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水电站主控制室雷电电磁脉冲防护设计

北极星电力网技术频道    作者:佚名   2008/5/12 17:40:14   

  所属频道:  水力发电    关键词:  水电 电磁 雷击

1 问题的提出
  芹山水电站地处福建省闽东山区,地势陡峭,年平均雷暴日为56天,属多雷区。1999年12月首台机组并网发电。220kV升压开关站旁边有2座30m高的独立避雷针,出线构架上有4根2m高的避雷针和4条GJ-50避雷线。由于地理条件限制,开关站与厂房仅一墙之隔,电站主厂房的长×宽×高为27.6m×18m×31m;副厂房为18.6m×18m×14m,框架结构;主控制室设在副厂房的2楼,长×宽×高为15m×13m×5m。独立避雷针离主控制室空间最小距离为6m;采用共同接地网,其工频接地电阻、接触电压、跨步电压及接地网间的导通试验等均由福建省电力试验研究院于2000年7月采用《接地装置工频特性参数测量导则》(DL475-92)所规定的方法进行测量,结果都符合规程[1]的规定要求。
  可是,自芹山水电站投产以来,每到雷雨季节,厂房区设备多次遭雷击损坏,特别是厂房调度小总机、大坝监控设备及工业电视,雷击损坏严重,甚至造成整个系统无法正常运行,直接影响载站设备的正常运行和调度。具体设备损坏情况有:
  (1)厂房调度小总机用户板损坏二十多块,中继板十多块,二次电源模块、CPU模块、通讯板等均不同程度遭损坏;厂房公用LCU、UPS、电源模块、通讯模块已遭遇过雷击损坏。
  (2)大坝工业电视探头、光电耦合模块多次被击坏;大坝监控系统模拟量模块、水位变送器、电源模
块、UPS等不同程度的损坏。

2 雷击事故发生的原因
  出现上述雷击事故的原因有三:(1)雷电电磁脉冲对主控制室的影响;(2)浪涌电压的影响;(3)设备与接地网的连接方式。
2.1 雷电电磁脉冲对主控制室的影响
  芹山水电站按《建筑物防雷设计规范》(GB50057-94)防雷分类,应按第一类防雷建筑物设防,电站又地处多雷山区,按CCITT防雷手册有关公式计算雷击次数N:
 
式中nE=0.1———单位面积每个雷暴日的雷击次数,次/km2;
  C=0.5———地形特性系数;
  H=0.05———避雷针的水平高度与周围地形的平均高差,km;
  h=0.03———避雷针高度,km;
  D=56———年平均雷暴日。
  芹山水电站几乎每年都要遭遇到两次雷击。如图1所示,由于独立避雷针与主控制室的空间距离为6m,当雷电击中避雷针或避雷线附近时,产生强大的瞬变电磁脉冲电流就会通过电磁耦合到主控制室建筑物的钢筋及设备中产生外部过电压和感应电流,造成设备的损坏。  


  避雷针与主厂房建筑钢筋之间的互感M为[6](见图2):

式中μ0=4π×10-7———自由空间磁导率,H/m;
  l=14———避雷针与厂房楼钢筋平行长度,m;
  D=6———避雷针与厂房楼钢筋平行距离,m。
  雷电的接闪过程将产生极大峰值和陡度的雷电流,并在周围空间产生强大的瞬变电磁脉冲。根据电磁感应原理,这种瞬变电磁脉冲将在附近的金属回路中产生感应过电压。
  主厂房楼钢筋感应过电压E1为[3]:

  在防雷系统的共同接地和电气连接都符合设计要求时,雷电直接击中主控制室边最近的独立避雷针而产生强大的交变电磁场,即雷电电流通过独立避雷针引下线进入大地的同时,在主厂房的建筑钢筋上产生上万伏感应过电压,其能量将最终作用到
主控制室内的控制设备上,对控制设备造成干扰或损坏电路元件。这是造成芹山水电站雷害的主要原因。

