水電站自動(dòng)化系統(tǒng)防雷設(shè)計(jì)的研究

楊依東

（懷化市水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 湖南懷化 418000）

水電站自動(dòng)化系統(tǒng)防雷設(shè)計(jì)的研究

楊依東

（懷化市水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 湖南懷化 418000）

社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，科學(xué)技術(shù)也越來越發(fā)達(dá)，電力自動(dòng)化的程度不斷提高，微機(jī)控制設(shè)備在眾多的中小型水電站中應(yīng)用也越來越廣泛。本文則先從自動(dòng)化系統(tǒng)受到雷電的干擾的主要途徑進(jìn)行分析，以及自動(dòng)化系統(tǒng)防雷電干擾的主要方法及措施進(jìn)行分析，以期為相關(guān)單位提供參考。

水電站；自動(dòng)化系統(tǒng)；防雷設(shè)計(jì)

引言

防護(hù)工作是中小型水電站自動(dòng)化系統(tǒng)中一項(xiàng)重要的工作內(nèi)容，按照實(shí)際的情況，采取相應(yīng)的措施來解決這些干擾的信號(hào)，對(duì)其傳播進(jìn)行阻礙，或者將其傳播的路徑進(jìn)行切斷，因而做好雷電干擾防護(hù)工作需要從空間和頻域兩方面進(jìn)行。

1 自動(dòng)化系統(tǒng)中雷電干擾的主要途徑

據(jù)有關(guān)部門進(jìn)行的測(cè)量工作來看，我國的雷電電流基本都維持在了100000A左右，有時(shí)還可能超過200000A以上，這樣大的電流量不管是通過避雷針流入大地還是沿著建筑物的鋼筋結(jié)構(gòu)流入大地，都會(huì)經(jīng)過有關(guān)的導(dǎo)線，對(duì)水電站中的自動(dòng)化系統(tǒng)造成干擾。電站自動(dòng)化系統(tǒng)通常實(shí)行的能夠自行配置的結(jié)構(gòu)都是開放式的，因而對(duì)其進(jìn)行布置時(shí)都是分層進(jìn)行布置的，其主要分為兩層，即電站的主控制層和現(xiàn)地控制層兩個(gè)單元。如下所示，即為自動(dòng)化系統(tǒng)中具體干擾途徑：

1.1 通過電源線路入侵

自動(dòng)化系統(tǒng)受到雷電干擾通過電源線路入侵的主要包含三種途徑：①直接進(jìn)入；②電磁耦合；③電容耦合。

（1）所謂的直接進(jìn)入即是指電源直接被雷電擊中，電流會(huì)再次經(jīng)過電源設(shè)備直接進(jìn)入，形成了二次回路入侵，此干擾方式產(chǎn)生的電壓就很高，嚴(yán)重?fù)p害二次設(shè)備的性命，如果雷電電流的陡度按照每毫秒100000A進(jìn)行測(cè)算的話，那么長度為10m的單根引線的引導(dǎo)下，設(shè)備的電感電壓會(huì)達(dá)到1MV，甚至更高。變電站在實(shí)際工作中，由于有電暈消耗存在，產(chǎn)生的電壓會(huì)較低，但對(duì)于變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的打擊卻是致命的。

（2）所謂的電磁藕合是變電站設(shè)備中的一種以及跟變電站有關(guān)的用電裝置，即是為了進(jìn)一步提高檢修的效率，將不同的導(dǎo)線束在一起，而束在一起的導(dǎo)線則會(huì)有耦合感應(yīng)發(fā)生，且這些耦合感應(yīng)大小不一。根據(jù)耦合感應(yīng)的有關(guān)原理，雷電在擊中電源線路或者經(jīng)過地下侵入時(shí)，會(huì)導(dǎo)致電源線跟變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中有關(guān)設(shè)備形成連接的關(guān)系，從而發(fā)生一定的磁場(chǎng)耦合反應(yīng)，程度不一，對(duì)自動(dòng)化系統(tǒng)的正常運(yùn)行造成干擾，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)對(duì)系統(tǒng)的功能造成威脅，降低了系統(tǒng)的運(yùn)行性能。通常在描述耦合時(shí)是以參數(shù)模型作為基礎(chǔ)的，而后再進(jìn)一步簡化電路的理論。

