電力系統(tǒng)的安全防雷

電力系統(tǒng)的安全防雷

近年來，隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，自動(dòng)控制系統(tǒng)在電力生

產(chǎn)各個(gè)方面的使用越來越廣，電力職工在受益于微電子技術(shù)的極大方

便的同時(shí)，也受到其一旦損壞就損失龐大的困擾。實(shí)際上，在電力系

統(tǒng)增加自動(dòng)控制系統(tǒng)的時(shí)候，對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的安全防雷意識(shí)相對(duì)淡

薄，一旦有雷電波侵入，設(shè)備損壞一般是龐大的，有的甚至使整個(gè)系

統(tǒng)癱瘓，造成無可挽回的損失。

一雷擊產(chǎn)生的原因

雷擊是一種自然現(xiàn)象，它能釋放出龐大的能量、具有極深大的破

壞能力。一直以來，致力于電力生產(chǎn)和電力設(shè)備研究的人員通過對(duì)雷

擊破壞性的研究、探究，對(duì)雷電的危害采用了一定的預(yù)防措施，有效

地降低了雷害。

當(dāng)雷電放電路徑不經(jīng)過防雷保護(hù)裝置時(shí)，放電過程中產(chǎn)生強(qiáng)大的

瞬變電磁場在四周的導(dǎo)體中感應(yīng)到強(qiáng)大的電磁脈沖，稱感應(yīng)雷。感應(yīng)

雷可通過兩種不同的感應(yīng)方式侵入導(dǎo)體。一種是在雷云中電荷積聚

時(shí)，四周導(dǎo)體會(huì)感應(yīng)相反的電荷，當(dāng)雷擊放電時(shí)，雷云中電荷迅速釋

放，而導(dǎo)體中的靜電荷在失去雷云電場束縛后也會(huì)沿導(dǎo)體流動(dòng)尋找釋

放通道，就會(huì)在電路中形成靜電感應(yīng)，其次是在雷云放電時(shí)，迅速變

化的雷電流在其四周產(chǎn)生強(qiáng)大的瞬變電磁場，四周的導(dǎo)體中就會(huì)產(chǎn)生

很高的感生電動(dòng)勢，在電路中形成電磁感應(yīng)，感應(yīng)雷沿導(dǎo)體傳播，損

壞電路中的設(shè)備或設(shè)備中的器件。信息系統(tǒng)中系統(tǒng)接口多，線路長，

給感應(yīng)雷的產(chǎn)生、耦合和傳播提供了優(yōu)良環(huán)境，而信息系統(tǒng)設(shè)備隨著

科技的發(fā)展，集成度越來越高，抗過電壓能力越來越差，極易受感應(yīng)

雷的襲擊，并且損害的往往是集成度較高的系統(tǒng)核心器件，所以更不

能掉以輕心，感應(yīng)雷可以來自云中放電，也可以來自對(duì)地雷擊。而信

息系統(tǒng)與外界連接有各種長距離電纜可在更大范圍內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)雷，并

沿電纜傳入信息系統(tǒng)。所以防感應(yīng)雷是電力系統(tǒng)特別是微電子技術(shù)應(yīng)

用比較廣泛的變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)內(nèi)，因而信息系統(tǒng)防雷是電力系

統(tǒng)保證安全的重點(diǎn)。

二、電力系統(tǒng)高壓電力裝置防雷技術(shù)

1.原始的高壓防雷技術(shù)

電力裝置在其發(fā)展使用初期大都是通過裸導(dǎo)線架空線路輸電，架

空導(dǎo)線一般在離地面6?18m的空間，通過雷電入侵波產(chǎn)生的雷電過

電壓使線路或設(shè)備絕緣擊穿而損壞。當(dāng)時(shí)人們通過在線路或設(shè)備上人

為地制造絕緣薄弱點(diǎn)即間隙裝置，間隙的擊穿電壓比線路或設(shè)備的雷

電沖擊絕緣水平低，在正常運(yùn)行電壓下間隙處于隔離絕緣狀態(tài)，當(dāng)雷

電發(fā)生時(shí)強(qiáng)大的過電壓使間隙擊穿，從而產(chǎn)生接地保護(hù)，起到保護(hù)線

路或設(shè)備絕緣的作月。

1.1間隙保護(hù)技術(shù):

