论文部分内容阅读
紫金县水利水电勘测设计室
摘要：水利电力系统的正常运行关系到千千万万老百姓的生命财产安全。为保证其大型设备的安全运行，尤其是在雷雨频发季节的安全可靠运行，必须努力提高电气自动化系统的防雷等级。本文结合多年的实践经验，在簡单介绍瞬间过电压和电磁干扰的基础上介绍几点防雷保护措施，供同行参考。
关键词：防雷；电气自动化；瞬间过电压；接地
电气自动化技术的发展使其在电力系统、民用建筑、水利工程等领域的运用越来越广泛，越来越多的水利电力建立起自动化监测系统，及时为水利电力的管理提供监测信息，有效提高了水利电力的管理水平，在推动水利电力系统安全运行上起到重要作用。因此，必须构建高质量的水利水电工程电力自动化系统，保证其安全运行。水利电力系统多建立在山区，在雷雨天气里很容易发生雷击事故，所以必须重视自动化系统的防雷保护。
1 水利电力自动化系统瞬间过电压
1.1 雷电造成的瞬间过电压
瞬间过电压即指：微秒乃至毫微秒之内产生的尖峰冲击电压，如图1所示。这种尖峰冲击电压与一般的电源过电压有所不同，因为电源过电压可能维持数秒以上，且电压幅值不大，而这种尖峰冲击电压的幅值非常高可能发生在电源系统和信号系统中。
图1 瞬间过电压
雷电、静电、辐射等自然因素和人为因素都可能导致瞬间过电压的产生，而雷电造成的瞬间过电压极有可能导致电气系统事故。当设备或电气线路遭受直接雷击，全部雷电流都需要经过设备或线路进入大地，巨大的雷电流给设备和线路造成巨大的冲击，进而带来严重雷击事故的发生。当雷击放电时，雷云与大地之间的电流，在雷电周围形成强大的电磁场，在电磁感应的作用下对保护物产生感应过电压，其电压幅值与雷电流幅值成正比。这种雷电压既会造成对人体的二次放电，还会给电力系统以及设备造成重大破坏。
1.2 电力系统的电磁干扰
雷电是电磁干扰的外部来源之一，其传播途径有传导干扰和辐射干扰两种，传导干扰借助干扰源和被干扰设备之间的公共阻抗传播，辐射干扰借助电磁波实现传播。当然，辐射干扰与传导干扰二者之间是可以相互转换的，如：雷电的泄放也就是传导干扰与辐射干扰的相互转换，如图2所示。
图2 雷电流侵入导线回路
2水利电力自动化系统防雷措施
2.1 一般设备房的三级防雷系统
一级防雷：在靠近动力电源输入线的输入端安装气体放电管，利用这些防雷装置将数万伏的电压降到五千伏以内，使得通过线路的直击雷、感应雷、传导雷等的电压有效降低，对电气系统实现第一层输入端的防雷保护。
二级防雷：将低压避雷器安装在与气体放电管相距10m以上的位置，进一步降低雷电过电压，使其降到两千伏以内。
三级防雷：在电子控制系统附近安装齐纳二极管或低通滤波器，起到控制雷电流幅值的效果，对前面两级防雷系统控制后的雷电压进行进一步衰减和处理，对设备房起到良好的防雷保护效果，以免雷击对设备房产生重大破坏，保证水利工程的电气自动化系统能正常稳定运行。
2.2 接地和屏蔽
合理的接地是电气自动化系统防雷的最终措施，切不可掉以轻心。接地的作用就是完成雷电压的泄放。在水利工程中，构筑物、配电系统、强电设备、计算机自动监控系统等都需要合理的接地，否则的话就可能使雷击通过接地网对电气系统造成严重反击。接地的关键点在于接地电阻，应在经济合理的前提下尽量降低接地电阻。水利工程的泵站、涵闸中控室、控制设备等动力装置的接地系统应与防雷系统连接起来，在中控室敷设均压带，并围绕机房敷设一个环形接地母线，对于需要另设接地网的电气设备，其接地网与工程接地网之间运用放电器连接起来，既保证雷击时的均衡电位，又保证正常运行时的相互隔离。
