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低壓系統(tǒng)的防雷保護(hù)方案

2011-05-02 13:31:28  

感應(yīng)雷大部分都經(jīng)過供電線路傳輸擊壞設(shè)備的,所以對低壓供電系統(tǒng)的防雷不容忽視,防雷主要分為外部防雷和內(nèi)部防雷,本文結(jié)合國內(nèi)對供電線路的防雷規(guī)范,談?wù)劦蛪合到y(tǒng)的防雷保護(hù)。
一、防雷保護(hù)區(qū)
  IEC標(biāo)準(zhǔn)將需要保護(hù)的空間劃分為不同的防雷區(qū):Z0A區(qū)———本區(qū)內(nèi)物體都可能遭到直接雷區(qū);Z0B區(qū)———本區(qū)內(nèi)物體不可能遭到直接雷擊,但區(qū)內(nèi)電磁場沒有衰減;  Z1區(qū)———本區(qū)內(nèi)物質(zhì)不可能遭到直接雷擊,區(qū)內(nèi)電磁場有可能衰減,衰減程度取決于屏蔽措施。
  在實際應(yīng)用中,我們一般簡單地將防雷分為外部防雷和內(nèi)部防雷。 
二、外部防雷系統(tǒng)
  外部防雷系統(tǒng)由避雷針(或避雷帶、避雷網(wǎng))、引下線和接地系統(tǒng)構(gòu)成。主要作用是為了保護(hù)建筑物免受雷擊,通過避雷針為雷電流提供快速可靠的泄放入地途徑。如果雷擊在沒有可靠泄放入地通道的物體上,雷電流的高壓效應(yīng)、高熱效應(yīng)、機械效應(yīng)、靜電感應(yīng)、電磁感應(yīng)、反擊等均會產(chǎn)生極大的破壞力。
1、避雷針(或避雷帶、避雷網(wǎng))的保護(hù)范圍
  研究表明,雷電的先驅(qū)尖端離地面高度甚至幾十米,其前進(jìn)方向依然可能不受地上和地下特征的影響。具體高度視雷電強度而定。特別是低強度放電對地走向是不穩(wěn)定的,可能以一個角度接近建筑物。這說明傳統(tǒng)的避雷針“保護(hù)角”是不可靠的。因此,GB50057-94《建筑物防雷設(shè)計規(guī)程》不再沿用避雷針的“保護(hù)角”概念,而是根據(jù)IEC1024-1提法,在設(shè)計接閃器時,可單獨或任意組合采用滾球法和避雷網(wǎng)格來計算避雷針(或避雷帶、避雷網(wǎng))的保護(hù)范圍。滾球半徑參見規(guī)范中的104頁。
  我們在實踐中對貴冶623線路防雷改造上全面采用了“球切法”來計算避雷針的保護(hù)范圍。貴冶623線路的電壓等級6kV,全長5km,沿線是水田和丘陵。該線經(jīng)常遭受嚴(yán)重雷害:瓷瓶炸飛,線路擊斷,變壓器被擊壞,雷電竄入低壓系統(tǒng)。我們選用的方案是在每基電桿上裝V型避雷針(避雷針基座已獲國家專利),針長和角度均經(jīng)過仔細(xì)計算。
  從圖6、圖7的不同角度可以看出V型避雷針都能有效保護(hù)輸電線不受直擊雷。當(dāng)雷云降低高度并且以一個角度從側(cè)面接近線路時,V型避雷針也能有效保護(hù)輸電線不受直擊雷。自1995年底貴冶623線路采用V型避雷針進(jìn)行防雷改造,自1996年初改造完成并投入運行以來,取得了比較滿意的防雷效果。

  對于塔高大于60m或高山上的微波站,筆者提出一種微波(通信)天線防直擊雷的避雷方法———由塔頂避雷裝置和水平針或塔周圍的獨立避雷針組成。它們的具體尺寸和保護(hù)范圍要根據(jù)實際情況用“球切法”計算出來。塔頂避雷裝置和水平針可由符合接閃要求的鋼材組成,造價低廉。
  總之,筆者認(rèn)為在防雷實踐中應(yīng)緊扣防雷規(guī)范,并結(jié)合被保護(hù)物的現(xiàn)場實際情況靈活、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)丶右詰?yīng)用。

