工厂防雷保护设计（共7篇）
工厂防雷保护设计 篇1
随着社会的发展,建筑物的规模不断扩大,其内各种电气设备的使用日趋增多,尤其是计算机网络信息技术的普及,建筑物越来越多采用各种信息化的电气设备。我国每年因雷击破坏建筑物内电气设备的事件时有发生,所造成的损失巨大。因此建筑物的防雷设计就显得尤为重要。
1 防感应雷保护设计的重要性
直击雷和感应雷是雷电入侵建筑物内电气设备的2种形式。直击雷是雷电直接击中线路并经过电气设备入地的雷击过电流;感应雷是由雷闪电流产生的强大电磁场与导体感应出的过电压、过电流形成的雷击。根据国家标准《建筑物防雷设计规范》GB50057-94(2000年版)规定,建筑物的防雷区划分为LPZOA、LPZOB、LPZ1、LPZn+1等区(各区的具体含义本文不再赘述)。将需要保护的空间划分为不同的防雷分区,是为了规定各部分空间不同的雷击电磁脉冲的严重程度和等电位联结点的位置,从而决定位于该区域的电子设备采用何种电涌保护器及在何处以何种方式实现与共同接地体等电位联结。
建筑物直击雷的保护区域为LPZOA区,其保护设计已为电气设计人员所熟知。根据国家标准《建筑物防雷设计规范》GB50057-94(2000年版),设计由避雷网(带)、避雷针或混合组成的接闪器、立柱基础的钢筋网与钢屋架、屋面板钢筋等构成一个整体,避雷网通过全部立柱基础的钢筋作为接地体,将强大的雷电流引入大地。由感应雷产生的雷电过电压、过电流主要有以下3个途径:
(1)由供电电源线路入侵:高压电力线路遭直击雷袭击后,经过变压器耦合到各低压0.38/0.22k V线路传送到建筑物内各低压电气设备;另外,低压线路也可被直击雷击中或感应雷过电压,其感应雷电过电压平均可达10k V,完全可以击坏各种电气设备,尤其是电子信息设备。
(2)由建筑物内计算机通信等信息线路入侵,可分为3种情况:(1)当地面突出物遭直击雷打击时,强雷电压将邻近土壤击穿,雷电流直接入侵到电缆外皮,进而击穿外皮,使高压入侵线路。(2)雷云对地面放电时,在线路上感应出上千伏的过电压,击坏与线路相连的电器设备,通过设备连线侵入通信线路。这种入侵沿通信线路传播,涉及面广,危害范围大。(3)若通过一条多芯电缆连接不同来源的导线或者多条电缆平行铺设时,当某一导线被雷电击中时,会在相邻的导线感应出过电压,击坏低压电子设备。
(3)地电位反击电压通过接地体入侵:雷击时强大的雷电流经过引下线和接地体泄入大地,在接地体附近放射型的电位分布,若有连接电子设备的其他接地体靠近时,即产生高压地电位反击,入侵电压可高达数万伏。建筑物防直击雷的避雷引入了强大的雷电流通过引下线入地,在附近空间产生强大的电磁场变化,会在相邻的导线(包括电源线和信号线)上感应出雷电过电压,因此建筑物避雷系统不但不能保护计算机,反而可能引入了雷电。计算机网络系统等设备的集成电路芯片耐压能力很弱,通常在100V以下,因此必须建立多层次的计算机防雷系统,层层防护。
由此可见,对建筑物内各电气设备进行防感应雷保护设计是必不可少的一项内容,设计的合理与否对电气设备的安全使用与运行有着至关重要的作用。
2 电涌保护器最大放电电流的选择
目前,在感应雷的防护当中,电涌保护器的使用已日趋频繁。它能根据各种线路中出现的过电压,过电流及时作出反应,泄放线路的过电流,从而达到保护电气设备的目的。根据国家标准《建筑物防雷设计规范》GB50057-94(2000年版)第6.4.4条规定:电涌保护器必须能承受预期通过它们的雷电流,并应符合以下2个附加要求:
(1)通过电涌时的最大钳压有能力熄灭在雷电流通过后产生的工频续流,即电涌保护器的最大钳压加上其两端的感应电压应与所属系统的基本绝缘水平和设备允许的最大电涌电压协调一致。
(2)应根据国家标准《建筑物防雷设计规范》GB50057-94(2000年版)附录六规定的各类防雷建筑物的雷击电流值选择电涌保护器的最大放电电流。
2.1 一类防雷建筑物
(1)根据国家标准《建筑物防雷设计规范》GB50057-94(2000年版)附录六规定,其首次雷击电流幅值为200k A,波头10us;二次雷击电流幅值为50k A,波头0.25μs;全部雷电流i的50%按流入建筑物防雷装置的接地装置计,另外50%按1/3分配于线缆计;首次雷击:总配电间第根供电线缆雷电流分流值为200×50%/3/3=11.11k A;后续雷击:总配电间每根供电线缆雷电流分流值为50×50%/3/3=2.78k A;如果进线电缆已经进行屏蔽处理,其每根供电线缆雷电流的分流值将减低到原来的30%,即11.11k A×30%=3.3k A及2.78k A×30%=0.8k A,而在电涌保护器承受10/350μs的雷电波能量相当于8/20μs的雷电波能量的5~8倍,所以选择能承受8/20μs波形电涌保护器的最大放电电流为11.11×8=88.9k A;即设计应选用电涌保护器SPD的最大放电电流为100k A,以法国SOULE公司产品为例,选用PU100型。根据国家标准《建筑物防雷设计规范》GB50057-94(2000年版)第6.4.7条规定,该级电涌保护器应在总配电间处安装,即在LPZOA、LPZOB与LPZ1区的交界处安装。
(2)根据国家标准《建筑物防雷设计规范》GB50057-94(2000年版)第6.4.8、第6.4.9条规定,在分配电箱处,即在LPZ1与LPZ2区的交界处安装电涌保护器,其额定放电电流不宜小于5k A(8/20μs),故此处应选用电涌保护器SPD的最大放电电流为40k A,额定放电电流为10k A;以法国SOULE公司产品为例,选用PU40型。
2.2 二类防雷建筑物
(1)根据国家标准《建筑物防雷设计规范》GB50057-94(2000年版)附录六规定,其首次雷击电流幅值为150k A,波头10μs;二次雷击电流幅值为37.5k A,波头0.25μs;全部雷电流i的50%按流入建筑物防雷装置的接地装置计,另外50%按1/3分配于线缆计;首次雷击:总配电间每根供电线缆雷电流分流值为150×50%/3/3=8.33k A;后续雷击:总配电间每根供电线缆雷电流的分流值为37.5×50%/3/3=2.08k A;如果进线电缆已经进行屏蔽处理,其每根供电线缆雷电流的分流值将减低到原来的30%,即8.33k A×30%=2.5k A及2.08k A×30%=0.6k A,而在电涌保护器承受10/350μs的雷电波能量相当于8/20μs的雷电波能量的5~8倍,所以选择能承受8/20μs波形电涌保护器的最大放电电流为8.33×8=66.6k A;即设计应选用电涌保护器SPD的最大放电电流为65k A,以法国SOULE公司产品为例,选用PU65型。根据国家标准《建筑物防雷设计规范》GB50057-94(2000年版)第6.4.7条规定,该级电涌保护器应在总配电间处安装,即在LPZOA、LPZOB与LPZ1区的交界处安装。
(2)根据国家标准《建筑物防雷设计规范》GB50057-94(2000年版)第6.4.8、第6.4.9条规定,在分配电箱处,即在LPZ1与LPZ2区的交界处安装电涌保护器,其额定放电电流不宜小于5k A(8/20μs),故此处应选用电涌保护器SPD的最大放电电流为40k A,额定放电电流为10k A;以法国SOULE公司产品为例,选用PU40型。