用带屏蔽层的双绞屏蔽电缆作为自动化控制系统的通电气自动化系统中的部分设备对屏蔽的要求较高时，需要辐射金属屏蔽网，将屏蔽网与接地母线的各个节点连接起来。站内终端杆引信信号电缆，分开排放强电导线与通信信号线，保证电缆屏蔽层的接地只有一点。当下后的架空电力线选用屏蔽电缆，且保证屏蔽层两端的合理接地。
2.3 二次回路过电压保护措施
电气自动化系统中的遥测通道需要采集大量的模拟量，这些模拟量来自一次系统的电压互感器和电流互感器；采集的开关量则是断路器、隔离开关等，这些均处于强电回路，电磁干扰非常强，必须通过耦合元件、继电器、隔离变压器等实现隔离。采用隔离变压器时，在一次隔离变压器与二次之间设置隔离层或是屏蔽层，且保证隔离层的安全接地，起到电场屏蔽隔离的效果。采用耦合元件时，在开关量模块的出入口各设置一级光电隔离，提高隔离效果。二次回路布线时，先设置隔离层，以免互感耦合产生，避免干扰的侵入。由于避雷针、避雷器、电容式电压互感器等位置是高频暂态电流的入接点，故而应时控制电缆尽可能的远离他们，从而起到减少感应耦合的作用。
2.4 抗干扰措施
首先，选用抗干扰性能优良的设备，比如：用带光电隔离的长线收发器来取代传送RS-232数字信号的调制解调器。调制解调器的输入输出端元件为音频变压器，它能实现低频与直流信号的电气隔离，但对高频信号却起不到多大作用，而雷电对设备产生的干扰为高频信号，所以，调制解调器的防雷效果不好。带光电隔离的长线收发器对所有的信号都有良好的电气隔离效果，故而选其取代调制解调器能起到优良抗雷击效果。
其次，合理安排自动化设备的位置。水利水电工程的电气自动化系统中的自动化设备多安装在高压室中，通过RE-485等实现与服务器的通信连接，因此，系统运行过程中容易受到电磁干扰，严重时对系统产生严重危害，因此，我们一般在主控室中集中组屏，减少干扰源，为设备的运行提供优质环境。
2.5 选用瞬态电压抑制器-TVS管
瞬态电压抑制器能对瞬态电压产生一个强大的反瞬态电压冲击，将其两极间的高阻抗转变成低阻抗，吸收浪涌脉冲回路，保护线路上的精密元件，使其免受浪涌脉冲的影响。将TVS管安装在电源线上，防止微机处理器因瞬间的脉冲造成失灵情况。将TVS管安装在信号线上，能减少控制总线受到的噪音影响，对保护装置免受雷电等电磁波干扰的效果非常好，是微电子设备过电压保护的首要器件。正是由于TVS管具有瞬态功率大、抗干扰性好、漏电流低、体积小等优点，其在水利电力系统中得到广泛应用。
2.6 综合防雷措施
在水利水电工程的电气自动化系统中，防雷系统应遵循“整体防御、综合治理、多重保护”的原则，除了采用前面说到的几点防雷措施外，还要注意避雷器的安装使用，在配电变压器的高低侧安装金属氧化避雷器，对控制线、通讯线等安装过电压保护，做好建筑和电气设备的防雷接地，提高电气自动化系统的防雷水平。
结束语
降低雷电对水利电力设备的损坏程度，最佳方式是减少雷击情况，虽然说在设计电气自动化系统时无法预测雷云可能击打的位置以及时间，但是我们可以在综合分析的基础上做好系统的防雷工作，能地埋的线路绝不架空，能不抬高的设备绝不抬高，能安装在室内的设备绝不安装在室外。尽量减少雷云直接击打设备、线路情况的发生，提高电气自动化系统的安全度，使水利电力自动化系统发挥更好效益，促使水利电力系统安全稳定运行。
参考文献：
[1]李宏伟.县级变电自动化系统防雷措施应用探讨[J].农村电气化，2008（S1）：77-79.
[2]吴琳.制水厂自动化系统防雷设计[J].冶金动力，2008（5）：87-88.
[3]冯晶，贾斌.水利工程电气自动化系统防雷措施分析[J].商品与质量·建筑与发展，2013（9）：596.