2.2 浪涌电压的影响
  芹山水电站的二次电缆种类很多,包括各种控制设备的电源与控制电缆、引入与引出时的通信电缆、大坝观测的信号光缆与工业监视系统的同轴电缆等,这些电缆的型号、耐压等级、敷设长度和屏蔽接地方式各不相同,进入主控制室后直接与设备相连接。雷击发生时,在电源线路和通讯线路中产生感应的电流浪涌。一方面由于电子设备内部结构高度集成化,从而造成设备耐过电压、过电流的水平下降,对雷电(包括感应雷及操作过电压浪涌)的承受能力下降;另一方面由于信号来源路径增多,系统较为容易遭受雷电波侵入。这种浪涌现象简称电涌[6],可以从电源线或信号线等途径窜入电脑设备。
2.2.1 电源线路电涌
  电源电涌并不仅源于雷击,当电力系统出现短路故障、投切大负荷时都会产生电源电涌。电网绵延千里,不论是雷击还是线路电涌发生的机率都很高。当远方发生雷击时,雷击电涌通过电网以光速传输,经过变电站等衰减,到达控制设备时仍然可能有上千伏电压,这个电压对于控制设备内部的集成电路模块有很大的损害。这样的电涌电压完全有可能一次性将电子设备损坏。
2.2.2 信号系统电涌
  信号系统电涌的主要来源是感应雷击、电磁干扰、无线电干扰和静电干扰。二次电缆受到这些干扰信号的影响,会使传输中的数据产生误码,影响传输的准确性、传输速率及设备的损坏。
2.3 设备与接地网的连接方式
  对于主控制室中的设备都要求就近与接地网相连接,而主控制室内是用一根接地引下线与楼下的接地网连接,需要接地的几个机柜都直接接到这一点上,没有一个接地连接环路,形成了单点接地方式。
  采用单点接地方式,当接地线较长时,在高频情况下起不到接地的作用。如果接地线上的入射波E1和反射波E2大小相等而方向相反,即E1=E2,在接地线上会产生驻波现象,接地线不再传输能量,在设备外壳与接地网之间产生电位差,这一电位差足以造成由集成电路组成的水电站控制设备的损坏。

3 雷电电磁脉冲的防护设计
3.1 主控制室屏蔽设计
3.1.1 屏蔽效果
  闪电放电时,其电流是随时间而非均匀变化的,一次闪电往往由几个短脉冲放电组成,脉冲电流向外辐射电磁波,这种电磁波虽然也随着距离的增加而减少,但比较缓慢(与距离的一次方成反比)。当独立避雷针接闪后,计算出在附近的主厂房的钢筋上磁感应强度的大小和分布,由此对主控制室的控制设备进行电磁脉冲的防护,就可把由电磁脉冲对设备产生的损害降到最低。
  根据《建筑物防雷设计规范》(GB50057-94)2000年修订版第六章防雷击电磁脉冲可知:处在LPZ0区的主控制室外墙无屏蔽时产生的无衰减磁场强度H0[2]为:
  
式中Ich=200———雷电流强度,kA;
  D=6———避雷针与主控制楼钢筋的平行距离,m。
  由于厂房大楼为钢筋框架结构,楼顶有避雷带,梁、柱的钢筋是现场扎结的,是多根雷电流的分流通道,且具有一定作用的电磁屏蔽体,所以楼层间的磁场仅仅是本层内钢筋上电流产生的磁场矢量和,其他楼层间的水平钢筋上电流产生的磁场可以忽略;但是由于大楼楼层的反射作用,必须考虑其他柱钢筋感应电流的镜像。这时,主控制室建筑物的屏蔽效果SF为[2]:
  
式中W--主控制室建筑钢筋混凝土间距,约为5m;
r--钢筋半径,约为0.02m。
  屏蔽效果的定义为空间某一区域屏蔽后的电磁场强度比屏蔽前电磁场强度衰减的分贝数。由于电磁波的反射和折射现象,屏蔽效果为反射衰减、吸收衰减和多次反射衰减的总和,其大小不仅与屏蔽材料的性能有关,也与辐射频率、屏蔽体与辐射源的距离,以及连接状态有关。
  经过厂房建筑物钢筋屏蔽衰减后处在LPZ1区的主控制室的磁场强度H1[2]为:
  
