引言
隨著電力自動(dòng)化技術(shù)的不斷完善和提高，越來(lái)越多的小水電站采用了計(jì)算機(jī)控制設(shè)備。在提高電站自動(dòng)化水平的同時(shí)，設(shè)備的耐過(guò)電壓水平卻直線下降，特別是在遭遇雷擊時(shí)，很容易造成控制設(shè)備的損壞。小型水電站往往地處山區(qū)，遭遇雷擊的概率比較高，所以加強(qiáng)小水電站的防雷保護(hù)非常必要。
雷擊有直擊雷和感應(yīng)雷兩種。雷電波是一種沖擊電壓波，作用時(shí)間短，持續(xù)時(shí)間為幾十 微秒到幾百微秒，是非周期變化脈沖波。直擊雷，雷擊點(diǎn)直接作用在設(shè)備上或作用在傳輸線路上引入造成設(shè)備的損壞。直擊雷造成設(shè)備損壞的程度都較為嚴(yán)重，一般采取安裝避雷針和布設(shè)避雷帶進(jìn)行防雷保護(hù)。感應(yīng)雷，在雷擊點(diǎn)發(fā)生的幾百米范圍內(nèi)的設(shè)備都可能感應(yīng)到一定的雷電幅值，使設(shè)備過(guò)電壓而造成損壞。實(shí)際上，雷電造成的設(shè)備損壞大多數(shù)是由感應(yīng)雷引起的。本文針對(duì)小型水電站的低壓設(shè)備防雷措施作一簡(jiǎn)單介紹。
1電源及設(shè)備通常采用的防雷措施
計(jì)算機(jī)控制設(shè)備要防雷擊，首先要對(duì)低壓配電線路進(jìn)行防雷設(shè)計(jì)，特別是低壓機(jī)組。如控制設(shè)備直接從400V母線上配電，雷電波可以沿母線侵入設(shè)備。解決的方法是在低壓配電網(wǎng)的進(jìn)線端安裝低壓避雷器，同時(shí)三相對(duì)地并接大容量吸收電容器；在電源進(jìn)入設(shè)備前應(yīng)加裝隔離變壓器，并在隔離變壓器二次側(cè)對(duì)地并接壓敏電阻和TVS抑制二極管，最后通過(guò)UPS進(jìn)入計(jì)算機(jī)控制設(shè)備。實(shí)踐證明，該方法能較好地防止感應(yīng)雷的侵入，下面作一具體敘述。
1.1低壓母線及配電線路
低壓配電線路應(yīng)從變壓器出口處安裝低壓避雷器或擊穿保險(xiǎn)器，避雷器一端接母線，另一端與接地回路相接，雷擊造成的過(guò)電壓經(jīng)低壓避雷器、吸收電容器放電后電壓強(qiáng)度已大大減弱,氧化鋅避雷器具有優(yōu)異的非線性伏安特性，當(dāng)過(guò)電壓一出現(xiàn)時(shí)就開始吸收能量，使電壓受到抑制。在實(shí)際系統(tǒng)中，影響電力自動(dòng)化設(shè)備的干擾既有共模干擾又有差模干擾，且往往同時(shí)發(fā)生，浪涌能量最終通過(guò)保護(hù)器泄放入大地。
1.2電源接口浪涌保護(hù)器
（1）為防止雷電波從電源輸入端侵入設(shè)備，將浪涌能量通過(guò)保護(hù)器以電流的形式通過(guò)地線釋放到大地，使電源電壓保持穩(wěn)定。在裝置電源的進(jìn)線端安裝壓敏電阻，壓敏電阻在正常情況下處于關(guān)斷狀態(tài)，其漏電電流≤50μA，對(duì)電路的正常工作無(wú)影響。一旦壓敏電阻兩端出現(xiàn)瞬間高壓時(shí)，其阻值會(huì)急劇下降，達(dá)到釋放浪涌電流的目的，使設(shè)備免受過(guò)電壓的沖擊而損壞。當(dāng)瞬間高壓消除時(shí)，壓敏電阻又恢復(fù)到高阻狀態(tài)，電路恢復(fù)正常。壓敏電阻雖然能吸收很大的浪涌電流，但卻不能承受毫安級(jí)以上的持續(xù)電流，所以在壓敏電阻的進(jìn)線端應(yīng)串接熔絲，從而保護(hù)壓敏電阻。
（2）TVS的電壓/電流特性曲線如圖1所示。它的正向特性與普通二極管相同，反向特性為典型的PN結(jié)雪崩器件。圖2是TVS的電流/時(shí)間和電壓/時(shí)間曲線。?