摘要：水利电力系统的正常运行关系到千千万万老百姓的生命财产安全。为保证其大型设备的安全运行，尤其是在雷雨频发季节的安全可靠运行，必须努力提高电气自动化系统的防雷等级。本文结合多年的实践经验，在簡单介绍瞬间过电压和电磁干扰的基础上介绍几点防雷保护措施，供同行参考。
关键词：防雷；电气自动化；瞬间过电压；接地
电气自动化技术的发展使其在电力系统、民用建筑、水利工程等领域的运用越来越广泛，越来越多的水利电力建立起自动化监测系统，及时为水利电力的管理提供监测信息，有效提高了水利电力的管理水平，在推动水利电力系统安全运行上起到重要作用。因此，必须构建高质量的水利水电工程电力自动化系统，保证其安全运行。水利电力系统多建立在山区，在雷雨天气里很容易发生雷击事故，所以必须重视自动化系统的防雷保护。
1 水利电力自动化系统瞬间过电压
1.1 雷电造成的瞬间过电压
瞬间过电压即指：微秒乃至毫微秒之内产生的尖峰冲击电压，如图1所示。这种尖峰冲击电压与一般的电源过电压有所不同，因为电源过电压可能维持数秒以上，且电压幅值不大，而这种尖峰冲击电压的幅值非常高可能发生在电源系统和信号系统中。
图1 瞬间过电压
雷电、静电、辐射等自然因素和人为因素都可能导致瞬间过电压的产生，而雷电造成的瞬间过电压极有可能导致电气系统事故。当设备或电气线路遭受直接雷击，全部雷电流都需要经过设备或线路进入大地，巨大的雷电流给设备和线路造成巨大的冲击，进而带来严重雷击事故的发生。当雷击放电时，雷云与大地之间的电流，在雷电周围形成强大的电磁场，在电磁感应的作用下对保护物产生感应过电压，其电压幅值与雷电流幅值成正比。这种雷电压既会造成对人体的二次放电，还会给电力系统以及设备造成重大破坏。
1.2 电力系统的电磁干扰
雷电是电磁干扰的外部来源之一，其传播途径有传导干扰和辐射干扰两种，传导干扰借助干扰源和被干扰设备之间的公共阻抗传播，辐射干扰借助电磁波实现传播。当然，辐射干扰与传导干扰二者之间是可以相互转换的，如：雷电的泄放也就是传导干扰与辐射干扰的相互转换，如图2所示。
图2 雷电流侵入导线回路
2水利电力自动化系统防雷措施
2.1 一般设备房的三级防雷系统
一级防雷：在靠近动力电源输入线的输入端安装气体放电管，利用这些防雷装置将数万伏的电压降到五千伏以内，使得通过线路的直击雷、感应雷、传导雷等的电压有效降低，对电气系统实现第一层输入端的防雷保护。
二级防雷：将低压避雷器安装在与气体放电管相距10m以上的位置，进一步降低雷电过电压，使其降到两千伏以内。
三级防雷：在电子控制系统附近安装齐纳二极管或低通滤波器，起到控制雷电流幅值的效果，对前面两级防雷系统控制后的雷电压进行进一步衰减和处理，对设备房起到良好的防雷保护效果，以免雷击对设备房产生重大破坏，保证水利工程的电气自动化系统能正常稳定运行。
2.2 接地和屏蔽
合理的接地是电气自动化系统防雷的最终措施，切不可掉以轻心。接地的作用就是完成雷电压的泄放。在水利工程中，构筑物、配电系统、强电设备、计算机自动监控系统等都需要合理的接地，否则的话就可能使雷击通过接地网对电气系统造成严重反击。接地的关键点在于接地电阻，应在经济合理的前提下尽量降低接地电阻。水利工程的泵站、涵闸中控室、控制设备等动力装置的接地系统应与防雷系统连接起来，在中控室敷设均压带，并围绕机房敷设一个环形接地母线，对于需要另设接地网的电气设备，其接地网与工程接地网之间运用放电器连接起来，既保证雷击时的均衡电位，又保证正常运行时的相互隔离。