  《电子计算机机房设计规范》(GB50174-93)规定:主机房内磁场干扰环境场强不应大于800A/m。主控制室的雷电电磁脉冲磁场强度大大高于此值,故必须进行电磁脉冲的防护。按雷电流200kA/10μs(波尾350μs)分析可知,90%以上的能量集中在3~30kHz频段内。根据电磁场原理,整个厂房处于以低阻抗磁场为主的近场感应区,防护措施应主要采取被动的磁场屏蔽。
  对芹山水电站发生的感应雷电瞬变磁场的屏蔽,宜采用电气连接良好的金属网将被屏蔽体包围起来,这样瞬变磁场将在网络回路中产生感应涡流,产生反磁场来抵消穿过屏蔽体的原来磁场而起到屏蔽的作用。
  如图3所示,金属网屏蔽笼是由一个个的小网孔组成,在整个网处于均匀的瞬态冲击磁场时,把每个小网孔当作一个小回路,则每一小回路在瞬态磁场的作用下产生感应电动势-dφ/dt,从而形成回路电流,由于方向相反,该电流产生的磁场将阻碍原磁场的进入。若已知金属材料的导电性能、网孔几何尺寸、网孔目数及雷电流频率,根据电磁屏蔽原理就可以计算出金属网的屏蔽效果。

  通过计算发现[4]:边长为1m、网丝半径为屏蔽高阻抗电场,在增加其厚度时也可同时屏蔽磁场;高导磁材料(如铁、不锈钢等)对电磁波能量的吸收衰减很大,适用于屏蔽低阻抗磁场。其电阻率越小,屏蔽效果越好。
  (2)网丝半径:其他条件相同,网丝半径在0.05~0.5mm范围内,网丝半径越大,屏蔽效果越好。
  (3)网孔目数:金属网孔目数越大,屏蔽效果越好。
3.1.2 屏蔽材料的选择
  根据芹山水电站的具体情况,选择边长为1m、网丝半径为0.155mm的22目紫铜网作主要屏蔽材料,采用电阻率为1.2Ω·m的导电混凝土作辅助材料,增加厚度到3mm左右,屏蔽效果可达45dB。
  主控制室的门与窗的电磁屏蔽:采用金属防盗门、铝合金窗架和屏蔽玻璃。门框与窗架都与上述紫铜网笼作电气连接,形成一个大回路的屏蔽笼。屏蔽玻璃是在普通玻璃上单面或者双面覆盖导电涂料(导电涂料是由合成树脂和导电填料经机械混合制成的导电复合材料),目前国内外的产品很多,均具有良好的屏蔽效果,在15kHz~1GHz频率范围内,可使电磁辐射衰减52~95dB。
3.1.3 屏蔽室的施工
3.1.3.1 搭接[4]
  由于材料幅宽的限制,需要相互连接的金属材料如果连接不好,就会在两块金属材料间形成电位差,这种电位差同样会产生电磁干扰,所以必须做好屏蔽材料的搭接。良好的搭接方式分直接搭接和间接搭接两种。
  (1)直接搭接:为了避免电磁泄漏,使金属网格电气连接成为一体,在接缝卷边后采用黄铜焊或锡焊,每隔2cm焊接一次。
  (2)间接搭接:由于直接搭接不可能将金属网格的几何尺寸全部连接好,破坏了原定的电磁屏蔽效果,需再加上同样材料的间接搭接。如门、窗、通风口、电缆孔等与屏蔽网格的连接就可在直接搭接后,再采用一根20×2mm的紫铜排嵌压在接缝中与门窗的框架进行黄铜焊接。
3.1.3.2 制作
  将连接好的金属网格用水泥钢钉固定的墙上,确保平整,用导电混凝土均匀覆盖整个金属网格,厚度一般为3~5mm左右,再用888涂料作常规墙面装饰即可。
采用导电混凝土覆盖具有以下优点:
  (1)导电混凝土具有较低的电阻率,覆盖在金属网格上后增加了屏蔽笼的厚度,提高了磁场屏蔽的效果。
  (2)导电混凝土的pH=9.82,属弱碱性材料,导电混凝土不是利用电解质中离子导电,而是将离子导电转换为电子导电,对电化学腐蚀具有较高的抗腐蚀特性,是屏蔽笼金属网格理想的防腐材料。
  (3)导电混凝土具有较强的粘聚性,可在原有墙面、金属网格和装饰材料中起到粘聚作用,确保墙面的平整与美观。
3.2 控制设备的防电涌设计
3.2.1 雷击感应过电压的防护
  芹山水电站的220kV升压开关站到主控制室的二次电缆是敷设在一个宽0.8m、深0.6m的专用电缆沟内的,电缆沟内未敷设接地母线,而是采用二次电缆的铠装外皮或屏蔽层作二次电缆的屏蔽接地。这样,当雷击发生后,开关站均压网上的地电位升高将在二次电缆上产生较高的芯线对地的感应过电压,此电压在二次电缆外皮或屏蔽层中形成感应电流而进入主控制室的控制设备中,对控制设备造成极大的危害。
  二次电缆外皮与芯线间的感应过电压ΔV为[6]:


式中i0i———经避雷针接地网衰减后的雷电流强度,A;
  R0———二次电缆外皮的直流电阻,Ω;
  L0———二次电缆外皮的自感,H;
  di0i/dt0i——经避雷针接地网衰减后的雷电流强度;
  ρ———二次电缆外皮的电阻率,Ω·m;
  l———二次电缆的长度,m;
  r———二次电缆外皮的半径,m。
  由于开关站与主控制室的距离太近,雷电流在接地网上衰减有限,因此ΔV还是较高的。
  由于框架式建筑结构的特点,雷击发生或升压站接地短路时,感应电流不能就近流入地中,电流要经过框架钢筋和人工接地带流向厂房接地网散流,随着地网电位差的作用,会有一部分电流经过二次电缆金属外皮,从而引起共模电压。为了减小共模电压,均衡电位,宜沿电缆沟敷设截面为120mm2铜绞线作为分流线。分流线的共模屏蔽系数K为[3]:
  
式中R1———二次电缆外皮总电阻,Ω/km;
  R———分流线直流电阻,Ω/km;
  x1———二次电缆屏蔽层总电抗,Ω/km。
  芹山水电站两种典型的二次电缆屏蔽系数计算结果列于表1。


  从表1可以看出,敷设分流线的效果是十分显著的。无分流线时,电缆共模屏蔽系数较大,分别为0.891和0.753,有了一根TJ-120铜绞线作分流线时,电缆共模屏蔽系数大大减小,分别为0.0599和0.0831,屏蔽效果分别增加到24.45和21.61,完全可以满足二次对感应过电压的屏蔽要求。采取二次电缆屏蔽层与分流线多点接地则效果更好。
3.2.2 电涌保护
  根据《建筑物防雷设计规范》(GB50057-94)2000年修订版和IEC61643-1《与低压配电系统相连接的浪涌保护装置》对电涌保护器(SPD)的要求,进行了以下设防:
  (1)供电信息系统的交流低压配电系统,采用TN-S系统。N线和PE线分开敷设,PE线除在电源中性点接地外,应在各机房处重复接地,与主地网连接;N线除在电源中性点接地外,不再重复接地,N线应和相线平行靠近敷设,使耦合最大。
  (2)交流电源系统的防雷采用OBO生产的组合式可插拨电源避雷器: 
  Ⅰ级 MC50-B或MC125-B/NPEV25-B或V25-B/AS(有声光报警)
  Ⅱ级 V20-C或V20-C/AS(有声光报警) 
  Ⅲ级 V20-C/O-VA 
  直流电源 PO直流电源防雷器
  (3)信息系统:
  计算机控制系统 RS系列接口信号避雷器 
  厂房调度小总机 RJ45S防雷器 
  工业电视系统  TC系列高频馈线避雷器 
  大坝监控系统  SI系列接线式信号保护器
3.3 等电位连接
  等电位连接的目的是减少设备之间和设备与建筑物金属部件之间的电位差,是解决芹山水电站存在的设备与接地网的连接方式不完善的最好办法。等电位连接最好采用金属铜排将设备外壳导电处多次与建筑物钢筋、金属屏蔽笼连接起来,建立等电位连接体后,与主接地网相连接。
  在芹山水电站主控制室的防静电地板下,采用30×3mm的紫铜排在主控制室内沿墙四周作了一个闭合的环形接地母线,所需的设备接地线就近接到这一环形接地母线上,而环形接地母线再与建筑物四面的主钢筋及金属屏蔽笼相连接,沿电缆沟从升压站引来的起分流作用的TJ-120铜绞线也与环形接地母线相连接,这样,由于铜材的导电特性,环形接地母线上设备接地线处在同一电位上,消除了电位差的影响,同时随着泄流通道的增加,雷击感应过电压的幅值大幅度地下降,从而达到安全运行的目的。