2.3 三类防雷建筑物
(1)根据国家标准《建筑物防雷设计规范》GB50057-94(2000年版)附录六规定,其首次雷击电流幅值为100k A,波头10μs;二次雷击电流幅值为25k A,波头0.25μs;全部雷电流i的50%按流入建筑物防雷装置的接地装置计,另外50%按1/3分配于线缆计;首次雷击:总配电间每根供电线缆雷电流分流值为100×50%/3/3=5.55k A;后续雷击:总配电间每根供电线缆雷电流分流值为25×50%/3/3=1.39k A;如果进线电缆已经进行屏蔽处理,其每根供电线缆雷电流的分流值将减低到原来的30%,即5.55k A×30%=1.7k A及1.39k A×30%=0.4k A,而在电涌保护器承受10/350μs的雷电波能量相当于8/20μs的雷电波能量的5~8倍,所以选择能承受8/20μs波形电涌保护器的最大放电电流为5.55×8=44.4k A;即设计应选用电涌保护器SPD的最大放电电流为40k A,以法国SOULE公司产品为例,选用PU40型,根据国家标准《建筑物防雷设计规范》GB50057-94(2000年版)第6.4.7条规定,该级电涌保护器应在总配电间处安装,即在LPZOA、LPZOB与LPZ1区的交界处安装。
(2)根据国家标准《建筑物防雷设计规范》GB50057-94(2000年版)第6.4.8、第6.4.9条规定,在分配电箱处,即在LPZ1与LPZ2区的交界处安装电涌保护器,其额定放电电流不宜小于5k A(8/20μs),故此处应选用电涌保护器SPD的最大放电电流为40k A,额定放电电流为10k A;以法国SOULE公司产品为例,选用PU40型。
3 防雷措施
在防雷保护设计中,总的防雷原则是采用三级保护,将绝大部分雷电流直接引入地下基础接地装置泄散,阻塞沿电源线或数据、信号线引入的过电压,限制被保护设备上浪涌过电压幅值(过电压保护)。这三道防线,缺一不可,相互配合,各行其责。目前通常的做法有以下几点:
(1)建立联合共用接地系统,形成等电位防雷体系。将建筑物的基础钢筋(包括桩基、承台、底板、地梁等)、梁柱钢筋、金属框架、建筑物防雷引下线等连接起来,形成闭合良好的法拉第笼式接地,将建筑物各部分的接地(包括交流工作地、安全保护地、直流工作地、防雷接地)与建筑物法拉第笼良好连接,从而避免各接地线之间存在电位差,以消除感应过电压产生。
(2)电源系统防雷。以建筑物为1个供电单元,在供电线路的各部位(防雷区交接处)逐级安装电涌保护器,以消除雷击过电压。
(3)等电位联结系统。国家标准《建筑物防雷设计规范》GB50057-94(局部修订条文)明确规定,各防雷区交接处必须进行等电位联结,尤其建筑物内的计算机房等弱电机房遭受直击雷的可能性比较小,所以在此处除采取电涌保护器进行感应雷防护外,还应采用等电位联结方式来进行防雷保护。
4 结束语
作为电气设计人员都非常清楚,建筑物的防雷保护设计是一项繁琐的内容,但对建筑物的安全使用,电气设备的正常运行有着至关重要的作用。所以,还有待于各位电气设计人员作进一步的研究与探讨,同时必须严格按照国家标准、规范,善为谋划,精心设计。
试论建筑物的防雷保护设计 篇2
1 雷电对建筑的危害
1.1 直击雷击是指雷云之间或雷云与地之间与建筑物的某一点放电。
其主要危害有:a.强大的雷电流通过被击物体时产生热效应, 这种热效应所产生巨大的热量会使被击物体温度突升, 甚至引起火灾。b.达数十甚至数百千安雷电流通道, 会使空气急剧膨胀, 并以超生速向四周扩散, 其外围附近的冷空气被强烈压缩, 形成“激波”, 它会破坏其附近的建筑物、人员、树木等。c.雷电流通过导体产生的雷电电磁场, 产生电动力效应, 会使处在其中的导体受力变形甚至折断。
1.2 感应雷击是指雷电通过静电感应或电磁感应对被击物体的损坏。
雷电流有50%是直接流入大地, 还有50%是流入各电气道 (如电源线、信号线和金属管道等) 。当雷闪放电发生或雷击输电线路时, 强大的雷电流会产生强大的电磁场。感应雷击其主要危害有:
a.在雷云出现后, 雷云下的建筑物由于静电感应作用而带上大量相反电荷, 雷击过后, 雷云所带的电荷与地很快中和, 而地上某些局部上的感应电荷, 由于与大地间电阻较大, 而且不能在同样短的时间内相互消失, 形成了局部地区高的感应电压, 该电压达数十千伏至数百千伏, 这样高的的电压可使接地不良的电气系统遭受破坏。b.雷电产生电磁感应的破坏。由于雷电有极大的峰值和陡度, 在其周围形成强大的变化的电磁场, 处在变化电磁场中的导体会感应出较大的电压, 该电压由导线可传至较远电气设备。c.雷电产生地电位反击的破坏。如果在建筑不同接地系统被泄入雷电流时, 引起电位不均, 高电位的地会反击低电位的地, 导致电气设备损坏。
2 建筑物防雷设计
直击雷和感应雷是雷电入侵建筑物内电气设备的两种形式。直击雷是雷电直接击中线路并经过电气设备入地的雷击过电流;感应雷是由雷闪电流产生的强大电磁场变化与导体感应出的过电压、过电流形成的雷击。根据国家标准《建筑物防雷设计规范》GB50057-94 (2000年版) 规定, 建筑物的防雷区划分为LPZOA, LPZOB, LPZ1, LPZn+1等区 (各区的具体含义不再赘述) 。将需要保护的空间划分为不同的防雷分区, 是为了规定各部分空间不同的雷击电磁脉冲的严重程度和等电位联结点的位置, 从而决定位于该区域的电子设备采用何种电涌保护器在何处以何种方式实现与共同接地体等电位联结。
建筑物直击雷的保护区域为LPZOA区, 其保护设计已为电气设计人员所熟知, 根据国家标准《建筑物防雷设计规范》GB50057-94 (2000年版) , 设计由避雷网 (带) 、避雷针或混合组成的接闪器, 立柱基础的钢筋网与钢屋架, 屋面板钢筋等构成一个整体, 避雷网通过全部立柱基础的钢筋作为接地体, 将强大的雷电流入大地。建筑物感应雷的保护区域为LPZOB, LPZ1, LPZn+1区, 即不可能直接遭受雷击区域;感应雷是由遭受雷击电磁脉冲感应或静电感应而产生的, 形成感应雷电压的机率很高, 对建筑物内的电气设备, 尤其低压电子设备威胁巨大, 所以说对建筑物内部设备的防雷保护的重点是防止感应雷入侵。据测, 低压线路上感应的雷电过电压平均可达10KV, 完全可以击坏各种电气设备, 尤其是电子信息设备。因此, 对建筑物内各电气设备进行防感应雷保护设计是必不可少的一项内容;设计的合理与否, 对电气设备的安全使用与运行有着至关重要的作用。
目前根据国家标准《建筑物防雷设计规范》GB50057-94 (2000年版) 附录六规定的各类防雷建筑物的雷击电流值进行电涌保护器的最大放电电流的选择。
2.1 一类防雷建筑物
2.1.1 根据国家标准《建筑物防雷设计规范》
GB50057-94 (2000年版) 附录六规定, 其首次雷击电流幅值为200KA, 波头10us;二次雷击电流幅值为50KA, 波头0.25us。
2.1.2 根据国家标准《建筑物防雷设计规范》GB50057-94 (2000年版) 第6.
4.7条规定, 该级电涌保护器应在总配电间处安装, 即在LPZOA, LP-ZOB与LPZ1区的交界处安装。
2.1.3 根据国家标准《建筑物防雷设计规范》GB50057-94 (2000年版) 第6.