間隙保護(hù)就是線路大體的兩極由角形棒組成，一極固定在絕緣件

上連接帶電導(dǎo)線，而另一極接地，間隙擊穿后電弧在角形棒間上升拉

長，當(dāng)電弧電流變小時(shí)可以自行熄弧，間隙保護(hù)技術(shù)的缺點(diǎn)是當(dāng)電弧

電流大到幾十安以上時(shí)就沒法自行熄弧，雷電過電壓時(shí)，單相、兩相

或三相間隙都可能后穿接地，造成接地故障、兩相或三相間短路故障,

以致線路電源斷路器保護(hù)動(dòng)作分閘。

1.2管型避雷器技術(shù)：

管型避雷器技術(shù)是利用一種具有噴氣熄弧功能的間隙袋置，此裝

置有內(nèi)外兩個(gè)間隙，外間隙類似保護(hù)間隙，兩極均固定在絕緣件上，

內(nèi)間隙置于避雷器管內(nèi)，當(dāng)雷電過電壓內(nèi)外間隙擊穿時(shí)，雷電流和工

頻短路電流經(jīng)管內(nèi)壁接地，管壁物質(zhì)受熱氣化，有較大壓力氣體經(jīng)內(nèi)

間隙噴出管外，強(qiáng)制間隙熄弧。管型避雷器技術(shù)也存在很多的缺點(diǎn)：

此裝置的的選用受安裝地點(diǎn)的限制，其次還受線路最大、最小短路電

流的制約，最大短路電流大于避雷器的斷流上限時(shí)避雷器會(huì)爆炸；短

路電流小于避雷器的斷流下限時(shí)就不能熄弧，避雷器可能燒壞。另外

管型避雷器多次動(dòng)作后，管內(nèi)徑會(huì)逐漸增大，熄弧能力會(huì)下降甚致消

失。

2.新型防雷技術(shù)的應(yīng)用

間隙保護(hù)技術(shù)和管型避雷器技術(shù)都是靠間隙擊穿接地放電降壓

來起到保護(hù)的作用，以上兩種防雷技術(shù)往往會(huì)造成接地故障或相間短

保護(hù)特性好，通流能力大，耐污能力強(qiáng)，結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高等特點(diǎn),

能對(duì)輸變電設(shè)備提供最正保證護(hù)。

碳化硅避雷器技術(shù)在防雷性能上有其特別的優(yōu)點(diǎn)被電力系統(tǒng)高

壓設(shè)備廣泛采納，但也存在著一定的缺點(diǎn)：一是只有雷電最大嗝值限

壓保護(hù)功能，而無雷電陡波保護(hù)功能，防雷保護(hù)功能不完全；二是沒

有連續(xù)雷電沖擊保護(hù)能力；三是動(dòng)作特性穩(wěn)定性差可能遭受暫態(tài)過電

壓危害；四是動(dòng)作負(fù)載重使用壽命短等。這些潛在的缺點(diǎn)已暴露出碳

化硅避雷器在使用的過程當(dāng)中存在影響電力安全的隱患性且其產(chǎn)品

技術(shù)也比較落后。氧化鋅避雷器按外殼材料分為瓷套式、罐式、復(fù)合

外套式三大類；按使用場所分配電、電站、線路、并聯(lián)補(bǔ)償電容器、

變壓器和電機(jī)中性點(diǎn)、發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)保護(hù)用六大類，氧化鋅避雷器

技術(shù)在繼承了碳化硅避雷器技術(shù)的基礎(chǔ)上，無論是在制定的思想上，

還是在產(chǎn)品功能的完善上都是世界公認(rèn)的當(dāng)代最為先進(jìn)防雷電器。氧

化鋅避雷器的結(jié)構(gòu)為將假設(shè)干片ZnO閥片壓緊密封在避雷器麥套內(nèi)。

ZnO閥片具有非常優(yōu)異的非線性特性，在較高電壓下電阻很小，可以

泄擴(kuò)展量雷電流，殘壓很低，在電網(wǎng)運(yùn)行電壓下電阻很大很大，泄漏

電流只有50?150uA,電流很小可視為元工頻續(xù)流，這就是作成無

間隙氧化鋅避雷器的原因，其特別優(yōu)點(diǎn)是它對(duì)雷電陡波和雷電嗝值同

樣有限壓作用，防雷保護(hù)功能完全。

我國最先生產(chǎn)使用的是無間隙氧化鋅避雷器，經(jīng)過長期的運(yùn)行施

行，發(fā)現(xiàn)它有損壞爆炸率高，使用壽命短等缺點(diǎn)，原因是暫態(tài)過電壓

承受能力差是其致命弱點(diǎn)。而串聯(lián)間隙氧化鋅避雷器仍有無間隙氧化

鋅避雷器的保護(hù)性能優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)有暫態(tài)過電壓承受能力強(qiáng)的特點(diǎn)，是