2、避雷引下線
  常規(guī)的避雷引下線是具有一定截面積的元鋼、角鋼、和多股銅芯線等。雷電沖擊電流流經(jīng)避雷引下線時,引下線周圍會產(chǎn)生強磁場  靜電場同軸電纜大大克服了常規(guī)引下線的缺點,它可改變瞬態(tài)響應(yīng),其特性阻抗只有銅芯線的四分之一,沖擊阻抗小于鐵塔阻抗的十分之一。這種電纜的內(nèi)、外導(dǎo)體之間的電容較大,降低了它的阻抗,并且使電纜截面上的電壓降小到絕緣介質(zhì)能夠承受的水平。雷電放電電流通過同軸引下線的內(nèi)導(dǎo)體入地時,接地的外屏蔽層對內(nèi)導(dǎo)體起屏蔽作用,防止引下線與建筑物之間存在很高的電壓以及引下線周圍的強磁場對建筑物內(nèi)低壓系統(tǒng)的感應(yīng)。
  因此,靜電場同軸電纜能夠安全地將雷電流從通信塔或高層建筑上引導(dǎo)入地。
3、接地系統(tǒng)
  外部防雷接地主要是為了在雷擊的情況下,快速、安全地將雷電流導(dǎo)入大地。
  低壓系統(tǒng)的防雷接地,其概念不僅僅是外部防雷地,還涵蓋了直流工作地、交流工作地、保護(hù)地等接地概念。現(xiàn)代的接地系統(tǒng),應(yīng)盡可能是低阻抗的,以對雷擊和瞬態(tài)過壓提供防護(hù),以及抑制通信電子系統(tǒng)的噪聲。
  接地方式,應(yīng)按單點的原理設(shè)計,即直流工作地、交流工作地、保護(hù)接地和防雷接地等四種接地宜共用一組接地裝置的聯(lián)合接地方式,這是目前國際、國內(nèi)各種防雷規(guī)范所共同推薦的。
  接地技術(shù)本身不是一門精密的學(xué)科,在實際應(yīng)用中不可生搬硬套。在地電阻率很高的地區(qū),如在高山微波站和高山電視臺,采用等電位的措施比絕對的把系統(tǒng)的接地電阻降下來要來得經(jīng)濟有效。江西704電視臺坐落在井岡山黃洋界1400 m的山頂上,植被僅0.4m左右厚,下面全是巖石,地勢險峻,雷害嚴(yán)重。在這個臺的防雷改造工程中,我們將絕對地阻降到一定水平后,考慮到在僅靠過分延長接地體和增大地網(wǎng)面積來繼續(xù)降低接地電阻,對于抗雷電沖擊效果并不好,另外電視臺拮據(jù)的接地經(jīng)費也不允許增加工程量,于是我們采取了嚴(yán)格的等電位措施,并在實際運行中取得很好的效果。
  所謂聯(lián)合接地方式也不是絕對的。首先,一般對建筑物及其內(nèi)部系統(tǒng)本應(yīng)聯(lián)合共地,但有些設(shè)備廠家卻強調(diào)其設(shè)備的工作地必須獨立接地,原因估計有兩個:一是擔(dān)心大樓其它接地不可靠;二是擔(dān)心漏電流工頻干擾信號竄入。其次,特殊的發(fā)射設(shè)備如機場的指點信標(biāo)機,其工作地是作為輔助發(fā)射電極,因此必須獨立接地。再者,野外分散布置并且雷電較強地區(qū),如昌北機場跑道旁的各氣象設(shè)備的防雷,可設(shè)置獨立避雷針。獨立避雷地網(wǎng)和設(shè)備的工作地網(wǎng)要保持一定距離。對同一系統(tǒng)的獨立地網(wǎng)之間可用地網(wǎng)連接器相接(如德國OBO公司的GAP-480D),兩個地網(wǎng)平時處于隔離狀態(tài),雷擊時,當(dāng)它們之間的電位差超過1000V時,地網(wǎng)連接器自動導(dǎo)通,以平衡兩個地網(wǎng)的電位。
二、內(nèi)部防雷系統(tǒng)
  內(nèi)部防雷系統(tǒng)包括屏蔽、等電位、限幅、金屬導(dǎo)體的路由布置、接地等措施。在一個完善的內(nèi)部防雷系統(tǒng)中,這些措施是不可或缺的,它們從各方面對產(chǎn)生瞬態(tài)過壓的耦合機制起防護(hù)作用。限于篇幅,下面談一談現(xiàn)代低壓電源主要的限幅設(shè)備———瞬態(tài)過壓保護(hù)器(又稱浪涌抑制器,簡稱電源防雷器):

