使门槛电压为200V的限压二极管动作。

3防止雷电干扰的措施

综上所述,直击雷对小水电站内二次设备的干扰,主要是由于地电位升高和暂态电磁感应所造成。做好防雷工作的关键,也就是分流、均压、接地、屏蔽。分流就是增加雷电接地引下线数,从而减小每根引下线通过的雷电流;均压就是使被保护对象的各部位尽可能构成等电位;良好的接地是防雷安全的基础,能够有效地消除反击;屏蔽是防雷电电磁脉冲最有效的措施。
由于小水电站大都建在山区,受场地限制,采用独立避雷针防护时,很难保证其与建筑物的空间和地中的距离以及接地电阻满足要求。所以小水电站应尽量在屋顶布置接地良好的金属避雷带(网),而避免采用避雷针作为直击雷防护措施。一定要装设避雷针时,必须使其安装位置和接地电阻达到要求。

屋顶避雷带(网)受雷击后,虽然由于分流,雷电流幅值有所降低,但也会产生电磁感应问题。装设计算机监控设备的控制室,可以将建筑物钢筋、金属构架、地板等均相互焊接在一起,形式一个“法拉第”笼,并与接地网可靠地焊接在一起,能起较好的屏蔽作用。电缆沟内连接监控设备的电缆要屏蔽或者走金属管。重要的二次设备尽可能远离外墙和顶层布置。

接地和等电位连接是防雷的重要措施。为了减小地电位升高和地网上电位差,地网应敷设成网格状,而且在可能有瞬变大电流入地处,和重要的二次设备所在区域,要加密网格。建筑物的金属构架、室内金属物体等要连接成一个等电位连接网络,以实现均压等电位,其目的在于减少雷电流所引起的电位差,避免反击。

对重要的计算机监控设备,可以合理选用电涌保护器(SPD)作雷电的最后屏障。在连接至监控设备的电缆,经过的任何两个相继的防雷分区的边界上,应装设SPD,实现带电芯线的等电位连接,分流芯线上的雷电流,使重要的二次设备免受雷电电涌的危害。

总之,在进行小水电站直击雷防护系统设计时,必须考虑其对二次设备的影响,在防御直击雷侵害的同时,能保证设备的正常工作。

来源:中华电力网
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