4 试验测量
  工程从2002年10月开始到12月竣工,12月24日福建省电力试验研究院对主控制室的屏蔽效果与二次电缆的共模电压进行了现场测量。
4.1 主控制室雷电电磁屏蔽的效果测量
  根据《电子设备雷电试验导则》(GB3483-83)和《电子计算机场地通用规范》(GB/T2887-2000)规定的测量方法[5](见图4)进行主控制室雷电电磁屏蔽效果的测量,被测点分别在厂房外基本与主控制室内设备等高处和主控制室内的任何位置(取最大值),结果见表2。表内的折算值是测量值折算到雷电流(200kA,10/350μs)的场强。


  由表2可见:进行屏蔽防护后的主控制室内在雷击独立避雷针时(雷电流200kA,10/350μs),磁场强度都在100A/m以下,完全符合安全运行的要求。
4.2 二次电缆共模电压的测量
  为了更准确地测量二次电缆的屏蔽效果,利用一根从主控制室到220kV升压开关站的ZR-KVVP-4×1.5控制电缆,在模拟雷电作用下,测量电缆芯线与外皮间的共模电压。在200KV开关站注入测量电流时,电缆外屏蔽接地,同时在主控制室采用示波器测量电缆芯线与外屏蔽层的电位差;在主控室注入电流也可在220KV开关站进行同样的测量。测量的数据及计算结果见表3。
  分流线的敷设与多点连接使二次电缆上的共模电压很小,起到了均衡电位的作用,这样在雷击发生后二次电缆感应电流对控制设备不再构成危害,从而达到了防护的目的。


5 结论
  经过对芹山水电站的雷击事故原因的分析,提出在水电站的主控制室进行雷电电磁脉冲的防护设计理论,通过施工与试验测量表明,提高水电站的电磁兼容性的具体措施有:(1)分流(D)。楼顶装设避雷带将大量电流引到大楼金属结构和接地网进行分流和降低电位,沿二次电缆敷设分流线也可起到分流的效果。(2)屏蔽(S)。采用完善的屏蔽体,防止外部辐射进入本系统。(3)搭接(B)。屏蔽体应保持完整性,为此对门、窗、通风口和电缆孔等处要进行电气搭接处理。(4)接地(G)。屏蔽体必须有良好可靠的接地才能发挥作用。(5)保护(P)。主控制室的引入与引出的信号线路应装设多级保护,以防止信号线路遭受雷击或雷电感应时侵入波的危害(简称D.S.B.G.P系统技术)。对水电站的控制系统进行D.S.B.G.P系统技术防护缺一不可,特别是对非常重要的主控制室进行雷电电磁脉冲的屏蔽防护改造,是防止雷电感应对微弱电子设备损坏的有效办法,可以在水电站广泛应用。


来源:中国自动化网
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