1、電源防雷器
  電源防雷器的主要作用,是在雷電波的沖擊到來時瞬間足夠快地將其導(dǎo)入接地體,并且使防雷器之后線路上的殘壓降低到能夠保護(hù)設(shè)備的安全。
  電源防雷器的性能決定了其作用。通流量、箝位電壓、響應(yīng)時間是電源防雷器的三項主要性能指標(biāo)。要弄清這些指標(biāo)的含義需要一些比較深入的知識。防雷器的主要工作原理,是通過將瞬間雷電波鉗位于安全電壓來達(dá)到保護(hù)電器設(shè)備免遭雷擊,這里面涉及一個來雷大小的問題,國際標(biāo)準(zhǔn)測試指標(biāo)一般是10kA、8/20us(圖2)的雷電沖擊波。而在實際應(yīng)用中,雷電流的沖擊可達(dá)幾十至上百kA,這時候要從兩方面來衡量防雷器的性能。一方面防雷器的最大耐沖擊電流能否滿足要求,如果防雷器的最大耐沖擊電流小于實際進(jìn)入線路的雷電的沖擊電流,則防雷器本身會被損壞,我們在撫州708電視臺(山頂上)的應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)耐沖擊電流較小的雷地通在成功保護(hù)了設(shè)備的同時,本身被雷電流擊壞,后來換上德國OBO的V25(初級)和V20(次級),經(jīng)過了一些大的雷擊考驗,受保護(hù)的設(shè)備和防雷器本身均安然無恙。因為V25的最大耐沖擊電流可達(dá)100kA。另一方面來說,國際上較先進(jìn)的防雷器鉗位電壓的能力與雷電來波的轉(zhuǎn)換比是1:3,雖然在標(biāo)準(zhǔn)測試電流10kA、8/20us的沖擊下,防雷器的殘壓可能滿足安全要求,但是實際來波往往大于這個測試指標(biāo),比如在雷電流達(dá)到20kA、50kA的情況下,防雷器出線側(cè)的殘壓就可能會大于設(shè)備的安全保護(hù)電壓。在這里的分級保護(hù)概念無疑是一個最好的解決方案,舉例說假如來波是50kA、8/20us時,可以肯定所有的同類防雷器(假設(shè)防雷器的最大耐沖擊電流大于50kA)殘壓會在1500V以上(通訊設(shè)備輸入電壓模塊一般承受瞬間沖擊電壓可達(dá)1000V),就會導(dǎo)致受保護(hù)設(shè)備的損壞。這時就應(yīng)再加裝第二級防雷器將第一級的殘壓再次鉗位轉(zhuǎn)換至安全電壓范圍。
  據(jù)統(tǒng)計電子設(shè)備所受雷害的80%是由雷電波侵入電源部分引起的,因此電源防雷器選型相當(dāng)重要。目前,國內(nèi)市場上380V低壓電源防雷器(包括進(jìn)口和國產(chǎn)的)不下幾十種。但專業(yè)高檔的低壓防雷器真正在國內(nèi)較廣泛的應(yīng)用也只是近幾年的事。我們從1993年起為遭受過嚴(yán)重雷擊的單位根據(jù)不同的條件選用了性能指標(biāo)優(yōu)良的美國的力博特、英國的雷地通、德國的OBO和中美合資愛勞的電源防雷器,經(jīng)過幾年的考驗,均取得了十分理想的效果。同時,也使我們獲得了這些防雷器應(yīng)用的一手資料。
  防雷器的標(biāo)準(zhǔn)在ANSI/IEEE、UL、IEC、CCITT、FCC、CSA、DIN、NEC等國際標(biāo)準(zhǔn)中分別都有相應(yīng)的規(guī)定。
  國內(nèi)權(quán)威的低壓防雷器測試機構(gòu)分別是:原郵電部電信總局通信防護(hù)技術(shù)維護(hù)支援中心;原郵電部通信產(chǎn)品防護(hù)性能監(jiān)督檢驗測試中心;中國鐵路通信信號總公司沈陽雷電防護(hù)試驗站;電子工業(yè)安全與電磁兼容檢測中心;電力部電力科學(xué)院等。
  這些測試機構(gòu)尤其是郵電部測試機構(gòu)提供的檢測報告可為電源防雷器主要性能指標(biāo)提供可靠的、值得信賴的依據(jù)。
  只要電源系統(tǒng)嚴(yán)格規(guī)范實施,加上性能優(yōu)越的電源防雷器,可以將來自電源的瞬態(tài)過壓(雷電、電網(wǎng)設(shè)備切換等形成的)對低壓系統(tǒng)造成的危害降低到接近于零。

 
總結(jié):供電系統(tǒng)的綜合防雷在于按照規(guī)范做好外部防雷和內(nèi)部防雷,這樣才能有效的控制雷電對設(shè)備的損害。

參考文獻(xiàn):
[2]曾永林.《接地技術(shù)》,水利電力出版社,1979.
[4]國內(nèi)防雷規(guī)范
GB50057-94 《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》
YD5068-98 DL548-94《移動通信基站防雷與接地設(shè)計規(guī)范》
GB50200-94 《有線電視系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》

1][美]G.夏里克著,侯景韓譯.《接地工程》人民郵電出版社,1988
GB50174
93 《電子計算機機房設(shè)計規(guī)范》
3]《雷電電磁脈沖的防護(hù)》IEC1312119952),IEC13122-(199411),IEC13122199610

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