一種理想地?fù)P長避短產(chǎn)品，結(jié)合國情在3?35kV系統(tǒng)串聯(lián)間隙氧化

鋅避雷器才是當(dāng)代最先進(jìn)防雷電器。

三電力系統(tǒng)弱電裝置防雷技術(shù)

1雷擊的形成及入侵途徑

1.1雷擊形成主要有兩種形式：直接雷擊和感應(yīng)雷擊

直接雷擊是指雷電直接作用在物體上，產(chǎn)生電能效應(yīng)、熱效應(yīng)和

機(jī)械力等對(duì)物體造成危害。

感應(yīng)雷擊是指雷電放電時(shí)，在四周導(dǎo)體上產(chǎn)生的靜電效應(yīng)和電磁

感應(yīng)，由此產(chǎn)生的放電效應(yīng)使使金屬部件之間產(chǎn)生火花，稱之為感應(yīng)

雷擊。L2感應(yīng)雷擊的入侵途徑有以下幾種

變電站的避雷針的二次感應(yīng)產(chǎn)生的雷擊效應(yīng)，產(chǎn)生的雷電電流經(jīng)

過避雷針導(dǎo)地時(shí)感應(yīng)到市內(nèi)的傳輸線上。關(guān)于老式的通訊設(shè)備來講，

它們的構(gòu)造大都是日電子管、晶體管向集成電經(jīng)過渡的。由于電子管、

晶體管等相對(duì)對(duì)立，因而耐沖擊能力較強(qiáng)，因此二次雷擊效應(yīng)對(duì)電子

管、晶體管通訊設(shè)備不會(huì)造成太大損害。關(guān)于集成化程度較高的微電

子設(shè)備，其耐沖擊能力差，受雷擊更易使微電子設(shè)備受到損壞。

通過電源線、信號(hào)線或天線饋線引入的感應(yīng)雷擊通過電磁感應(yīng)耦

合到各類傳輸線而破壞設(shè)備。電源線引入感應(yīng)雷擊。變電站內(nèi)設(shè)置的

微波通信基站的供電線路大多采納架空明線。試驗(yàn)說明，雷電頻譜在

幾十MHz以下頻域，主要能量集中分布在工頻四周。因此，雷電與市

電相耦合的概率很高，容易造成通信線路及通信串口燒壞。為了擴(kuò)展

信號(hào)覆蓋范圍，就要盡可能地增加天線架設(shè)高度（65m以上的鐵塔約

占50%）。但是，在提升信號(hào)覆蓋范圍的同時(shí)，也增加了鐵塔引雷的

概率。

2外部防護(hù)：

外部防護(hù)是指對(duì)安裝弱電設(shè)備的建筑物本體的安全防護(hù)，可采納

避雷針、分流、屏蔽網(wǎng)、均衡電位、接地等措施，這種防護(hù)措施比較

常見，相對(duì)來說比較完善弱電設(shè)備的外部防護(hù)首先是使用建筑物的避

雷針將主要的雷電流引人大地；其次是在將雷電流引人大地的時(shí)候盡

量將雷電流分流，避免造成過電壓危害設(shè)備；第三是利用建筑物中的

金屬部件以及鋼筋可以作為不規(guī)則的法拉第籠，起到一定的屏蔽作

用，如果建筑物中的設(shè)備是低壓電子邏輯系統(tǒng)、遙控、小功率信號(hào)電

路的電器，則需要加裝專門的屏蔽網(wǎng)，在整個(gè)屋面組成不大于5m—

5m,6m—4m的網(wǎng)格，所有均壓環(huán)采納避雷帶等電位連接；第四是建

筑物各點(diǎn)的電位均衡，避免由于電位差危害設(shè)備；第五是保證建筑物

有優(yōu)良的接地，降低雷擊建筑物時(shí)接點(diǎn)電位損壞設(shè)備。

2.1電力系統(tǒng)綜合自動(dòng)化變電站的局域網(wǎng)的安全防雷保護(hù)從機(jī)

