水電站自動化系統防雷設計探究

楊志強

元江縣水利水電勘測設計院 云南省 玉溪市 元江縣 653300

摘要：隨著我國科技和經濟的不斷發展，在用電上也越來越自動化，在科學技術進步的同時，我國多種類型的水電站都引入了微型計算機控制的自動化系統。這些計算機控制的水電站設備由于采用高度的集成單元和電路，對于短時過電壓的設備承受承受能力較低，成為了水電站受損的主要原因。本篇文章主要分析了在水電站自動化系統中出現的雷電干擾的主要方式，并且提出了自動化系統中防雷電的措施和方法，以供參考。

關鍵詞：水電站；自動化系統；防雷設計；探究

我國實際測量到的雷電最大流量為200kA/s，通常情況下雷電流量是低于100kA/s的，這么大的電流無論是對于高層的建筑結構還是水電站設備，都會對供電設備造成干擾現象。為了保證水電站可靠、安全運行，除了在水電站軟件、硬件等方面采用可靠的防雷設備，還要針對水電站自身的情況，進行防雷設計。

一、雷電干擾水電站自動化系統的主要方式

雷電災害的特征是由二維空間向三維空間入侵，從過電壓波到內電擊沿線路傳輸，變為空間閃電中的脈沖電磁場，使雷電從三維空間中擊入到每一個部分，對水電站造成嚴重損壞，水電站的防雷干擾從感應雷、直擊雷轉換為防止雷電電磁脈波的沖擊[1]。

（一）從電源線路中侵入

雷電干擾進入電源線路設備的主要方式有：電容耦合、電磁耦合以及直接進入三種方式。

1、電容耦合

電容耦合就是當電源線路的距離和其它供電設備的導線距離很近時，雷電沿著線路進入到電源設備后，電源導線的電場通過電容耦合效應對水電站附近的供電設備線路產生電容感應，電容耦合的線路情況如下圖所示：

電容耦合線路類型

2、電磁耦合

在用電裝置、電氣設備和電子設備中，為了方便固定和檢查，通常會把各種連接的導線捆扎成電纜，電纜內存在著不同程度的電磁耦合。當雷電沿著電源線進行傳播時，依據耦合感應的原理可以知道：電源線和其它的設備相互連接時，各個導線之間有磁場耦合，嚴重的時候可以導致各個設備之間遭到干擾，致使線路的性能降低或者不能正常工作[2]。

3、直接進入

直接進入是雷電直接把電源線擊中，通過所有的電源進入到二次供電回路中，雷電產生的高壓會給供電線路帶來致命的損壞，例：以最大的雷電電流量100Ka/ms計算，在長十米的單根引線上，電感電壓將會達到1MV之上[3]。實際情況下，因為有電暈帶來的損耗，會適當的降低電壓，但是雷電也會直接的損毀水電站中大部分供電設備。

（二）從地電位中侵入

當雷電電擊經過避雷器或者避雷針的接地引下線進入到水電站中，水電站中控室的接地網再次經過接地網地面時，因為息電位的分布不均勻，就會導致接地網局部會升高電位，而地網旁的電纜通常情況下會有控制、通信、計量或者二次保護等供電設備的弱壓電纜，這個電位差會在電纜的屏蔽層內出現表皮電流，表皮電流通過芯線（屏蔽層中的耦合）對電纜芯線出現的干擾電壓，對二次供電設備造成干擾[4]。由于干擾方式不同，干擾的類別可分為差模干擾和共模干擾。出現差模干擾是正常信號和信號回路中電壓相互串聯的一種磁場耦合。出現工模干擾是由于電纜的導線（電源線、信號線）和地線中的干擾造成的，通常情況下是因為地網中的地電結升高導致的。

雷電的放電參數有兩個：第一個是雷電流起到了主要的破壞作用，電流是幾十安至數百安，而且作用的時間極短，第二個是和雷電電流的上升速度有關，在一般情況下被稱為陡度，數值在1至80KA之間。雷電對于水電站中供電設備的影響是兩個或以上的放電特征引起的，可以分為感應雷影響和直擊雷影響。