4.8, 第6.4.9条规定, 在分配电箱处, 即在LPZ1与LPZ2区的交界处安装电涌保护器, 其额定放电电流不宜小于5KA (8/20us) , 故此处应选用电涌保护器SPD的最大放电电流为40KA, 额定放电电流为10KA;以法国SOULE公司产品为例, 选用PU40型。
2.2 二类防雷建筑物
2.2.1 根据国家标准《建筑物防雷设计规范》
GB50057-94 (2000年版) 附录六规定, 其首次雷击电流幅值为150KA, 波头10us;二次雷击电流幅值为37.5KA, 波头0.25us。
2.2.2 根据国家标准《建筑物防雷设计规范》GB50057-94 (2000年版) 第6.
4.7条规定, 该级电涌保护器应在总配电间处安装, 即在LPZOA, LP-ZOB与LPZ1区的交界处安装。
2.2.3 根据国家标准《建筑物防雷设计规范》GB50057-94 (2000年版) 第6.
4.8, 第6.4.9条规定, 在分配电箱处, 即在LPZ1与LPZ2区的交界处安装电涌保护器, 其额定放电电流不宜小于5KA (8/20us) , 故此处应选用电涌保护器SPD的最大放电电流为40KA, 额定放电电流为10KA;以法国SOULE公司产品为例, 选用PU40型。
2.3 三类防雷建筑物
2.3.1 根据国家标准《建筑物防雷设计规范》
GB50057-94 (2000年版) 附录六规定, 其首次雷击电流幅值为100KA, 波头10us;二次雷击电流幅值为25KA, 波头0.25us。
2.3.2 根据国家标准《建筑物防雷设计规范》GB50057-94 (2000年版) 第6.
4.7条规定, 该级电涌保护器应在总配电间处安装, 即在LPZOA, LP-ZOB与LPZ1区的交界处安装。
2.3.3 根据国家标准《建筑物防雷设计规范》GB50057-94 (2000年版) 第6.
4.8, 第6.4.9条规定, 在分配电箱处, 即在LPZ1与LPZ2区的交界处安装电涌保护器, 其额定放电电流不宜小于5KA (8/20us) , 故此处应选用电涌保护器SPD的最大放电电流为40KA, 额定放电电流为10KA;以法国SOULE公司产品为例, 选用PU40型。
在供电线路中, 电涌保护器的具体安装以较常用的TN-S系统、TN-C-S系统、TT系统为例, 示意如下: (1) TN-S系统过电压保护方式; (2) TN-C-S系统过电压保护方式; (3) TT系统过电压保护方式。
综合上述, 在防雷保护设计中, 总的防雷原则是采用三级保护:a.将绝大部分雷电流直接引入地下基础接地装置泄散;b.阻塞沿电源线或数据、信号线引入的过电压;c.限制被保护设备上浪涌过电压幅值 (过电压保护) 。这三道防线, 缺一不可, 相互配合, 各行其责。
目前通常作法是以下三点:a.建立联合共用接地系统, 形成等电位防雷体系:将建筑物的基础钢筋 (包括桩基、承台、底板、地梁等) 、梁柱钢筋、金属框架、建筑物防雷引下线等连接起来, 形成闭合良好的法拉第笼式接地, 将建筑物各部分的接地 (包括交流工作地, 安全保护地, 直流工作地, 防雷接地) 与建筑物法拉第笼良好连接, 从而避免各接地线之间存在电位差, 以消除感应过电压产生。b.电源系统防雷:以建筑物为一个供电单元, 应在供电线路的各部位 (防雷区交接处) 逐级安装电涌保护器, 以消除雷击过电压。c.等电位联结系统:国家标准《建筑物防雷设计规范》GB50057-94 (局部修订条文) 明确规定, 各防雷区交接处, 必须进行等电位联结;尤其建筑物内的计算机房等弱电机房, 遭受直击雷的可能性比较小, 所以在此处除采取电涌保护器进行感应雷防护外, 还应采用等电位联结方式来进行防雷保护。
结语
工厂防雷保护设计 篇3
10 k V油田配电网分布广、设备多,线路结构以T接线路为主,相对于其他配电网,因雷电过电压引起线路跳闸的几率大。对油田配电网防雷保护方法进行研究,提出新的防雷保护方案,设计防雷保护间隙。避免发生雷击断线、绝缘子闪络而造成大面积停电和引起重大人身伤害事故,提高供电可靠性和经济效益。
1 架空绝缘导线断线机理
绝缘导线的雷击断线特性表现为雷电过电压引起绝缘子闪络并击穿导线绝缘层时,被击穿的绝缘层呈一针孔状,持续的工频短路电流电弧受周围绝缘的阻隔,弧根只能在针孔处燃烧,在极短的时间内导线就会被整齐的烧断。通常在工频续流烧断导线或损坏绝缘子之前就会引起断路器动作,切断电弧[1]。因此,及时切断雷电流引起的工频续流,是防止架空绝缘导线线路雷击断线事故的根本方法。传统的防雷措施是直接加装氧化锌避雷器,该方法虽然可以在一定程度上防止雷击断线及绝缘子闪络,但由于避雷器长时间承载电压,大大缩短了使用寿命,另外雷击后避雷器保护残压大,许多时候不能使线路重合闸成功。
本文以氧化锌避雷器为基础设计了其外间隙的形式,当线路出现雷电过电压时,外间隙首先放电,雷电流经氧化锌限流元件释放,而工频续流则被氧化锌限流元件截断,从而防止因雷击引起的工频续流高温熔断绝缘线路(雷击断线及绝缘子闪络),保护绝缘线路。
2 安装氧化锌避雷器时保护间隙的确定
2.1 雷电冲击过电压下的绝缘配合
对空气间隙施加冲击电压,使电压随着时间迅速由零上升到峰值后,又逐渐哀减。研究表明,空气间隙完成击穿过程所需的时间与电压形式和间隙的结构都有关,但在任何情况下,这个时间都反映出有它的偶然性,这一现象决定了空气间隙击穿的统计性。在多次施加电压时,击穿时而发生,存在一个击穿的概率P。随着电压峰值的继续升高,多次施加电压时,间隙的击穿百分比越来越高。最后,当电压峰值超过某一值后,间隙在每次施加电压时都将发生击穿[2]。事实上,这个值在实验中是很难准确求得的,但已有的试验数据表明,在雷电冲击击穿电压下,空气间隙击穿电压或绝缘子串的闪络电压的概率大体上遵从正态分布,可用式(1)来表示[3]
式(1)中u50为击穿概率为50%时的峰值电压,δ是标准偏差。在极不均匀电场中,由于放电时延较长,雷电冲击击穿电压的分散性也大,其标准偏差可取为3%。函数P(u)不存在为0和1的数值,因此相当于P=0的耐受电压u0和p=1的保证击穿电压u100取u0=u50(1-3δ),u100=u50(1+3δ)。查表可知,当u0=0.9u50,u100=1.09u50时,其耐受概率和间隙保证击穿的概率均为99.85%,因此以u0和u100来进行绝缘配合,安全性是足够高的。
设保护间隙在雷电冲击50%放电电压为uh50,在此间隙距离下的雷电冲击波形的保证击穿电压uh100=uh50(1+3δ)。另设绝缘子串的雷电冲击50%放电电压为uj50,则此绝缘子串的雷电冲击耐受电压uj0=uj50(1-3δ)。按照雷电冲击电压下保护间隙和绝缘子串的绝缘配合原则,要使保护间隙在雷电冲击过电压下能够保证先于绝缘子串放电,可靠保护绝缘子,使uh100=uj0,uh50(1+3δ)=uj50(1-3δ),计算知此时uh50=0.835uj50,即只要保护间隙的雷电冲击50%放电电压不大于绝缘子串雷电冲击50%放电电压的0.835倍,保护间隙就可以在雷电过电压时对绝缘子串进行有效的保护[4]。
