淺談電力系統的安全防雷


近年來，隨著電子技術的飛速發展，自動控制系統在電力生產各個方面的使用越來越廣，電力職工在受益于微電子技術的極大方便的同時，也受到其一旦損壞就損失巨大的困擾。實際上，在電力系統增加自動控制系統的時候，對自動控制系統的安全防雷意識相對淡薄，一旦有雷電波侵入，設備損壞一般是巨大的，有的甚至使整個系統癱瘓，造成無可挽回的損失。

1 雷擊產生的原因

　　雷擊是一種自然現象，它能釋放出巨大的能量、具有極強大的破壞能力。一直以來，致力于電力生產和電力設備研究的人員通過對雷擊破壞性的研究、探索，對雷電的危害采取了一定的預防措施，有效地降低了雷害。
　　當雷電放電路徑不經過防雷保護裝置時，放電過程中產生強大的瞬變電磁場在附近的導體中感應到強大的電磁脈沖，稱感應雷。感應雷可通過兩種不同的感應方式侵入導體。一種是在雷云中電荷積聚時，附近導體會感應相反的電荷，當雷擊放電時，雷云中電荷迅速釋放，而導體中的靜電荷在失去雷云電場束縛后也會沿導體流動尋找釋放通道，就會在電路中形成靜電感應，其次是在雷云放電時，迅速變化的雷電流在其周圍產生強大的瞬變電磁場，附近的導體中就會產生很高的感生電動勢，在電路中形成電磁感應，感應雷沿導體傳播，損壞電路中的設備或設備中的器件。信息系統中系統接口多，線路長，給感應雷的產生、耦合和傳播提供了良好環境，而信息系統設備隨著科技的發展，集成度越來越高，抗過電壓能力越來越差，極易受感應雷的襲擊，并且損害的往往是集成度較高的系統核心器件，所以更不能掉以輕心，感應雷可以來自云中放電，也可以來自對地雷擊。而信息系統與外界連接有各種長距離電纜可在更大范圍內產生感應雷，并沿電纜傳入信息系統。所以防感應雷是電力系統特別是微電子技術應用比較廣泛的變電站綜合自動化系統內，因而信息系統防雷是電力系統保證安全的重點。

2、電力系統高壓電力裝置防雷技術

2.1 原始的高壓防雷技術

　　電力裝置在其發展使用初期大都是通過裸導線架空線路輸電，架空導線一般在離地面6～18m的空間，通過雷電入侵波產生的雷電過電壓使線路或設備絕緣擊穿而損壞。當時人們通過在線路或設備上人為地制造絕緣薄弱點即間隙裝置，間隙的擊穿電壓比線路或設備的雷電沖擊絕緣水平低，在正常運行電壓下間隙處于隔離絕緣狀態，當雷電發生時強大的過電壓使間隙擊穿，從而產生接地保護，起到保護線路或設備絕緣的作用。

2.2 間隙保護技術：間隙保護就是線路大體的兩極由角形棒組成，一極固定在絕緣件上連接帶電導線，而另一極接地，間隙擊穿后電弧在角形棒間上升拉長，當電弧電流變小時可以自行熄弧，間隙保護技術的缺點是當電弧電流大到幾十安以上時就沒法自行熄弧，雷電過電壓時，單相、兩相或三相間隙都可能擊穿接地，造成接地故障、兩相或三相間短路故障，以致線路電源斷路器保護動作分閘。

2.3 管型避雷器技術：管型避雷器技術是利用一種具有噴氣熄弧功能的間隙裝置，此裝置有內外兩個間隙，外間隙類似保護間隙，兩極均固定在絕緣件上，內間隙置于避雷器管內，當雷電過電壓內外間隙擊穿時，雷電流和工頻短路電流經管內壁接地，管壁物質受熱氣化，有較大壓力氣體經內間隙噴出管外，強制間隙熄弧。管型避雷器技術也存在很多的缺點：此裝置的的選用受安裝地點的限制，其次還受線路最大、最小短路電流的制約，最大短路電流大于避雷器的斷流上限時避雷器會爆炸；短路電流小于避雷器的斷流下限時就不能熄弧，避雷器可能燒壞。另外管型避雷器多次動作后，管內徑會逐漸增大，熄弧能力會下降甚致消失。