（3）所謂的電容耦合就是電源線路靠近水電站自動(dòng)化系統(tǒng)時(shí)，雷電會(huì)沿著有關(guān)的線路侵入到電源線路，致使電源線路產(chǎn)生電場(chǎng)，這些電場(chǎng)會(huì)通過電容耦合對(duì)自動(dòng)化系統(tǒng)中其余的線路造成感應(yīng)。

1.2 通過地電位反擊引入

無論雷電是經(jīng)過避雷器的接地引下線侵入到水電站的自動(dòng)化系統(tǒng)，再經(jīng)過接地網(wǎng)流入大地，或者是通過構(gòu)架的避雷線侵入到水電站自動(dòng)化系統(tǒng)中，再經(jīng)過接地網(wǎng)流入大地，都會(huì)使得電位發(fā)生較大的異常反應(yīng)，從而導(dǎo)致跟接地網(wǎng)有關(guān)的電網(wǎng)上升特別的迅速，對(duì)水電站自動(dòng)化系統(tǒng)的正常運(yùn)行造成了很大的影響。然而，在水電站的自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中，常會(huì)在將低壓電纜設(shè)置在地網(wǎng)旁邊相應(yīng)的電纜溝里，這些電纜通常都有控制、通信、計(jì)量以及對(duì)電路形成二次保護(hù)的作用，對(duì)于這些由于雷擊而產(chǎn)生的有異常的電位差，會(huì)在電纜的屏蔽層處形成表皮電流，電流的強(qiáng)度十分的高，而后這些電流會(huì)通過屏蔽層和芯線的耦合干擾到電纜芯線的，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)干擾到水電站自動(dòng)化系統(tǒng)的正常運(yùn)行。因而對(duì)于電壓產(chǎn)生的干擾方式的不同，可以將通過地電位反擊引入產(chǎn)生的雷電干擾分為兩種形式，即差模干擾和共模干擾。而雷電電擊的主要參數(shù)一般有兩個(gè)：①從幾十安甚至到幾十萬安不等的雷電流，會(huì)嚴(yán)重破壞水電站的自動(dòng)化系統(tǒng)，盡管這樣類型的破壞事件較短，但破壞的程度卻是很深的，性質(zhì)極其惡劣。②雷電流上升時(shí)的速度即是常說的陡度，當(dāng)值域在1000～80000A/μm之間。上述兩個(gè)放電特性即是雷電對(duì)水電站自動(dòng)化設(shè)備的影響，水電站自動(dòng)化系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中，受到雷電的影響可以分為兩種：①感應(yīng)雷影響，其對(duì)水電站自動(dòng)系統(tǒng)造成破壞一般體現(xiàn)在影響電磁感應(yīng)、雷電反擊以及靜電感應(yīng)等。②直擊雷影響，其對(duì)水電站自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)備造成破壞一般體現(xiàn)在影響雷電流沖擊波、電效應(yīng)、熱效應(yīng)等。

2 自動(dòng)化系統(tǒng)防雷電干擾的主要方法及措施

通過上述對(duì)雷電干擾入侵的途徑進(jìn)行分析后，要對(duì)其提出相應(yīng)的防雷干擾措施。一般對(duì)雷電的干擾進(jìn)行防護(hù)要從空間和頻域兩方面進(jìn)行防護(hù)?？臻g防雷主要有信號(hào)和電源兩個(gè)防護(hù)系統(tǒng)，能夠有效抑制電線的干擾；而頻域防雷則是通過軟件編程完成光電隔離，且利用濾波的方式避免雷電對(duì)水電站自動(dòng)化系統(tǒng)造成干擾。

2.1 信號(hào)系統(tǒng)防護(hù)

為了對(duì)信號(hào)系統(tǒng)進(jìn)行防護(hù)，可以使用浪涌抑制器。相關(guān)規(guī)范中有提到，機(jī)房使用的電纜要具有一定的屏蔽層，而使用的屏蔽電纜則要穿過鋼管進(jìn)行鋪設(shè)。因而，為了對(duì)水電站自動(dòng)化系統(tǒng)信號(hào)的電纜進(jìn)行保護(hù)，可以利用金屬鋼管進(jìn)行電流的引入或引出，要做好金屬鋼管的接地工作，以便能夠保護(hù)好線路屏蔽接地。具體而言，選擇SPD專用信號(hào)，由于直接進(jìn)入系統(tǒng)通訊接口（此接口的電壓一般在5～50V之間）或者是或接入可編程控制器會(huì)嚴(yán)重?fù)p害自動(dòng)化系統(tǒng)，因而使用浪涌抑制器抑制電壓，保護(hù)信號(hào)系統(tǒng)。