这种绝缘配合方式下保护间隙对绝缘子串的保护效果分析如下:设uh和uj,分别为保护间隙的雷电冲击击穿电压和绝缘子串的闪络电压uhN(uh50,0.032u2h50),uj-N(uj50,0.032u2j50)。当uh<uj时,可知保护间隙对绝缘子进行了有效保护,反之则绝缘子串先于间隙放电,保护失效。由于保护间隙的引弧端头与绝缘子串之间有相当的距离,因此可以设uh和uj相互独立,uh-uj-N(uh50-uj50,0.032u2h50+0.032u2j50),令t=uh-uj,uh50=kuj50,(0<k<1),则
对式(2)进行标准化,令则z服从标准正态分布,当uk>uj时保护是小概率,为:取k=0.85,查标准正态分布表可得到P(uh>uj)=P(z>3.81)=0.007%,即保护间隙的雷电冲击50%放电电压只要不大于绝缘子串的雷电冲击50%放电电压的0.85倍,则保护间隙对绝缘子串的保护有效性不小于99.993%。因此采用uh50=0.835uj50[5],即保护间隙雷电冲击50%放电电压为绝缘子串放电冲击闪络电压的0.835倍,是可以在雷击闪络时对绝缘子串进行有效保护的[5]。
以龙北油田东一线为例,10 k V输电线路一般采用P—15绝缘子,有关试验数据表明,雷电冲击作用下,查正极性雷电冲击电压下绝缘子串击穿电压与绝缘子串长的关系曲线可知,10 kV输电线路绝缘子串的正极性雷电冲击50%放电电压为118 k V。按上述绝缘配合原则,保护间隙的雷电冲击50%放电电压应该不大于以上绝缘子串雷电冲击50%闪络电压的0.835倍,即不大于90.53 kV时,才能对绝缘子串进行有效的保护。根据日本NGK公司的招弧间隙标准,雷电冲击击穿电压u50%与保护间隙距H(m)的关系公式u50%=550H+80,可算得当u50%=90.53 kV时,间隙距离H=21.06 mm,这就是保护间隙在雷电冲击过电压下与10 k V输电线路绝缘子P—15进行绝缘配合的间隙距离,即保护间隙的距离应该不大于21.06 mm,这时才能保证间隙能够先于绝缘子串放电。
2.2 操作过电压下的绝缘配合
操作过电压产生的原因是电力系统中存在着许多电感和电容元件,如电力变压器、互感器、发电机、消弧线圈、电抗器、线路电感等,它们均可以作为电感元件,而线路导线对地电容和相间电容,补偿用的并联和串联电容器组,和高压设备的杂散电容均可作为电容元件。当系统进行操作或发生故障使其工作状态发生变化时,将产生过渡过程,在过渡过程中,由于电源继续供给能量,而且储存在电感中的磁能将会在一瞬间转变为以静电场能量形式储存在系统的电容中,由此产生了数倍于电源电压的操作过电压,操作过电压是延续几毫秒至几十毫秒之后才消失的暂态过电压。近年来开展的对操作过电压波形下气体绝缘放电特性的研究表明,操作过电压的波形对放电电压也有很大的影响。试验表明,对于各种形状的空气间隙,操作冲击电压下空气间隙的击穿多发生右波前时间范围内,波尾时间对击穿电压没有影响,并且操作冲击的击穿电压和波前时间之间呈现所谓的“U形曲线”的关系,即空气间隙的50%击穿电压在不同的波前时间下具有极小值,并且对应于极小值的波前时间随着间隙距离的增大而增加。对于7 m以下的间隙,这个波前时间大致在(50—200)μS之间,因此采取规程规定的250/2 500μS标准操作冲击波形下的保护间隙的击穿电压进行绝缘配合。
10 kV输电线路的绝缘配合要考虑以下几种操作过电压:空载线路合闸和重合闸过电压、开断空载线路和并联补偿电容过电压、开断空载变压器过电压、以及单相间歇性电弧接地过电压。对于10 kV系统的绝缘配合,系统的最大操作过电压U可取为4倍的线路最大运行相电压,即40 kV。在操作冲击电压下,空气间隙的击穿电压或绝缘子串的闪络电压的概率分布大体上也遵从正态分布,如同雷电冲击电压一样,也用式(1)表示。但是与雷电冲击电压不同的是,由于空间电荷的形成、扩散和放电时延有很大的统计性,所以操作冲击击穿电压的分散性很大,一般要比雷电冲击击穿电压大得多。对于波前时间在数十到数百微妙的操作冲击电压,极不均匀电场间隙的50%击穿电压的标准偏差σ约为5%,波前时间超过1 000μs后,可达8%左右。因此保护间隙在操作冲击电压下的耐受电压仍可以取为:u0=u50(1-3σ)。根据保护间隙在操作冲击过电压下的绝缘配合原则,即要使保护间隙在系统可能的最大操作过电压下击穿的概率足够小,也不降低整个线路的绝缘水平,应使um=u0=u50(1-3σ)。因为保护间隙的操作冲击击穿电压的波形取为250/2 500μs的标准波形,这里σ取为5%,得(u50-um)/um=0.15/0.85=0.176。即满足在操作冲击击穿电压下绝缘配合的要求,保护间隙的操作冲击50%放电电压应该比系统的最大操作过电压高17.6%。
由此可知,10 k V系统的最大操作过电压为40 kV,因此保护间隙的操作冲击50%放电电压应该大于47.04 kV,可能满足设计要求。因为极不均匀电场中操作冲击击穿电压同样有极性效应,正极性下的操作冲击50%击穿电压要比负极性下小的多,所以进行绝缘配合的保护间隙的操作冲击击穿电压取为正极性下的值。按照u50=47.04 kV,查正极性下标准操作冲击波50%放电电压和间隙距离的关系曲线,可以得到满足绝缘配合要求的保护间隙的绝缘配合距离为18 mm。
2.3 基于ANSYS的防雷保护间隙与绝缘子配合
仿真
根据以上保护间隙和绝缘子串在雷电冲击电压和操作冲击电压下的绝缘配合的结果可知,满足绝缘配合要求的保护间隙最大距离为21.06 mm,最小间隙距离为18 mm,因此满足设计要求的保护间隙两个引弧端头之间的距离要在最大距离和最小距离之间取值,这里取为20 mm,由此设计出来的间隙距离已经可以满足工程上安装的要求。在10 kV输电线路中多采用P-15针式陶瓷绝缘子。其结构以及尺寸如图1所示。现在其两端加装两个球形招弧端子,即保护间隙为20 mm的两个球形放电装置。两个球直径均为20 mm,两球球心距绝缘子边缘10 mm,建模仿真,如图2和图3。
3 结论
以上所设计的防雷保护间隙在10 kV线路遭受雷击时输导雷电流和工频续流,不使放电电弧沿绝缘子串形成,保护了绝缘子不受烧伤和击穿,防止了线路掉线停电事故的发生,保证了线路在雷电过电压下的安全运行。以上的雷电冲击50%闪络电压仿真结果,验证了所设计的防雷保护间隙的有效性和可靠性,因此该防雷保护间隙具有实用价值。
参考文献