房到各保護(hù)裝置的通信線

如果采納架空線路，則易受到雷擊，應(yīng)在進(jìn)機(jī)房前改為埋地電纜,

電纜長度應(yīng)大于50m,其金屬外護(hù)層應(yīng)在兩端分別與機(jī)房地網(wǎng)連接，

采納非金屬護(hù)套電纜時(shí)，應(yīng)穿金屬管埋地，至少金屬管兩端同樣應(yīng)接

地，金屬管全長應(yīng)堅(jiān)持電氣連接。

2.2電力系統(tǒng)綜合自動(dòng)化變電站監(jiān)控機(jī)房及通信機(jī)房的安全屏

蔽措施

屏蔽是利用各種金屬屏蔽體來阻擋和衰減施加在計(jì)算機(jī)等設(shè)備

上的電磁干擾或過電壓所產(chǎn)生的龐大能量。對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來說具體可

分為建筑物屏蔽、設(shè)備屏蔽和各種線纜包含管道的屏蔽。建筑物的屏

蔽可利用建筑物鋼筋、金屬構(gòu)架、金屬門窗、地板等均互相焊接或可

靠連接在一起，形成一個(gè)法拉第籠保護(hù)，并通過接地網(wǎng)可靠的電氣連

結(jié)，形成初級(jí)屏蔽網(wǎng)。設(shè)備的屏蔽應(yīng)該對(duì)計(jì)算機(jī)設(shè)備耐電壓能力進(jìn)行

嚴(yán)格且嚴(yán)密的調(diào)查，按IEC劃分的防雷區(qū)（LPZ）施行多級(jí)屏蔽。屏

蔽的效果首先取決二初級(jí)屏蔽網(wǎng)的衰減程度，其次取決于屏蔽層厚

度，厚度最科學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)為接近電磁波的波長，使電磁波在到達(dá)機(jī)房內(nèi)

部時(shí)消減到最小程度，材料為密度大而且可靠程度高的網(wǎng)孔密度屏蔽

材料，但以上必須按信號(hào)頻率而定，低頻時(shí)采納高導(dǎo)磁材料，高頻時(shí)

采納銅材，鉛材為宜。特別注意的是在雷雨天氣里，屏蔽中要注意對(duì)