2.2 電源系統(tǒng)防護(hù)

（1）可以將避雷器安裝在變壓器的出口，或者在自動(dòng)化系統(tǒng)中的低壓配電線路中安裝低壓避雷器，以防止雷電波侵入時(shí)產(chǎn)生的電壓損壞電源系統(tǒng)。安裝避雷器時(shí)，為了確保自動(dòng)化系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行，要限制好避雷線的殘壓，還要限制侵入波的陡度，同時(shí)，還要有效的對(duì)設(shè)備與避雷器之間的實(shí)際線路距離進(jìn)行保護(hù)。

（2）由于雷電波具有的能量較大，峰值較高，因而為了對(duì)水電站自動(dòng)化系統(tǒng)的電源的進(jìn)線處進(jìn)行保護(hù)，則需要在電源接入端安裝浪涌保護(hù)器，以便全面的保護(hù)自動(dòng)化系統(tǒng)。但是，盡管有浪涌保護(hù)器對(duì)雷電波進(jìn)行抑制，雷電波依舊存儲(chǔ)著較高的能量相應(yīng)的高頻分量，會(huì)損害電源系統(tǒng)，因此，可以利用所以應(yīng)利用液相色譜儀低通濾波器對(duì)雷電波進(jìn)行濾波。此外，為了能夠吸收雷電殘余的能量，可以在濾波器中加裝壓敏電阻，且壓敏電阻具有很好的非線性性能，能夠有效保證電壓鉗處于安全區(qū)域。

2.3 抑制地電位干擾的措施

為了有效避免水電站自動(dòng)化系統(tǒng)受到雷電的干擾而遭到破壞，產(chǎn)生電位差反應(yīng)，減少損失，可以采取以下剛干擾的措施：①減小接地網(wǎng)中的接地電阻，以便能夠很好的抑制地電位的升高。②適當(dāng)?shù)母纳频仉娢坏姆植记闆r，以便能夠限制局部電位的升高。③利用等電位連接的方式，或者是采取金屬屏蔽接地的措施。在現(xiàn)代防雷的理論中均壓等電位連接的方法效果最好，在水電站自動(dòng)化系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)等電位連接的主體通常有五個(gè)：①通過建筑物里的金屬進(jìn)入管道；②建筑物主要控制室中的主要金屬元件；③一系列的供電線路，包含有電纜裸露的設(shè)備；④防雷裝置；⑤由電子設(shè)備組成的信息系統(tǒng)。

3 結(jié)語

總之，上述對(duì)于水電站自動(dòng)化系統(tǒng)的防雷設(shè)計(jì)還比較局限，因而在對(duì)水電站自動(dòng)化系統(tǒng)受到的雷電干擾進(jìn)行分析研究時(shí)，還要與水電站具體的運(yùn)行情況相結(jié)合，采取行之有效的抑制電位干擾的措施，將雷電等災(zāi)害對(duì)水電站中自動(dòng)化系統(tǒng)產(chǎn)生的干擾降到最小，促進(jìn)水電站自動(dòng)化系統(tǒng)的安全穩(wěn)定的發(fā)展，從而推動(dòng)我國水利水電事業(yè)的發(fā)展。

[1]趙斌，趙志勇，邱小弟，等.小灣水電站安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)[J].水電自動(dòng)化與大壩監(jiān)測(cè)，2008（6）：53～57.

[2]周成林.變電站綜合自動(dòng)化數(shù)字物理仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[D].湖南大學(xué)，2009（45）：89～90.

[3]朱金龍.變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)防雷保護(hù)措施的研究[J].電子技術(shù)與軟件工程，2013（16）：194.

TM862

A

1004-7344（2016）24-0121-02

2016-8-2

楊依東（1979-），男，工程師，本科，主要從事電氣設(shè)計(jì)等工作。