[1]李建龙.输电线路的防雷措施.农村电气化,1997;3(5):4—5
[2]朱德恒,严璋.高电压绝缘.北京:清华大学出版社,1992;68—70
[3]日本电气学会通信教育会.绝缘子.北京:机械工业出版社,1990
[4]YoKoyama S,Tan A,Morooka Y.Lightning performance of over-head power distribution lines considering effect of nearby trees.Proc27th ICLP A Vignon,France,NO.OC-1,2004
工厂防雷保护设计 篇4
宁都电视台属高山广播电视发射台，位于海拔953.8米的莲花山顶，所处的环境条件比较恶劣，属山区雷电多发地带，根据每年雷害事故报告分析，自建台运行以来，屡屡发生雷击，严重影响了广播电视的安全播出。因此，如何保障广播电视发射设备安全运行和人身安全防护是一个很重要的问题。
鉴于上述情况，笔者参阅了大量的防雷技术资料，并根据多年实际勘测情况和雷害情况分析，采用防直击雷、防感应雷、降低接地电阻等防雷办法，于2005年元月份起对我台莲花山机房进行了防雷保护改造，经过两年来雷雨季节的运行情况表明，整个机房的防雷保护取得了明显效果。
2 直击雷的防护
高山发射机房由于外部环境因素，很容易遭到直击雷的侵袭，外部设施有发射塔及卫星接收等信号设施，当机房附近发生雷击时，雷电可能直接击中建筑物或建筑外的设施(如通信线、电缆、馈线、天线等通信设备，或在外的工作人员)，根据我台机房建筑分布情况，我们在考试直击雷防护设计时，按照建筑物防雷二类规范要求设计，同时既要考虑直击雷防护又要考虑侧击雷的防护需求，根据防护对象的需求，采取分别防护的原则，既经济又有效。采用避雷带、避雷针进行直击雷防护，在设计安装避雷针时要计算好避雷针的安装位置和避雷针的合理高度以及避雷针的实际需求数量，总之，既要保障机房防雷安全，同时又要经济合理。
我们按照建筑物防雷规范二类保护要求设计，分别采用避雷针、避雷带和避雷线联合保护方式，经过2年的运行情况表明，直击雷的防护效果明显，未改造前，每年都会遭到直击雷严重的损害。
2.1 外部防雷
根据GB50057-94《建筑物防雷设计规范》(2000年版)规范的要求，必须对弱电系统所在建筑物做外部防雷措施。在设计建筑物外部防雷时，对其建筑物设计时必须考虑到楼顶上须设避雷带及避雷针，另外，建筑物应采用暗敷设引下线(可以利用建筑物构造柱内的主筋做引下线)，其间距不大于25米。另外对机房应用金属均压环，将其与房内金属导电外壳等做等电位连接。外部防雷接地采用独立接地装置，并尽可能与机房建筑接地在地面下用热镀锌扁钢进行焊接。
2.2 内部防雷
2.2.1 屏蔽
空间屏蔽：在机房房顶安装避雷带，并将机房所有窗户的铁栏栅用镀锌扁钢焊接边接成一个整体，构成了大型格栅屏蔽，对建筑以外雷电产生的电磁脉冲有着很好的空间屏蔽作用，即将空间电磁场作了一次大的衰减，从而将系统设备保护在LPZ1区的范围内。
线路屏蔽：为了避免线路上发生耦合现象，及线路之间产生互感电流，弱电各系统布线均采用金属屏蔽线槽架设，并将线槽金属两端做接地处理，金属线槽接头处需做跨接处理。
另外，所有电源线路与信号线路应分线槽布线，且之间间距应大于30cm。如果线路上安装防雷器，要求其地线应单独走线，与其它线路间距大于30cm，而且地线应尽量避免走直角。
设备屏蔽：所有系统重要设备，应考虑设备屏蔽。最好将重要电子设备放置在机柜内，且机柜外壳应做接地处理。
2.2.2 接地
针对各项系统的电子设备，应做好接地系统。根据《建筑物防雷设计规范》GB50057-94中第6.3.3条要求，机房接地应符合本规范其它章的规定外，尚应符合下列规定。1)每幢建筑应采用共用接地系统;2)当互相邻近的建筑物之间有电力和通信电缆连通时，宜将其接地装置互相连接。
2.2.3 均压等电位连接
按照根据《建筑物防雷设计规范》GB50057-94中第6.3.4条要求，穿过各防雷区界面的金属物和系统，以及在一个防雷区内部的金属物和系统均应在界面处做符合要求的等腰三角形电位连接。对机房所有金属设备外壳需做等电位连接，并在静电地板下做均压环设施，让设备地就近接地，避免机房内因建筑物柱筋在泄放雷电流时，引起周围金属物件感应电压不一致，造成设备之间金属放电现象。同时要求均压环与机房柱筋进行连接。这需要根据各系统所在其建筑内的空间决定均压环的大小和平面布置。
2.2.4 设备安全距离
根据《建筑物防雷设计规范》GB50057-94中第6.3.2条要求，设备安放位置应远离建筑物的梁、柱、壁顶等有金属的地方，避免其内钢筋在泄放雷电流时对金属产生较强的磁场，形成电磁脉冲电流，造成设备损坏，各系统电子设备安放位置的安全距离应大于83厘米。
2.2.5 安装SPD（过电压保护装置或浪涌保护器）
根据《建筑物防雷设计规范》GB50057-94中第六章第四节要求，在线路进入不同防雷分区界面上需做等电位连接，即采用电涌保护器。
3 防雷方案设计
根据现代防雷技术和高山台站的有关防雷要求，我们对莲花山机房采取如下防雷保护措施：
3.1 情况分析
根据现场勘测情况表明，莲花山机房为二层砖混建筑物，楼顶或地面装有卫星接收天线和GSM天线，在距建筑物30米范围内装有一座高约68米的铁塔，在铁塔的顶部装有发射天线，根据《建筑物防雷设计规范》(2000版)GB50057-94中有关直击雷防护要求，避雷针保护范围按“滚球法”计算，我台对于直击雷的防护不够完善，铁塔顶上的避雷针不能对高山台进行有效的直击雷的防护。供电方式是采用三相四线，由山下采用架空方式引入山上配电房。电源浪涌过电压防护未能严格按照IEC规范中分级保护的原理设计保护，因此，电源系统存在一定的安全隐患。本台的接地网由于建设年限较久，接地电阻偏大，接地可靠性较差，且地网结构设计不合理。
根据雷击事故分析表明，雷电一般击坏高频头、卫星接收机、分配器、发射机的电源引入端口和发射机馈线信号引入端口，说明雷电由信号线和电源线侵入危害的概率较高。鉴于上述种种问题，可见本台的防雷保护措施不够完善，以下为部分雷击效应分析。
1)避雷针在拦击大电流(一般为超过40KA)先导并经引下线入地的过程中，在周围空间产生很强的电磁场，此时建筑物内部的电源线、数据线因受感应电流的冲击而可能损坏。
2)雷电的“绕击”现象引起的对内部设备的感应雷击。这种绕击电流往往为10KA左右，避雷针接闪器无尖吸引它，它的先导可能闪击该大楼或铁塔旁侧的某个部位，电子设备就会被感应雷电流击坏。
3)户外线路遭到直接雷击后，线路中的大电流窜入机房内部，从而引起对内部设备的损坏，或当雷雨云之间、雷雨云对大地之间放电时，雷闪电流的高频电磁场对暴露在空间的电源线、信号线、数据线感应过电压，传至设备，使之损坏。
