直击雷对小水电站二次设备的影响（陶雪梅,罗云霞）

摘要：介绍传统的小水电站直击雷防护系统，和对二次设备造成的危害和产生危害的原因，强调在进行小水电站防雷系统设计时，应根据实际情况采取相应措施，以保证二次设备安全可靠地运行。

关键词：雷击电磁脉冲；二次设备；水电站；防雷；接地

中图分类号：TM622 　 文献标志码：B 　　 文章编号：1003-0867(2007)11-0023-02

浙江省水力资源非常丰富，各地在山区分布着很多小水电站。而浙江省又属于多雷区，山区的年平均雷暴日数多在60个以上。因此，小水电站的防雷一直受到重视。但近年来，随着小水电站综合自动化程度的日益提高，由雷击造成的电站设备损坏事故时有发生，它直接影响到电站的正常运行，甚至危及运行人员的人身安全。这是因为水电站原有的防雷措施，没有考虑到这些以微电子元件为主的二次设备普遍存在着的弱点，那就是过电压耐受能力差、绝缘强度低、对电磁干扰敏感。因此，有必要对小水电站防雷设计中出现的新问题作进一步研究。

一般小水电站都有较完善的直击雷防护系统，如避雷针、屋顶避雷网（埋于屋面下）和避雷带（高出屋面边缘几十厘米）等，所以二次设备直接遭雷击损坏的概率是较小的。但雷击电站防雷系统时所产生的雷电放电，对室内二次设备产生的电磁干扰，同样会影响整个系统的正常运行。例如作为小水电站直击雷防护措施之一的避雷针，遭受雷击时，首先雷电流要通过避雷针的接地装置泄入大地，引起地电位升高，造成对二次设备的反击；其次雷电流通过避雷针的接地引下线入地时，会在周围空间产生强大的暂态电磁场，影响二次设备的正常运行。

1 地电位升高的影响

一般水电站都装设有用于保护建筑物和室外设备的直击雷防护系统，如避雷针、避雷带（网）。

假如雷电流为5 kA，冲击接地电阻4.9Ω，那么在接地网上就会产24.5 kV的高电位。雷电流沿接地引下线传播过程中，会使不同接地网或者同一接地网，不同接地点之间产生梯级瞬间高电位差，对于耐压水平弱的二次设备，受损坏的概率是非常大的。对这类因地电位升高引起的过电压闪络，俗称“反击”。

瞬态地电位升高引起对电缆的干扰也是很大的。雷击造成地网的瞬态地电位很高，电缆沟中的电缆外皮电流很大，该电流通过电磁耦合在芯线上感应出电势(通过转移阻抗)，产生一定的共模电压，对二次设备造成干扰。雷击落地点电位升高后由于电势差，还会在地网上形成强大的电流，由于接地线都是沿着电缆沟铺设，接地线上的雷电流会通过电磁耦合，对附近电缆架上的二次电缆内部芯线构成共模干扰，从而危害电缆所连接的二次设备。

如果估计某电缆外皮雷电流I 为0.5 kA，该电缆转移阻抗Z t为10 mΩ，电缆长50 m，则芯线上的感应电压为250 V。对水电站某些微机监控设备或端口来说，这个电压有可能是危险的，应该引起注意。

2 空间电磁场的影响

雷电流通过水电站的直击雷防护系统的接地引下线入地时，还会在周围空间产生强大的暂态电磁场，从而在二次设备上产生暂态电压或干扰磁场，影响这些设备的正常运行。

分析表明，当建筑物顶部直击雷装置接闪时，建筑物顶层机房内电磁感应强度高达 2.38 mT，其机房内部电源线、信号线及其接地线所构成环路中，开路电压非常大，足以造成内部设备损坏。

当雷电流通过避雷针时，会在其周围空间产生强烈的电磁场。根据雷电流磁场对二次设备的影响。当雷电流为20 kA时，离垂直雷电流通道的水平距离为10 m时，磁场强度为318 A/m。此值大于IEC标准的脉冲磁场，抗扰度4级的试验磁场强度最大值(300 A/m)。这种情况极易造成对监控设备的干扰。

雷击靠近控制室的避雷针时，在周围空间产生的强大暂态电磁场，还会在监控设备上产生有威胁的暂态过电压。例如，当雷击点离建筑物50 m，雷电流为50 kA时，在建筑物内的试验回路中感应的暂态电压，仍会使门槛电压为200 V的限压二极管动作。

3 防止雷电干扰的措施

综上所述，直击雷对小水电站内二次设备的干扰，主要是由于地电位升高和暂态电磁感应所造成。做好防雷工作的关键，也就是分流、均压、接地、屏蔽。分流就是增加雷电接地引下线数，从而减小每根引下线通过的雷电流；均压就是使被保护对象的各部位尽可能构成等电位；良好的接地是防雷安全的基础，能够有效地消除反击；屏蔽是防雷电电磁脉冲最有效的措施。

由于小水电站大都建在山区，受场地限制，采用独立避雷针防护时，很难保证其与建筑物的空间和地中的距离以及接地电阻满足要求。所以小水电站应尽量在屋顶布置接地良好的金属避雷带(网)，而避免采用避雷针作为直击雷防护措施。一定要装设避雷针时，必须使其安装位置和接地电阻达到要求。

屋顶避雷带(网)受雷击后，虽然由于分流，雷电流幅值有所降低，但也会产生电磁感应问题。装设计算机监控设备的控制室，可以将建筑物钢筋、金属构架、地板等均相互焊接在一起，形式一个“法拉第”笼，并与接地网可靠地焊接在一起，能起较好的屏蔽作用。电缆沟内连接监控设备的电缆要屏蔽或者走金属管。重要的二次设备尽可能远离外墙和顶层布置。

接地和等电位连接是防雷的重要措施。为了减小地电位升高和地网上电位差，地网应敷设成网格状，而且在可能有瞬变大电流入地处，和重要的二次设备所在区域，要加密网格。建筑物的金属构架、室内金属物体等要连接成一个等电位连接网络，以实现均压等电位，其目的在于减少雷电流所引起的电位差，避免反击。

对重要的计算机监控设备，可以合理选用电涌保护器(SPD)作雷电的最后屏障。在连接至监控设备的电缆，经过的任何两个相继的防雷分区的边界上，应装设SPD，实现带电芯线的等电位连接，分流芯线上的雷电流，使重要的二次设备免受雷电电涌的危害。

总之，在进行小水电站直击雷防护系统设计时，必须考虑其对二次设备的影响，在防御直击雷侵害的同时，能保证设备的正常工作。

来源：《农村电气化》2007.11