3. 新型防雷技術的應用

　　間隙保護技術和管型避雷器技術都是靠間隙擊穿接地放電降壓來起到保護的作用，以上兩種防雷技術往往會造成接地故障或相間短路故障，不能達到科學合理的保護作用。目前在電力系統中防雷保護僅將它們用于輸電線路防雷，同時為了盡量減少線路停電事故，與自動重合閘裝置配合使用。更為科學合理的防雷措施是閥型避雷器技術，是目前電力高壓防雷最為普遍的電氣設備防雷技術。其原理是在過電壓下自動開閘泄流降壓，恢復運行電壓時閉閘斷流，這種保護作用是靠避雷器內電阻元件的限流限壓作用實現的，過電壓下電阻元件可將雷電流限制在5kA內，殘壓限制在設備的雷電沖擊絕緣水平以下；有些電阻元件在運行電壓下仍有續流通過，長時間續流會使管型避雷器損壞，故一般需加串聯間隙隔離運行電壓，并靠間隙滅弧和切斷續流。閥型避雷器突出優點是避雷器的電阻元件可避免電力系統直接接地或相間短路故障，其保護作用不會影響電力系統的正常安全運行。


3.1 碳化硅避雷器技術：碳化硅避雷器結構為將間隙和若干片SiC閥片壓緊密封在避雷器瓷套內，保護作用是利用SiC閥片的非線性特性，在過電壓下電阻變得很小，可大量泄放雷電流限制殘壓，而在雷電壓過去后電阻自動增大，限制續流在幾十安內，使間隙能滅弧和斷流。碳化硅避雷器技術是現行防雷技術中主要的防雷電器。

3.2 氧化鋅避雷器：氧化鋅避雷器簡稱MOA, 與傳統的碳化硅避雷器相比，MOA具有保護特性好，通流能力大，耐污能力強，結構簡單，可靠性高等特點，能對輸變電設備提供最佳保護。

　　碳化硅避雷器技術在防雷性能上有其突出的優點被電力系統高壓設備廣泛采用，但也存在著一定的缺點：一是只有雷電最大幅值限壓保護功能，而無雷電陡波保護功能，防雷保護功能不完全；二是沒有連續雷電沖擊保護能力；三是動作特性穩定性差可能遭受暫態過電壓危害；四是動作負載重使用壽命短等。這些潛在的缺點已暴露出碳化硅避雷器在使用的過程當中存在影響電力安全的隱患性且其產品技術也比較落后。氧化鋅避雷器按外殼材料分為瓷套式、罐式、復合外套式三大類；按使用場所分配電、電站、線路、并聯補償電容器、變壓器和電機中性點、發電機和電動機保護用六大類，氧化鋅避雷器技術在繼承了碳化硅避雷器技術的基礎上，無論是在設計的思想上，還是在產品功能的完善上都是世界公認的當代最為先進防雷電器。氧化鋅避雷器的結構為將若干片ZnO閥片壓緊密封在避雷器瓷套內。ZnO閥片具有非常優異的非線性特性，在較高電壓下電阻很小，可以泄放大量雷電流，殘壓很低，在電網運行電壓下電阻很大很大，泄漏電流只有50～150μA，電流很小可視為無工頻續流，這就是作成無間隙氧化鋅避雷器的原因，其突出優點是它對雷電陡波和雷電幅值同樣有限壓作用，防雷保護功能完全。

　　我國最先生產使用的是無間隙氧化鋅避雷器，經過長期的運行實踐，發現它有損壞爆炸率高，使用壽命短等缺點，原因是暫態過電壓承受能力差是其致命弱點。而串聯間隙氧化鋅避雷器仍有無間隙氧化鋅避雷器的保護性能優點，同時有暫態過電壓承受能力強的特點，是一種理想地揚長避短產品，結合國情在3～ 35kV系統串聯間隙氧化鋅避雷器才是當代最先進防雷電器。

4 電力系統弱電裝置防雷技術

4.1雷擊的形成及入侵途徑

4.1.1雷擊形成主要有兩種形式：直接雷擊和感應雷擊

　　直接雷擊是指雷電直接作用在物體上，產生電能效應、熱效應和機械力等對物體造成危害。
感應雷擊是指雷電放電時，在附近導體上產生的靜電效應和電磁感應，由此產生的放電效應使使金屬部件之間產生火花，稱之為感應雷擊。

4.1.2感應雷擊的入侵途徑有以下幾種

　　變電站的避雷針的二次感應產生的雷擊效應,產生的雷電電流經過避雷針導地時感應到市內的傳輸線上。對于老式的通訊設備來講,它們的構造大都是由電子管、晶體管向集成電路過渡的。由于電子管、晶體管等相對對立,因而耐沖擊能力較強，因此二次雷擊效應對電子管、晶體管通訊設備不會造成太大損害。對于集成化程度較高的微電子設備，其耐沖擊能力差，受雷擊更易使微電子設備受到損壞。