4)从以上引入的雷电流的分析中可以得出：在整个机房内电子设备防雷系统工程中，除了有良好的避雷针、下引线和地网系统外，同时必须在电源系统、数据信号系统进行可靠、有效的防护工作，并具有可靠的接地装置。
5)在进行整体防雷保护方案设计时应综合以上分析，从各种可能引入雷电流和感应浪涌及各种过电压的电源和数据信号线路入手，合理选用电源SPD和信号SPD，对机房设备及其它重要终端进行保护，防雷工程的重点放在因雷击或线路过电压产生的浪涌过电压和流涌电流而导致对内部设备的损坏上。同时，做好直击雷、侧击雷的防护，做好机房等电位连接，改造好接地系统。
3.2 外部防雷设计
本台海拔高953.8米，铁塔高70米，根据铁塔与建筑物的分布情况，按照建筑物二类防雷规范计算，该台对于直击雷的防护不够全面，受直击雷的危害较大，因此，应加强直击雷、侧击雷的防护措施。
在铁塔的1个平台(该平台距塔顶30米)四周分别加装避雷针防止侧击雷的危害(防止侧击雷击到馈线、卫星天线和建筑物)。在建筑物楼顶距卫星接收机5～7米的位置增加两根高5米的避雷针，与铁塔上避雷针形成联合保护，使直击雷的防护区域增大，这样，在外部的信号天线和建筑物及机房得到了有效的保护。
3.3 内部防雷设计
3.3.1 电源系统雷电及过电压防雷保护
根据IEC61312防雷及过电压规范中有关防雷分区的划分，针对重要系统的防雷应分为三个区，分别加以考虑。只做单级防雷可能会带来危险，因雷电流过大而导致泄流后残压过大破坏设备或者保护能力不足引起的设备损坏。电源系统多级保护，可防范从直击雷到各级过电压的侵袭。
根据电源分级防雷要求，对用电设备应充分防护，需加装三级电源防雷器，使通过第一级防雷器后的雷电流的残压限制在(2500～4000V)，而通过第二级防雷器的雷电流的残压应限制在(1800～2500V)，通过第三级防雷器保护后，使雷电流的残压进一步限制在用电设备所能承受的安全电压范围内(800～1200V左右)。根据电器设备设计标准，当浪涌电压达到1670V以上时，就会有内部线路绝缘被击穿的可能性，并导致设备的直接损坏。可见如果电源防雷保护不充分，可能会使用通过用电设备的电流残压过高而导致设备的损坏。
电源第一级防雷：根据国家有关低压防雷的有关规定，外接金属线路进入建筑物之前必须埋地穿金属管槽15米以上的距离进入建筑物，且要在建筑物的线路进入端加装低压避雷器。必须做到在电源的进入端安装低压总电源防雷器，将由外部线路可能引入的雷击高电压引至大地泄放，以确保后接设备的安全。
作为系统电源进线端的主级防雷器，在雷击多发地带至少应选用100KA～140KA (10/350μs)的通流容量电源防雷器，可将数万甚至数十万伏的雷击过电压限制到数千伏，防雷器可并联安装在建筑物内低压总配电室双回路电源总开关处电源出线端。作为低压总配电电源防雷初级保护。其连接线用16mm2多股铜线连接，地线用25mm2多股铜线连接。采用三相四线制接线方式。
电源第二级防雷：分配电柜的电源防雷器，对通过电源初级防雷器的雷电能量进一步泄放，可将几千伏的过电压进一步限制到1点几千伏，雷电多发地带需要具有40KA (8/20μs)的通流容量电源防雷器，可并联安装在各系统重要电子设备所在的机房内分配电柜电源进线处。作为电源第二级防雷保护。其连接线用10mm2多股铜线连接，地线用16 m m2多股铜线连接。
电源第三级防雷：第三级防雷系统也是系统防雷中最重要也是最容易被忽视的地方，现代的电子设备都使用很多的集成电路和精密的元件，经过一、二级防雷保护而进入设备的雷击残压仍将有千伏之上，这将对后接设备造成很大的冲击，并导致设备的损坏。在重要用电设备做第三级防护，其目的是进一步将雷击残压降至设备安全耐压要求，例如，在机房内的主电脑、卫星接收机、发射机、控制台及监控屏等设备电源接电处前安装电源第三级SPD，电源第三级SPD用于重要电子设备的电源末级防雷防护，一般选用5KA～10KA (8/20μs)的通流容量电源防雷器，值得注意的是，机房内末端防雷采用的电源地线应换成6m m2的多股铜导线，以满足GB50343～2004《建筑物电子信息系统防雷设计规范》中防雷接地的相关要求。其地线用6mm2多股铜线连接。
3.3.2 信号系统雷电及过电压防雷保护
在雷击发生时，产生巨大瞬变电磁场，在1KM范围内的金属环路，如网络线、电话通信线路、视频监控线路、天馈线路等都会感应到雷击，将会影响各系统的正常运行，甚至彻底破坏各系统的重要电子设备。对于发射机、接收机等馈线方面的防雷工作是较易被忽视的，往往是当系统受到巨大破坏、资料损失惨重时才想到应该做预先的防范。
机房室外信号有信号发射天线和接收天线、GPS及北斗星，室内信号设备有主电脑、卫星接收机、分配器、发射机、控制台及监控屏，当雷击发生时，这些信号设备都有可能感应雷击过电压，将设备击坏，因此，宜将所有设备信号线的进出端口加装信号SPD保护，例如，在卫星天线信号引入端和卫星接收机信号接入端加装天馈信号SPD，在BBEF发射机和北斗、GPS引入设备的端口加装信号SPD，在分配器、精编、激励器的信号接入端安装信号SPD，在网络前安装一套网络SPD，作为网络输入端线路的保护。在调频发射机引入设备的端口各加装一套信号SPD，这样，通过线路感应的雷击过电压得到了有效防护(见下图)。
3.3.3 防雷接地
机房等电位连接：等电位连接是将分开的电器装置、诸导电物体用等电位连接导体或电涌保护器连接起来，以减少雷电流在他们之间产生的电位差。等电位连接有两种基本方法，星型(S型)或网格型(M型)等电位连接。星状结构也通称为单点接地;M型等电位连接网络，即网型结构也通称为多点接地。接地是防雷措施最重要的环节，也是最基础的部分，必须符合GB50174-93《电子计算机机房设计规范》和《移动通信基站防雷与接地设计规范》YD5068-98及有关通信综合楼规范的要求。接地方式，应按单点的原理设计，即保护接地和防雷接地宜共用一组接地装置的联合接地方式。室内连接采用IEC推荐的星形接法：同种类型的地接同一汇流排上，然后单独引下。水管等各种金属管道在进入机房时应可靠接地。馈线进入机房前应接地。本台的接地网由于建设年限较久，接地电阻偏大，接地可靠性较差，且地网结构设计不合理。根据检测本台莲花山机房接地电阻为35欧，网外测较大，不合行业要求。自2005年起，本台对机房防雷接地网根据上述设计方案进行了全面改造，工程完工后经检测机房接地电阻<4Ω，变压器中性点接地电阻小于5欧，达到设计要求。
4 结语
根据上述原理，近年来本台对莲花山机房采用避雷针防护直击雷，SPD防护感应雷，降低接地电阻等防雷方法，在防雷保护方面取得了良好的效果，有效保护了机房设施的安全和值机人员的人身安全，确保了广播电视节目的安全优质播出。
参考文献
[1]国标.建筑物防雷设施规范22.GB50057-94.