感應雷對水電站供電設備的不利因素主要為：雷電反擊、電磁感應、靜電感應等破壞作用。直擊雷影響對水電站供電設備的不利影響主要是雷電沖擊波破壞供電設備、熱效應破壞供電設備、電效應破壞供電設備。

二、水電站供電設備防雷設計研究

（一）通訊線防雷

水電站自動化控制系統的通訊線通常情況下使用特制的屏蔽線，而且在安裝的時候都是電纜溝或者穿管直埋進行鋪設，因此在雷電擊害時對于此部分的電壓感應不高。但是因為是直接埋入的，是計算機通訊口的薄弱環節，所以遭受的損壞也會比較大。通訊頻率或者計算機交換數據都是直流到數十赫茲流量，在選取避雷器的時候除非要做特殊的處理，通常情況下是不使用氧化物的避雷器的，由于氧化物避雷器分布電容比較大，所以對高頻供電設備的損壞也比較大。在選取此種類型的避雷器時，要以速率或者通信頻率來確定，對高頻訊號設備要使用特殊設計的防雷器保證與該系統阻抗相互對應，否則會出現信號反射現象。選擇避雷器應該接近通訊的接口處進行安裝工作，主要目的是減少反射損耗，網絡通訊線路最好的防雷方式是使用光纖網絡。

（二）建筑物控制室防雷

控制室是控制供電設備的信息中心，很多有價值的儀器儀表、通訊設備、計算機設備，是水電站的調度、生產監控中心，所以對于防雷的要求要更高。控制室內應該敷設均勻壓帶并且圍繞供電機房敷設環形的接地母線，主要目的是形成均壓等電位屏蔽[5]。有控制室的建筑物應該安裝避雷網和避雷帶，僅安裝避雷針在水電站中防雷中的效果并不佳，由于水電站控制室內的建筑物高度較低，所以地勢比較寬曠，接近水源，容易受到來自各個方向的雷電擊害。控制室所在的建筑物接地線組應該小于10歐。室內控制室的設備、計算機應該盡量的放置在遠離避雷針導線金屬體的地方。

（三）防止地電位干擾

為了可以減少由于雷電引起的損壞電位差，防止雷電干擾的方法有：金屬屏蔽接地、等電位連接、升高局部電位等。

現代的防雷理論主要是使用等電位連接，水電站自動化系統可以實現的電位連接主體有：電子設備構成的供電系統、防雷裝置、供電線路、可以進入建筑物內的金屬管道等系統。在防雷設計上應該采取導線連接和線夾在排座連接時地等電位連接，需要的時候可以使用浪涌保護器進行等電位連接[6]。通過星形的結構把設備在最短的時間、距離內連接到相鄰地連接板等電位中。供電設備的外部接地交流電源中性點接地、電纜屏蔽層接地以及直流工作層接地。在同一個屏蔽柜中使用一個公共的接地端子，接地銅線的面積尺寸要超過35毫米。

結語：

綜上所述，本篇文章對現代水電站自動化運營中雷電侵入的方式進行了分析，在水電站自動化的防雷設計中使用合理科學的措施，確保水電站自動化系統的可靠、安全運營。

參考文獻：

[1]李堯生.基于防雷設計的供電調度自動化系統研究[J].電子世界，2014，06：32.

[2]張世中，胡哲.某水電站內部觀測自動化系統防雷措施[J].長江科學院院報，2009，05：31-33+49.

[3]彭沛欣，謝常青，毛琦.水電站監控系統的綜合防雷設計策略[J].水電站機電技術，2009，03：19-21+35.

[4]趙斌，趙志勇，邱小弟，廖占勇，崔崗.小灣水電站安全監測自動化系統的總體設計[J].水電自動化與大壩監測，2009，06：53-57.

[5]孫小江，夏勝春，陶志堅，蔣漢貴.基于IEC61850標準的智能水電站自動化系統設計與應用[J].電工技術，2012，12：59-61.

[6]孫慶鋒，毛良明.盤石頭水庫大壩安全監測系統防雷方案設計[J].水利水電技術，2010，06：35-37.