　　通過電源線、信號線或天線饋線引入的感應雷擊通過電磁感應耦合到各類傳輸線而破壞設備。電源線引入感應雷擊。變電站內設置的微波通信基站的供電線路大多采用架空明線。試驗表明，雷電頻譜在幾十MHz以下頻域，主要能量集中分布在工頻附近。因此，雷電與市電相耦合的概率很高，容易造成通信線路及通信串口燒壞。為了擴大信號覆蓋范圍，就要盡可能地增加天線架設高度（65m以上的鐵塔約占50%）。但是，在提高信號覆蓋范圍的同時，也增加了鐵塔引雷的概率。

4.2外部防護：外部防護是指對安裝弱電設備的建筑物本體的安全防護，可采用避雷針、分流、屏蔽網、均衡電位、接地等措施，這種防護措施比較常見，相對來說比較完善弱電設備的外部防護首先是使用建筑物的避雷針將主要的雷電流引人大地；其次是在將雷電流引人大地的時候盡量將雷電流分流，避免造成過電壓危害設備；第三是利用建筑物中的金屬部件以及鋼筋可以作為不規則的法拉第籠，起到一定的屏蔽作用，如果建筑物中的設備是低壓電子邏輯系統、遙控、小功率信號電路的電器，則需要加裝專門的屏蔽網，在整個屋面組成不大于5m－5m，6m－4m的網格，所有均壓環采用避雷帶等電位連接；第四是建筑物各點的電位均衡，避免由于電位差危害設備；第五是保障建筑物有良好的接地，降低雷擊建筑物時接點電位損壞設備

4.2.1電力系統綜合自動化變電站的局域網的安全防雷保護從機房到各保護裝置的通信線，如果采用架空線路，則易受到雷擊，應在進機房前改為埋地電纜，電纜長度應大于50m，其金屬外護層應在兩端分別與機房地網連接，采用非金屬護套電纜時，應穿金屬管埋地，至少金屬管兩端同樣應接地，金屬管全長應保持電氣連接。

4.2.2 電力系統綜合自動化變電站監控機房及通信機房的安全屏蔽措施

　　屏蔽是利用各種金屬屏蔽體來阻擋和衰減施加在計算機等設備上的電磁干擾或過電壓所產生的巨大能量。對計算機系統來說具體可分為建筑物屏蔽、設備屏蔽和各種線纜包含管道的屏蔽。建筑物的屏蔽可利用建筑物鋼筋、金屬構架、金屬門窗、地板等均相互焊接或可靠連接在一起，形成一個法拉第籠保護，并通過接地網可靠的電氣連結，形成初級屏蔽網。設備的屏蔽應該對計算機設備耐電壓能力進行嚴格且嚴密的調查，按IEC劃分的防雷區（LPZ）施行多級屏蔽。屏蔽的效果首先取決于初級屏蔽網的衰減程度，其次取決于屏蔽層厚度，厚度最科學的標準為接近電磁波的波長，使電磁波在到達機房內部時消減到最小程度，材料為密度大而且可靠程度高的網孔密度屏蔽材料，但以上必須按信號頻率而定，低頻時采用高導磁材料，高頻時采用銅材，鉛材為宜。特別注意的是在雷雨天氣里，屏蔽中要注意對各種“洞”的密封，除門窗外，重點對入戶的金屬管道、通信線路，電力線纜入口作好屏蔽，各種線纜均要 采取屏蔽措施，金屬絲紡織網、金屬軟導管、硬導管、棧橋均可用于屏蔽線纜。在此強調二點注意事項。其一是屏蔽管線的接地，一般要求入戶線采用地下電纜入戶，其電纜金屬護層，在前后兩端做良好接地。測量結果表明，電線電纜屏蔽層一端接地時可將高頻干擾電壓降低一個數量級，兩端接地時可降低兩個數量級。其二是使用金屬絲編制網屏蔽電纜，因其重量輕，使用方便而被廣泛應用，但是在電磁波頻率較高時，其波長接近編織層網孔尺寸時，波的透入增 加，因此，最好再穿一層金屬管。

4.3電力系統二次保護系統的等電位連接是安全防雷的重要措施

　　等電位連接是IEC標準中指出內部防雷措施的一部份，其目的在于減少雷電流所引起的電位差對設備的危害。所謂等電位連接就是用連接導線或過電壓電涌保護器，將處在需要防雷的空間內的防雷裝置和建筑物的金屬構架、金屬裝置、外來導線、電氣裝置、電信裝置等連接起來，形成一個等電位連接網絡，以實現均壓等電位。