在瞬態(tài)峰值脈沖電流作用下，流過(guò)TVS的電流由原來(lái)的反向漏電流ID上升到IR時(shí)，其兩端 呈現(xiàn)的電壓由額定反向關(guān)斷電壓VWM上升到擊穿電壓VBR，TVS被擊穿。隨著脈沖峰值的出現(xiàn)，流過(guò)TVS的電流達(dá)到峰值脈沖電流IPP，其兩端的電壓被箝位到預(yù)定的最大箝位電壓以下，脈沖電流按指數(shù)衰減，TVS兩端的電壓也不斷下降，最后恢復(fù)到起始狀態(tài)，從而起到抑制浪涌電流、保護(hù)計(jì)算機(jī)控制設(shè)備的目的。
與齊納二極管相比，抑制二極管具有更快的電流導(dǎo)通能力。TVS受到反向瞬態(tài)高能量沖擊時(shí) ，能以納秒級(jí)的響應(yīng)速度，將其兩極間的高阻抗變?yōu)榈妥杩?，吸收高達(dá)數(shù)十千安的浪涌電流，使兩端的電壓箝位于一個(gè)額定值。TVS管具有響應(yīng)時(shí)間快、瞬態(tài)功率大、漏電電流低、擊穿電壓偏差小、體積小等特點(diǎn)。
TVS管的選用，首先確定被保護(hù)電路的最大直流電壓或連續(xù)工作電壓，最大箝位電壓VC應(yīng)高于被 保護(hù)電路的最大直流電壓或連續(xù)工作電壓。若選用的VWM太低，器件可能進(jìn)入雪崩狀態(tài)或因反向漏電流太大而影響電路的正常工作。TVS可并聯(lián)使用以提高額定容量或串聯(lián)使用以提高箝位電壓。
（3） 通訊接口的防雷保護(hù)。通訊信息系統(tǒng)的信號(hào)電壓很低，抗雷電電磁脈沖的能力較差 ，只要脈沖電平超過(guò)十幾伏，就有可能造成設(shè)備損壞。 通訊系統(tǒng)的防雷通常是在通訊串口采用 光電隔離，通訊數(shù)據(jù)線上串接熔絲（0.3A），對(duì)地并接雙向TVS管，一般就可以起到較好的雷電波抑制作用。

2接地系統(tǒng)的重要性
保護(hù)地的可靠接地非常重要，從人身、設(shè)備安全和抗干擾的角度來(lái)說(shuō)，自動(dòng)化設(shè)備應(yīng)采用共用接地系統(tǒng)，并且一般情況下設(shè)備的信號(hào)地和保護(hù)地在其內(nèi)部就連接在一起。如處理不好，往往在雷擊時(shí)形成地電位反擊，破壞控制系統(tǒng)。因此，計(jì)算機(jī)接地系統(tǒng)的處理至關(guān)重要。
接地布線主要有獨(dú)立接地、共用接地和混合接地三種方式。?
（1）獨(dú)立接地是指對(duì)需接地的系統(tǒng)分別建立獨(dú)立接地網(wǎng)，且各接地網(wǎng)之間要有足夠的距離，其優(yōu)點(diǎn)在于各接地系統(tǒng)之間不會(huì)產(chǎn)生干擾，這對(duì)于通訊系統(tǒng)來(lái)說(shuō)非常重要，特別是在電磁環(huán)境特別惡劣的情況下。缺點(diǎn)是獨(dú)立接地的計(jì)算機(jī)通訊系統(tǒng)，在雷電瞬時(shí)電壓很高時(shí)，各接地系統(tǒng)點(diǎn)的電位可能相差很大，其設(shè)備元件容易擊穿而損壞。相對(duì)于共同接地方式，采用獨(dú)立接地的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)遭遇雷擊的幾率要高得多，同時(shí)，獨(dú)立接地對(duì)設(shè)計(jì)施工都帶來(lái)一定的困難。
（2）共用接地，是把所需接地的各系統(tǒng)連接到一個(gè)地網(wǎng)上，使其成為電氣相通的統(tǒng)一接地網(wǎng)。共用接地又有單點(diǎn)接地和多點(diǎn)接地兩種方式。多點(diǎn)接地是指將通信與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中各設(shè)備接地線從不同地方分別連接到接地平面或接地母線上，而單點(diǎn)接地是將通信與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中各設(shè)備接地線連接到接地母線的同一點(diǎn)或同一平面上。多點(diǎn)接地優(yōu)點(diǎn)是以最短的連線接至地網(wǎng)，使其串聯(lián)阻抗減至最小，從而有效抑制因電容效應(yīng)而產(chǎn)生的干擾。單點(diǎn)接地方式，能消除公共阻抗耦合和低頻接地環(huán)路引起的干擾，適用于1MHz以下頻率的干擾。?