各種“洞〃的密封，除門窗外，重點(diǎn)對(duì)入戶的金屬管道、通信線路，

電力線纜入口作好屏蔽，各種線纜均要采用屏蔽措施，金屬絲紡織

網(wǎng)、金屬軟導(dǎo)管、硬導(dǎo)管、棧橋均可用于屏蔽線纜。在此強(qiáng)調(diào)二點(diǎn)注

意事項(xiàng)。其一是屏蔽管線的接地，一般要求入戶線采納地下電纜入戶，

其電纜金屬護(hù)層，在前后兩端做優(yōu)良接地。測量結(jié)果說明，電線電纜

屏蔽層一端接地時(shí)可將高頻干擾電壓降低一個(gè)數(shù)量級(jí)，兩端接地時(shí)可

降低兩個(gè)數(shù)量級(jí)。其二是使用金屬絲編制網(wǎng)屏蔽電纜，因其重量輕，

使用方便而被廣泛應(yīng)用，但是在電磁波頻率較高時(shí)，其波長接近編織

層網(wǎng)孔尺寸時(shí)，波的透入增力口，因此，最好再穿一層金屬管。

2.3、電力系統(tǒng)二次保護(hù)系統(tǒng)的等電位連接是安全防雷的重要措

施

等電位連接是IEC標(biāo)準(zhǔn)中指出內(nèi)部防雷措施的一部份，其目的在

于減少雷電流所引起的電位差對(duì)設(shè)備的危害。所謂等電位連接就是用

連接導(dǎo)線或過電壓電涌保護(hù)器，將處在需要防雷的空間內(nèi)的防雷裝置

和建筑物的金屬構(gòu)架、金屬裝置、外來導(dǎo)線、電氣裝置、電信裝置等

連接起來，形成一個(gè)等電位連接網(wǎng)絡(luò)，以實(shí)現(xiàn)均壓等電位。

2.4、變電站實(shí)施等電位連接的浪涌保護(hù)器

IEC標(biāo)準(zhǔn)將需要保護(hù)的空間劃分為不同的防雷區(qū)，以規(guī)定各部份

空間不同的LEMP的嚴(yán)重程度和指明各區(qū)交界處等電位連接點(diǎn)的位

置。以往的規(guī)程要求電子設(shè)備單獨(dú)接地，這種接地稱為直流工作地或

信號(hào)地、邏輯地，它實(shí)質(zhì)上是高頻信號(hào)的接地。單獨(dú)信號(hào)地的目的是

為了防止地網(wǎng)中雜散電流或暫態(tài)電流干擾設(shè)備的正常工作，有時(shí)也過

分強(qiáng)調(diào)要求接地電阻的低值。

2.5、儀器儀表雷擊的防護(hù)：防范電子設(shè)備不受雷擊，首先應(yīng)保

證設(shè)備所處的建筑物有完善的避雷設(shè)施，以及保證電力供電系統(tǒng)避雷

措施完備〔在發(fā)電廠、變電站中要保證凹凸壓配電系統(tǒng)避雷優(yōu)良）。

其次由于電子設(shè)備二作電壓低，抵抗過壓能力弱，所以必須重點(diǎn)合計(jì)

防范感應(yīng)雷擊。目前感應(yīng)雷擊的防護(hù)主要采納感應(yīng)雷擊防護(hù)器，或?qū)?/p>

可能感應(yīng)到雷擊的導(dǎo)線加以屏蔽，一般雷擊侵入途徑是由電源線或信

號(hào)線入侵，因此雷擊防護(hù)就是要在雷電的進(jìn)入端將其瀉放到大地，從

而保護(hù)設(shè)備。同時(shí)還有一種狀況感應(yīng)到雷擊，就是避雷裝置引下線與

儀器設(shè)備的電源線或信號(hào)線相距太近且平行而通過電磁感應(yīng)引發(fā)雷

擊，此種雷擊的避免則應(yīng)通過合理布線來解決，即在有關(guān)儀器儀表布

線時(shí)按標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行合理的綜合布線。在此方面，依據(jù)筆者經(jīng)驗(yàn)，關(guān)于儀

器儀表的感應(yīng)雷擊防護(hù)，假設(shè)設(shè)備所處環(huán)境存在雷擊可能，則應(yīng)給予

全面保護(hù)，否則往往就有漏保的可能。除了一般注重電源線的防護(hù)外,

特別不能忽視信號(hào)線防雷，關(guān)于裝設(shè)于戶外的電子設(shè)備或線路，必須

對(duì)有關(guān)線路采用兩端保護(hù)或多點(diǎn)保護(hù)方式。關(guān)于重要線路，如有可能

盡量采納穿金屬管埋地方式敷設(shè)，以形成線路屏蔽，減少感應(yīng)雷擊。

四、電力系統(tǒng)雷擊防護(hù)器的工作原理

電力系統(tǒng)目前的防雷器多采納兩種工作方式：開路方式與短路方

式。開路方式是指在防雷器碰到瞬間過電壓時(shí)開路從而隔離設(shè)備，如

隔離變壓器、電感器、光隔離器類防雷器便是采納此種原理。短路方

式是指在防雷器碰到瞬間過電壓時(shí)對(duì)地短路使雷電流導(dǎo)入大地，從而

保護(hù)電子設(shè)備。由于短路方式防雷器本身承受反壓低，設(shè)備經(jīng)濟(jì)簡單,

所以應(yīng)用比較廣泛。其保護(hù)原理（見圖一），短路方式防雷器多為一

個(gè)或幾個(gè)功能模塊的組合，由于各個(gè)模塊對(duì)雷擊防護(hù)性能有一些區(qū)

別，所以在選擇避雷器時(shí)最好有所了解。其中抑制二極管及限流電阻

模塊可精密控壓，但泄流較??；壓敏電阻模塊啟動(dòng)電壓低、啟動(dòng)快，

但同樣泄流小，過載能力低；氣體放電管模塊泄流大，但啟動(dòng)電壓較

高。此外為防止較大過電壓沖擊。

五、新形勢下的現(xiàn)代防雷技術(shù)及改革

現(xiàn)行過電壓保護(hù)規(guī)范