付書明 盧江麗

（杭州職業(yè)技術學院 中國計量學院，浙江 杭州 310018）

1 引言

隨著科技不斷發(fā)展，避雷器的制造水平也得到了很大的提高，金屬氧化物避雷器被廣泛推廣使用，使得對變電站中一次部分的雷電過電壓的保護得到了保證。然而，大規(guī)模、高精度集成模塊制成的微電子為主要元件的控制、保護、信號、通信、監(jiān)控等設備在電力系統(tǒng)中的使用也越來越廣泛，特別是在一些大型發(fā)變電站中，即使在采樣和計量系統(tǒng)中也普遍采用，它們大大提升了電力系統(tǒng)自動控制水平。相對其應用程度來說，與這些高精度的二次設備的保護研究并沒有得到相應的重視。怎樣才能使這些微電子二次設備在惡劣的雷電環(huán)境下正常運行，是亟待解決的問題。因此，下文重點論述雷電干擾對二次設備的影響以及二次設備接地的必要性。

2 雷電干擾對二次設備的影響

2.1 雷電干擾的影響綜述

當變電站遭受雷擊時，雷電流經由避雷針、避雷器或避雷線的接地引下線流入地網。由于地網接地體阻抗，特別是感抗的作用，使得在雷電流下的地網電位分布變得極不均勻。同時由于地網接地體上的電流隨時間的變化率(di/dt)很大，使得地網附近的二次回路上產生較高的感應電勢。計算機和其它的二次設備對這種幅值高、變化快、持續(xù)時間短的暫態(tài)干擾極為敏感，常常會因為處在這種干擾之下而影響正常工作，甚至還會造成設備的損壞和其它事故的發(fā)生。為此我們有必要對雷電流在接地網上的分布進行分析。雷擊過電壓分為直擊雷過電壓和感應雷過電壓兩種，直擊雷是指雷電直接擊中電氣設備、線路或建筑物，引起強大的雷電流流過這些物體導致整個系統(tǒng)過電壓；感應雷是指雷云對地放電過程中，放電通道周圍空間的電磁場發(fā)生急劇變化，在附近導體上產生感應過電壓

2.2 感應雷對二次設備的影響

感應雷雖然沒有直擊雷產生的影響猛烈，變電站二次系統(tǒng)發(fā)生的雷擊事故絕大部分是由感應雷引起的。以下介紹感應雷對變電站二次設備的影響。

圖1 導電部件或二次系統(tǒng)與等電位連接排的連接

圖2 機房防雷設置示意圖

感應雷對二次設備的影響主要是指在雷云之間放電或雷云對地之間放電時，在附近的戶外傳輸信號線路、埋地電纜線路、設備連接線上產生電磁感應并侵入設備，使串聯在線路之間或線路末端的電子設備受到損壞。當雷云層與層之間以及雷云與大地之間放電時，在放電通道周圍產生的電磁感應、雷電電磁脈沖的輻射以及雷云電場的靜電感應，使建筑物上的金屬部件、管道、鋼筋和由室外進入室內的電源線、信號傳輸線、天線饋線等感應出雷電高電壓，并通過這些線路以及進入室內的管道、電纜等引入室內造成電子設備損壞。感應雷的頻譜很寬，從能量積累大多分布來看，大多集中在低頻段。如10/700μs沖擊波，總能量95%以上分布在3kHz頻率以下；而1.2/50μs沖擊波，大約總能量90%以上分布在18kHz頻率以下。可見這類波形對工作在低頻和直流狀態(tài)的電子設備危害極大。當集成電路任一個端口的能量達到10～6J左右時，芯片會遭到永久性破壞。雷電感應是雷電流的強大電場以及磁場變化時產生的靜電感應和電磁感應造成的。