（3）混合接地，由于上述兩種接地方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，在對(duì)通信與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行接地設(shè)計(jì) 與施工中，應(yīng)揚(yáng)長(zhǎng)避短，將兩種接地方式結(jié)合起來(lái)應(yīng)用。這種多種接地方式的結(jié)合被稱為混合接地方式，具體使用方法如下。
一方面，對(duì)通訊與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)采用共用接地中的單點(diǎn)接地方式，即建立一個(gè)總接地等電位連接帶，并將防雷接地、電源系統(tǒng)接地、電氣保護(hù)接地、防靜電接地、射頻接地、信息系統(tǒng)信號(hào)屏蔽層接地等各類接地在通信與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的各設(shè)備上相互分開，使之成為獨(dú)立系統(tǒng)，再分別引線到等電位連接帶上共同接地。這樣不僅能夠有效地抑制公共阻抗耦合和低頻接地環(huán)路引起的干擾，同時(shí)又使各接地系統(tǒng)間保持等電位，因而可以最大限度地使通信與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)免遭高電位反擊，使工作人員免遭雷擊傷害。
對(duì)信號(hào)線進(jìn)行屏蔽接地設(shè)計(jì)時(shí)，首先要求各類通信電纜應(yīng)為屏蔽電纜，無(wú)屏蔽層的電纜應(yīng)從金屬管內(nèi)穿過(guò)，并在電纜兩端將屏蔽層或金屬管與地線相連接，以起到屏蔽效果。?
3避雷針對(duì)計(jì)算機(jī)設(shè)備的負(fù)面影響
避雷針引雷后，強(qiáng)大的雷擊電波在入地的過(guò)程中，由于雷電流陡度di/dt的作用，在其周圍導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)脈沖電壓，即感應(yīng)雷。其電壓值為：?
Uj=0.2(ln1000/a-1/2)di/dt×10-6(kV/m)
式中:a——雷電流引線與被感應(yīng)導(dǎo)體間的平行距離，m；
di/dt——雷電流陡度，kA/μs。
30kA雷擊時(shí)，在避雷針周圍導(dǎo)體中耦合的Uj值在400m時(shí)，脈沖電壓為0.9kV/m, 在10 m時(shí)，脈沖電壓為9.5kV/m,可見(jiàn)避雷針對(duì)設(shè)備產(chǎn)生的影響。對(duì)常規(guī)設(shè)備控制的系統(tǒng)來(lái)講，這樣的感應(yīng)脈沖電壓還不至于使常規(guī)的繼電保護(hù)裝置損壞。但對(duì)采用計(jì)算機(jī)控制的設(shè)備及通訊信號(hào)來(lái)說(shuō)，則完全不同。系統(tǒng)的直擊雷保護(hù)應(yīng)從控制LEMP（抗雷電電磁脈沖）的角度出發(fā)，避雷針采用短針、多針布置，以減小保護(hù)半徑，降低雷擊概率，也可采用避雷帶、接閃網(wǎng)等措施。?
4結(jié)束語(yǔ)
總的來(lái)說(shuō)，目前關(guān)于小型水電站計(jì)算機(jī)控制設(shè)備的防雷，還沒(méi)有一個(gè)完備的解決方案，設(shè)備遭遇雷擊的情況時(shí)有發(fā)生。但采用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的電站，如能按以上所提的防雷思路，對(duì)雷擊加以防范，必將大大緩解雷擊對(duì)設(shè)備的損害程度和幾率，從而保障電力生產(chǎn)的正常進(jìn)行。

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