工厂防雷保护设计 篇5
1 国内外防雷保护研究现状
长期以来, 许多防雷研究人员及相关学者对雷电的活动规律、雷击线路物理过程方面都做了大量的研究工作, 建立起了相对较为完善的输电线路电网防雷理论系统。对于线路防雷性能分析来说, 最为重要的是雷电流幅值、地闪密度、波形及线路落雷次数。随着雷电定位系统等科学技术的不断发展, 现代的雷电检测网络有效的帮助电力部门实现了对电路故障定位、分类但是因为雷电数据的分散性及复杂性特点, 想要能够更加有效的对雷电进行检测就需要长期对雷电数据进行统计。
总体来说, 变电站的防雷安全形式还存在这许多的问题, 变电站的防雷措施需要不断的加强, 其问题主要表现为:第一社会整体对于防雷安全意识不强, 对雷电的危害性认识不够;第二, 随着社会经济的不断发展, 雷电的危害路径也不断增多, 危害的程度也有所加强, 不过防雷的观念并没有随之而发生改变, 虽然现在的防雷系统已经从防直击雷发展到了防感应雷的时代, 但是, 还有许多措施仍然停留在传统的防雷阶段。
2 防雷接地概述
防雷接地可以分开为两个概念, 即:一是防雷防止因雷击而造成损害;二是静电接地, 防止静电产生危害。防雷接地装置由不同的部分组成, 具体的可以分为: (1) 雷电接受装置, 直接或间接接受雷电的金属杆如避雷针、避雷带、架空地线及避雷器等 (2) 引下线, 用于将雷电流从接闪器传导至接地装置的导体; (3) 接地线, 电气设备、杆塔的接地端子与接地体或零线连接用的正常情况下不载流的金属导体; (4) 接地体, 埋入土中并直接与大地接触的金属导体, 称为接地体。分为垂直接地体和水平接地体 (5) 接地装置, 接地线和接地体的总称; (6) 接地网, 由垂直和水平接地体组成的具有泄流和均压作用的网状接地装置; (7) 接地电阻, 接地体或自然接地体的对地电阻的总和, 成为接地装置的接地电阻, 其数值等于接地装置对地电压与通过接地体流入地中电流的比值。
3 雷电入侵途径
3.1 地反击
一台设备同时接到两个或两个以上的电网时, 如果其中的一个电网遭到雷击, 则与之相连的设备就会与受破坏的设备之间存在一定的电位差, 此时, 因为电位差的存在, 电流就会进行转移, 直接加到与其相连的电网上, 若此电位差超过了设备自身的耐压值, 设备就会受到一定的损害。例如, 某35 k V变电站设计有三个地网, 其中两个是避雷针的独立地网, 而另一个则是变电设备交流工作接地、安全保护接地、直流工作接地等三个接地的公用地网。保证避雷针地网和设备地网之间要有10 m以上的距离。这样, 发生地反击的情况就会较小。
3.2 直击雷
变电站在设计的过程中自身都有很好的防直击雷的保护措施, 变电站的建筑和设备等都能够受避雷针的保护作用, 受直击雷危害的可能性很小, 监控系统设备则建在建筑物内, 受到直击雷的威胁就更小。对于35 k V以及一下的变电器来说, 其建筑的房顶不宜设置避雷针, 而对于采用钢筋结构等具有屏蔽作用的建筑物则可以设置避雷针。所以, 因为变压站内的高压开关室和电容器室等都要采用相应的屏蔽式建筑结构。
4 35 kV变电站防雷接地保护设计研究
某35 kV变电站, 其主变压器的容量为2500 kVA, 电压为35/10 kV, 其中, 变电站的中性点不接地, 经消弧线圈接地。在变电站最大的运行方式下, 其三相短路电流和单相短路电流分别为4.25 kA和10.8 kA。保护动作的反应时间为0.7 s。变电站的总的长度为50 m, 宽度为40 m, 电源变电站35kV母线最大运行方式下短路容量为250 MV·A。
此变电站电源进线为35 k V架空线路, 导线长为3 km。变电站的短路容量为500 MV·A, 单相接地电流为15 A, 功率因数大于等于0.9。土壤的电阻率为2×104Ω·cm, 土壤的热阻系数为80℃·cm/w。
按照接地设计步骤为。
(1) 计算接地电阻要求值。仅用于高压电气装置接地保护, 要求: 。
(2) 确定土壤电阻率。在进行土壤电阻率的确定时, 需要考虑季节变化的影响, 土壤电阻率应乘以季节系数, 则ψ=1.3, 所以, 最大电阻率为:
(3) 接地装置计算。
单根垂直接地体的接地电阻为:
根据垂直接地体根数, 确定相应的屏蔽系数为:闭合装置接地周长L=×+×++×=1922) ]4025.1 () 5025.1[ (m, 接地体之间的相互距离为a=6~7 m, 按照n=30根, 高、低压配电装置不少于2根接地线连接在接地装置上, 即a/L=2, 可以得出屏蔽系数ηc=0.6。
根据接地装置的接地线热稳定性校验可得, 实际接地线想要符合要求需要满足的条件是:40×5=200 mm2Smin。
5 结语
综上所述, 变电站的放电工作是一项复杂等的系统性工作, 所以在对变电站的设计阶段就要认真的考虑。对于35 kV变电站进行防雷接地保护设计来说, 在实际的防雷接地的设计保护中还存在严重的问题, 所以对35 kV变电器保护的研究, 对我国国民经济的发展和居民生活安定具有积极的意义。
摘要：近年来, 随着我国电网改造力度不断加大, 电网改造的速度也就随着国家对电网的重视而加快了脚步, 这就对我国电网技术的就有了更高的要求。随着现代科学技术的不断发展, 我国各地的电网日益得到完善, 我国现在大量采用远方集中监控和控制等变电站综合自动化系统, 自动化系统的运用既提高了劳动的生产率, 同时有减少了人为失误操作的可能。未来的电网发展趋势也将是计算机和通信技术应用相结合的综合自动化技术。计算机监控系统能够使公司更好的、全面的掌握负荷的变化, 能够为电网的稳定性发展带来积极的帮助。但是现实中, 变电站会受到雷电等灾害的破坏。本文就通过对35 kV变电站及接地保护进行阐述, 分析了35 kV变电站防雷接地保护设计。
关键词：35kV变电站,防雷接地保护设计,研究
参考文献
[1]王春杰, 祝令瑜, 汲胜昌, 等.高压输电线路和变电站雷电防护的现状与发展[J].电瓷避雷器, 2010 (3) :52-58.
[2]高玉波.浅谈变电站接地设计及防雷技术[J].中小企业管理与科技:上旬刊, 2009 (4) :69-72.
[3]闫群民, 王宏涛, 朱娟娟.银川东750kV变电站接地网施工分析及探讨[J].电力系统保护与控制, 2009 (11) :69-75.
[4]辛永恒.浅析变电所的防雷保护问题[J].中小企业管理与科技:下旬刊, 2010 (11) :32-36.
工厂防雷保护设计 篇6
当今社会所提倡的环保能源中风力发电是首屈一指事物, 它有可再生、无污染的特点。所以, 对风力资源的开发利用是当代社会最明智的选择, 既可以节约资源减轻资源消耗, 又可以加强人们对新资源的探索。随着科技的进步, 风力发电从无到有, 如今更是在优惠的政策下进行大规模开发。它的前进和社会及国家的鼓励政策是分不开的。这个新兴的行业中, 涉及到很多问题, 例如风电机组、风电场升压站以及场内输电线路3个方面。目前我国国内现有的风电机组多数是进口机组或是引进国外先进生产技术的机组, 但是由于各国都有不同标准, 导致目前为止, 我国并没有关于风电机组防雷和过电压保护等具体明确的标准。这是眼下我国亟待解决的问题, 尽快确立关于风电机组防雷和过电压保护的准则, 规范国内行业的发展方向。
1 过电压保护及防雷接地的内容
风电机组过电压保护及防雷接地设计主要考虑到四个方面, 分别是直击雷保护、感应雷保护、基础接地系统设计和机组配套升压设备保护。
首先, 直击雷保护方面的风电机塔筒一般会很高, 非常容易被雷击损坏, 因此与这种情况就要及时采取防范措施。风力发电机组包括很多细小的内部结构, 这就要求在设计防雷保护时要做到分开并全面的考虑。如在风电机的上方、两侧及尾部都要安装不同的避雷针, 不仅如此内部的装置更为复杂。有了如此完整的防护措施在受到直击雷袭击是, 才能保证各部雷电顺利地以最近的路径沿塔柱引入接地装置, 并流向大地。
其次, 是感应雷保护。感应雷的保护是指系统内部易受感应破坏的设备加强过电压保护对其进行保护的装置, 在其受到电力袭击是, 该保护装置要快速的运行释放电力袭击带来的能量, 达到保护设备不被损坏的目的。其中无论是电源防雷还是信号防雷都是其中不可或缺的部分。