3 接地技術在二次設備防雷中的重要性

由于計算機技術和網絡技術在電力系統(tǒng)中的應用，大大提高了電力系統(tǒng)運行的安全性和可靠性，同時也提高了系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定和動態(tài)穩(wěn)定性。然而，由于變電站的二次電纜數目眾多并且敷設得錯綜復雜，導致電力系統(tǒng)和設備一旦發(fā)生故障，其暫態(tài)過程和故障電氣量的數值陡增，伴隨著復雜的電磁振蕩過程，微機系統(tǒng)由于自身工作電壓低，在此環(huán)境中極易受到干擾。二次電纜和繼電保護設備自身的接地和抗干擾性能變得極其重要。在實際生產中，不斷有因二次系統(tǒng)接地方式不正確和干擾造成保護誤動作或開關誤跳，甚至造成保護及控制元件損壞的事故出現。電力系統(tǒng)中的二次系統(tǒng)是由各種二次設備和電纜組成的，幾乎所有的電氣量都是通過電纜引入二次設備的。這些電纜處于一次設備的高壓電磁場中，工作條件極其復雜，同時還經受著系統(tǒng)故障時各種暫態(tài)環(huán)境和各種氣候條件的考驗。而作為二次系統(tǒng)的大腦，各種保護裝置和信息處理系統(tǒng)，都是由計算機、通信設備等敏感的電子原器件構成，對各種諸如雷電過電壓、電力系統(tǒng)操作過電壓、靜電放電、電磁輻射等干擾非常敏感。為了能使各設備免受干擾的影響，在發(fā)電廠和變電站中出于安全的考慮，都會布置一個范圍覆蓋全廠或全站的接地網，所有的一次、二次設備都要求與這個地網連接。地網鋪設情況直接影響變電站各設備的運行，電力系統(tǒng)中發(fā)生的很多重大事故往往都和接地網的性能指標以及一、二次設備與地網的連接設計有關，可見，正確的接地對二次設備防雷非常重要。

4 等電位連接技術對二次設備的保護原理及實例分析

在實際中，變電站二次系統(tǒng)中的各控制屏柜和集成自動化設備不可能在同一個位置，之間可能相距甚遠，若分別將它們在就近的接地銅排上接地，當雷電沖擊電流經避雷設施泄放導至地網時，這股強大的接地電流就很有可能在一二次設備的兩個接地點之間產生較大電位差，將干擾系統(tǒng)正常工作，干擾嚴重時甚至會損壞控制電路或元件。因此，為防止不同信號回路接地線上的電位差引起交叉干擾，應嚴格按“一點接地”原則進行設計和施工，即實行等電位連接。所謂等電位連接，就是把所有可能同時觸及或接近的、在故障情況下可能帶不同電位的裸露導體（包括電氣設備以外的裸露導體）相互連接起來，等值他們之間的電位差，以防止出現接觸電壓。二次系統(tǒng)中信號分系統(tǒng)要將內部地線接通，然后各自用規(guī)定面積的導線統(tǒng)一引到某一點，再由該點接到接地銅排上，從而實現一點接地。對于控制柜和保護柜，利用一點接地保證其在同一個接地等電位面上，以保證自動控制系統(tǒng)的安全可靠運行。等電位連接一般包括保護接地，構造等電位面有兩種可能做法，一是將微機保護柜底部已有的接地銅排通過焊接聯通，同時在盡頭用專用100mm2銅線聯通，形成一個銅網格，這個網格與由電纜溝引來的粗銅導線聯通，對控制室的接地點形成要求的對地網唯一的一點接地。另一種做法是，在保護柜底部的下面構造一個專用的銅網格，各控制保護柜的專用接地端子經一定截面的銅線聯到此銅網格實現。

實現等電位連接的主體為:設備處在建筑物的主要金屬構件和進入建筑物的金屬管道、供電線路（含外漏可導電部分）、防雷裝置以及由電子設備構成的信息系統(tǒng)。應采用連接導線和線夾在連接排做等電位連接，需要時采用浪涌保護器（SPD）做等電位連接，如圖1示。

圖2是一個普通機房的防雷設置:避雷針安裝在樓頂上，防雷地，保護地合設，工作地單設，當雷擊時Ua電位陡升，防雷地電位Ua與工作地Ub之間形成高電位差，由于設備機殼與工作主件間存在著分布電容，當數十千安電流對保護地(防雷地)沖擊時，雷電流很容易經過藕合電容流到工作地，造成設備損壞，甚至人身安全受到威脅。如果防雷地，保護地與工作地聯在一起使Ua，Ub等電位，水漲船高，Ua，Ub同步變化，而不致損壞設備，危害人身安全。

5 總結

當前，只有在正確分析二次設備受雷電干擾的原因，才能認識二次設備接地防雷技術的必要性，最終才能更好地應用接地技術解決二次設備接防雷問題。因此，電氣環(huán)境中的所有設備都應接地，特別是電壓等級相對較低的變電站二次系統(tǒng)，其中各設備正確接地與否將是決定二次系統(tǒng)穩(wěn)定的最重要因素。

[1]湯放奇，胡登宇，肖金華.弱電設備的雷害分析及防雷保護.長沙電力學院學報，2005（5）

[2]陳慈萱.過電壓保護原理與運行技術.北京:中國電力出版社，2002年

[3]鄔雄，張文亮.電力系統(tǒng)電磁兼容的技術問題.高電壓技術，1997年