4.4 變電站實施等電位連接的浪涌保護器，IEC標準將需要保護的空間劃分為不同的防雷區，以規定各部份空間不同的LEMP的嚴重程度和指明各區交界處等電位連接點的位置。以往的規程要求電子設備單獨接地，這種接地稱為直流工作地或信號地、邏輯地，它實質上是高頻信號的接地。單獨信號地的目的是為了防止地網中雜散電流或暫態電流干擾設備的正常工作，有時也過分強調要求接地電阻的低值。

4.5 儀器儀表雷擊的防護：防范電子設備不受雷擊，首先應保證設備所處的建筑物有完善的避雷設施，以及確保電力供電系統避雷措施完備（在發電廠、變電站中要保證高低壓配電系統避雷良好）。其次由于電子設備工作電壓低，抵抗過壓能力弱，所以必須重點考慮防范感應雷擊。目前感應雷擊的防護主要采用感應雷擊防護器，或對可能感應到雷擊的導線加以屏蔽，一般雷擊侵入途徑是由電源線或信號線入侵，因此雷擊防護就是要在雷電的進入端將其瀉放到大地，從而保護設備。同時還有一種情況感應到雷擊，就是避雷裝置引下線與儀器設備的電源線或信號線相距太近且平行而通過電磁感應引發雷擊，此種雷擊的避免則應通過合理布線來解決，即在有關儀器儀表布線時按標準進行合理的綜合布線。在此方面，根據筆者經驗，對于儀器儀表的感應雷擊防護，若設備所處環境存在雷擊可能，則應給予全面保護，否則往往就有漏保的可能。除了一般注重電源線的防護外，特別不能忽視信號線防雷，對于裝設于戶外的電子設備或線路，必須對有關線路采取兩端保護或多點保護方式。對于重要線路，如有可能盡量采用穿金屬管埋地方式敷設，以形成線路屏蔽，減少感應雷擊。

5電力系統雷擊防護器的工作原理

　　電力系統目前的防雷器多采用兩種工作方式：開路方式與短路方式。開路方式是指在防雷器遇到瞬間過電壓時開路從而隔離設備，如隔離變壓器、電感器、光隔離器類防雷器便是采用此種原理。短路方式是指在防雷器遇到瞬間過電壓時對地短路使雷電流導入大地，從而保護電子設備。由于短路方式防雷器本身承受反壓低，設備經濟簡單，所以應用比較廣泛。其保護原理（見圖一），短路方式防雷器多為一個或幾個功能模塊的組合，由于各個模塊對雷擊防護性能有一些區別，所以在選擇避雷器時最好有所了解。其中抑制二極管及限流電阻模塊可精密控壓，但泄流較小；壓敏電阻模塊啟動電壓低、啟動快，但同樣泄流小，過載能力低；氣體放電管模塊泄流大，但啟動電壓較高。此外為防止較大過電壓沖擊。

6新形勢下的現代防雷技術及改革

　　現行過電壓保護規范GBJ64－83和電力行標準DL/T620－1997，對高壓電力裝置的防雷保護規定的特征是“在電力系統中各種防雷器件，不分優劣兼容并用，實際使用以碳化硅避雷器為主”。其保護模式是系統中保護間隙或管型避雷器、閥型避雷器并用，其技術水平是只注重雷電幅值限壓保護，存在防雷保護功能不完全，保護性能不完善等缺點，防雷技術水平落后。我們必須認識：改革、發展、進步是新世紀時代科學技術發展趨向，現行防雷技術有必要技術改革，新的防雷技術應體現“在防雷器件中，淘汰落后，推廣科學合理，技術先進，普遍推廣使用串聯間隙氧化鋅避雷器”，防雷技術改革的核心問題是推廣先進技術，只有使用先進、科學合理的防雷電器，才能將電力系統的安全防雷作好，使系統的設備在更為安全可靠的環境下更加經濟有效的工作。提高防雷技術水平的具體的技術要求一般應同時具有以下要求或特征：

（1） 具有完全的防雷功能，即對雷電陡波和雷電幅值同樣有限壓保護作用；

（2） 防雷保護作用不會造成電力網接地故障或相間短路故障，是保證電力網正常、安全運行的重要要求；

（3） 防雷保護作用不應有短路電流或工頻續流等工頻能源浪費；

（4） 動作特性應具有長期運行穩定性，免受暫態過電壓危害；

（5） 應具有連續雷電沖擊保護能力；

（6） 應有較小的外形尺寸，小型化輕量化更便于室內手車柜使用。