用带屏蔽层的双绞屏蔽电缆作为自动化控制系统的通电气自动化系统中的部分设备对屏蔽的要求较高时，需要辐射金属屏蔽网，将屏蔽网与接地母线的各个节点连接起来。站内终端杆引信信号电缆，分开排放强电导线与通信信号线，保证电缆屏蔽层的接地只有一点。当下后的架空电力线选用屏蔽电缆，且保证屏蔽层两端的合理接地。
2.3 二次回路过电压保护措施
电气自动化系统中的遥测通道需要采集大量的模拟量，这些模拟量来自一次系统的电压互感器和电流互感器；采集的开关量则是断路器、隔离开关等，这些均处于强电回路，电磁干扰非常强，必须通过耦合元件、继电器、隔离变压器等实现隔离。采用隔离变压器时，在一次隔离变压器与二次之间设置隔离层或是屏蔽层，且保证隔离层的安全接地，起到电场屏蔽隔离的效果。采用耦合元件时，在开关量模块的出入口各设置一级光电隔离，提高隔离效果。二次回路布线时，先设置隔离层，以免互感耦合产生，避免干扰的侵入。由于避雷针、避雷器、电容式电压互感器等位置是高频暂态电流的入接点，故而应时控制电缆尽可能的远离他们，从而起到减少感应耦合的作用。
2.4 抗干扰措施
首先，选用抗干扰性能优良的设备，比如：用带光电隔离的长线收发器来取代传送RS-232数字信号的调制解调器。调制解调器的输入输出端元件为音频变压器，它能实现低频与直流信号的电气隔离，但对高频信号却起不到多大作用，而雷电对设备产生的干扰为高频信号，所以，调制解调器的防雷效果不好。带光电隔离的长线收发器对所有的信号都有良好的电气隔离效果，故而选其取代调制解调器能起到优良抗雷击效果。
其次，合理安排自动化设备的位置。水利水电工程的电气自动化系统中的自动化设备多安装在高压室中，通过RE-485等实现与服务器的通信连接，因此，系统运行过程中容易受到电磁干扰，严重时对系统产生严重危害，因此，我们一般在主控室中集中组屏，减少干扰源，为设备的运行提供优质环境。
2.5 选用瞬态电压抑制器-TVS管
瞬态电压抑制器能对瞬态电压产生一个强大的反瞬态电压冲击，将其两极间的高阻抗转变成低阻抗，吸收浪涌脉冲回路，保护线路上的精密元件，使其免受浪涌脉冲的影响。将TVS管安装在电源线上，防止微机处理器因瞬间的脉冲造成失灵情况。将TVS管安装在信号线上，能减少控制总线受到的噪音影响，对保护装置免受雷电等电磁波干扰的效果非常好，是微电子设备过电压保护的首要器件。正是由于TVS管具有瞬态功率大、抗干扰性好、漏电流低、体积小等优点，其在水利电力系统中得到广泛应用。
2.6 综合防雷措施
在水利水电工程的电气自动化系统中，防雷系统应遵循“整体防御、综合治理、多重保护”的原则，除了采用前面说到的几点防雷措施外，还要注意避雷器的安装使用，在配电变压器的高低侧安装金属氧化避雷器，对控制线、通讯线等安装过电压保护，做好建筑和电气设备的防雷接地，提高电气自动化系统的防雷水平。
结束语
降低雷电对水利电力设备的损坏程度，最佳方式是减少雷击情况，虽然说在设计电气自动化系统时无法预测雷云可能击打的位置以及时间，但是我们可以在综合分析的基础上做好系统的防雷工作，能地埋的线路绝不架空，能不抬高的设备绝不抬高，能安装在室内的设备绝不安装在室外。尽量减少雷云直接击打设备、线路情况的发生，提高电气自动化系统的安全度，使水利电力自动化系统发挥更好效益，促使水利电力系统安全稳定运行。
参考文献：
[1]李宏伟.县级变电自动化系统防雷措施应用探讨[J].农村电气化，2008（S1）：77-79.
[2]吴琳.制水厂自动化系统防雷设计[J].冶金动力，2008（5）：87-88.
[3]冯晶，贾斌.水利工程电气自动化系统防雷措施分析[J].商品与质量·建筑与发展，2013（9）：596.