再次, 接地系统。风力发电机由于长期暴露在外部或高出很容易受到雷电袭击, 因此, 做好接地措施是风力发电最好的选择。风电机会利用自身具有的防雷装置的优势, 把流入引进大地。同时, 由于风电机布置为了更好地发电, 其位置多在人烟稀少的高山上、海岛上以及海滩边。因此根据他们所在的不同地理位置及其差异, 给防雷的保护不同的要求。即使同在高山上, 其所处的位置仍会有地质等方面的差异, 如不同的土壤电阻率不同, 电阻率越高其有效范围就会越大。这就要求要对每台风电机单独的设计防雷措施。
最后, 是机组配套的升压设备保护, 一般情况下风力发电机的出口电压为690 V, 需要通过箱式变压器将电压升高到一定标准后送入升压站, 而在风电机附近一般布置着箱式变压器, 因此直击雷问题可不用进行考虑。但是一旦配套升压变高压, 就要采取在变压器高压侧安装专门的避雷器来防止雷电侵入波而导致的不良影响, 同时, 还可在低压侧安装电涌保护器以此保护风电机组内部不受雷电干扰。
2 过电压保护及防雷接地的实际操作
在风电场升压站的设计中, 还有两类不可忽视的操作过电压的问题, 他们分别是隔离开关操作和中压真空断路器操作。
首先, 隔离开关操作中, 空载母线如果在操作过程中发生, 可能造成重击穿将会产生幅值超过2.Op.u.、频率为数百千赫至兆赫的高频振荡过电压。为减少这种事件发生概率, 宜采取这些要求:1、采用金属氧化物避雷器, 以此达到加强保护的目的, 减少隔离开关操作时所产生的不利影响。2、隔离开关操作中, 气体绝缘全封闭组合电器 (GIS) 升压站的空载母线时, 要对采用的操作方式多次确认, 避免可能引起的危险操作。
其次, 真空断路器。真空断路器的操作往往是过电压产生的可能。例如, 截流过电压, 真空断路器凭借良好的灭弧性能优势, 开始断小电流的时候, 电弧会在过零前熄灭, 电流被贸然切断, 会导致滞留于电机等电感绕组中的能量会产生向绕组的杂散电容充电的现象, 促使其转变为真正的电场能量。还有, 由于与弧隙多次发生重燃现象, 电机电容多次被电源充电所产生的过电压的多次重燃。真空断路器在准备切断电流的时, 工频电源存在于触头的一侧, 另一侧则是振荡电源, 起到的是为LC回路充放电的作用。一旦触头间开距达不到想要的大小, 就有可能导致电压在叠加后会致使弧隙间出现击穿的现象, 断路器一旦恢复电压就会立即升高。如果触头开距不过小, 第二次重燃现象就会发生, 甚至是多次反复重燃的现象, 多次充放电会致使振荡的发生, 恢复电压会随之逐级升高, 负载端的电压也伴随着升高, 经过多次的重燃最终会造成电气设备的损坏。
3 结语
通过风力发电系统我们了解到, 过电压保护大致可以分为三个部分, 他们分别是风电机组、升压站以和场内输电线路过电压保护及防雷接地。其中, 后两个部分已经有了可供参考的国家标准, 在行业中也形成了要求。风电机的接一定要充分的利用自然接地优势, 采取适当的方式同时也结合其他方式, 确保其效范围内的安全。例如, 采用的降阻剂、深井及斜井等方法, 来降低接地电阻的危害。同时, 为有效地防止雷电入侵高压侧, 安装氧化锌避雷器的安装就显得必不可少。同时, 为了确保安全, 还要加强其低压侧的安全装置。
参考文献
[1]DI/T621—1997中华人民共和国电力行业标准.交流电气装置的接地Es].北京:中华人民共和国电力工业部, 1998.
[2]DI/T620—1997中华人民共和国电力行业标准.交流电气装置的过电压保护和绝缘配合[S].北京:中华人民共和国电力工业部, 1997.
[3]Gamesa Eolica.Description of windturbine[M].Spain Gemesa:Gamesa Eolica, 2003.
[4]刘继.风力发电装置的雷电防护与电磁兼容问题It]∥第三届中国防雷论坛论文摘编.深圳:中国防雷信息网, 2004.
工厂防雷保护设计 篇7
随着人们对电能的需求不断扩大,保证电力系统可靠持续供电以及系统经济性的要求也越来越高[1]。由于大港油田电力系统地处旷野,很容易遭受雷击。雷电击中杆塔塔顶容易引起反击或绕击,导致线路跳闸,如2010年8月22日西热一线29号-31号110/35 kV同杆四回线路遭受雷击,35 kV线路西边相导线断落,影响21户用电,影响负荷2 910 kW,线路停电8 h 40 min。同时强大的电磁脉冲引起电磁场突变,产生感应过电压进行波,对变电站内设备的稳定运行产生很大的影响,其中大港油田输配电线路官枣线311线14-41号杆塔在近5 km的距离内与一500 kV线路平行,35 kV与500 kV线路杆塔最近距离20 m,产生的感应过电压导致35 kV线路部分杆塔引起绝缘子闪络。近3年的统计显示该系统年平均雷击跳闸94次,严重影响了供电安全,给石油生产造成了巨大的经济损失。因此,采取有效措施减少油田配电网雷击停电次数具有重要意义。
1 同杆多回线路直击雷防雷保护分析
1.1 EMTP仿真软件
电磁暂态计算程序(Electro-Magnetic Transients Program,ATP-EMTP)是一种进行电力系统仿真的强大工具,其对研究对象的限制微乎其微,具有分析功能多、元件模型全和运算结果精确等特点,可以计算含有分布参数、集中元件、依据频率变化网络的暂态过程,被广泛应用于电力系统暂态仿真计算[2]。
1.2 雷电流模型
雷电流模型采用Heidler模型,该模型模拟表达式为:
式中:I0为通道底部电流的峰值;τ1和τ2分别为前沿时间常数和延迟时间常数;η为雷电流峰值修正系数。
本文Heidler模型雷电流参数为2.6/50μs,雷电通道波阻抗取为300Ω。
1.3 杆塔模型
进行波沿杆塔传播时,由于不同高度的杆塔等值电感L0和等值电容C0都不同,杆塔不同位置的波阻抗也不同,因此采用多波阻抗模型比单一波阻抗模型计算更为精确合理。本文采用如图1所示的同杆四回杆塔模型,其中杆塔的水平导体(包括横担)的波阻抗为160Ω,主干部分(杆塔的垂直导体)波阻抗取140Ω[3]。
图1中ZAN(N=1,2,3,…,7)代表杆塔横担部分波阻抗;ZM(M=1,2,3,…,7)代表杆塔支架部分波阻抗;Rch为杆塔的接地电阻。
1.4 输电线路模型
本文的EMTP模型中,线路采用十四线(即12条相导线、2条避雷线的同杆四回输电线路)JMarti频率特性架空线路模型。
该模型在求解频变参数时,不仅采用了模拟滤波技术,同时在线路波阻抗的基础上,还加入与频率响应和波阻抗相匹配的滤波网络来近似计算,因此线路参数具有频变的性质,同时该模型仍然具有Bergeron模型的基本形式[4]。考虑电晕的影响之后,只会产生使侵入波发生衰减和向后的剪切效应,相当于使侵入波条件变宽,如果不考虑,计算结果会偏向保守,因而本文输电线路模型中没有考虑电晕的影响。
1.5 绝缘子串闪络模型
当雷电流击中某一杆塔的塔顶时,该杆塔的绝缘子串上会产生与横担电压、工频电压、感应电压和耦合电压等因素有关的过电压。通常采用相交法[5](即绝缘子串上的过电压曲线与其伏秒特性曲线是否相交)作为闪络判据,若2条曲线相交,则绝缘子串闪络,相交时刻即为闪络时刻。
大港油田输配电线路导线均采用防污型瓷绝缘子,其型号为XWP,直线杆每串配置3片,耐张杆每串配置4片。35 kV线路绝缘子串的50%的放电电压约为321.7 kV,110 kV线路绝缘子串的50%的放电电压约为1 040.2 kV。假设在相同极性雷电冲击下绝缘子具有相似伏秒特性变化趋势,定义归一化形状函数为:CF=(U-U50)/U50,其中U50%为绝缘子串的50%放电电压。
用拟合得到35 kV以及110 kV线路XWP型瓷绝缘子负极性冲击伏秒特性分别为:
1.6 线路接地电阻
现场对大港油田部分线路接地电阻率的测量情况如下:
位置1:池塘附近盐碱地,35 kV板潜线354,极距5 m,测量电阻值为0.018Ω。
位置2:苞米地,35 kV官枣线31 1,极距5 m,测量电阻值为0.168Ω。
表1给出了一个3 m×6 m的环形接地网在不同接地电阻率下的工频接地电阻值;表2分别给出了接地电阻率为ρ=0.565 4Ωm和ρ=5.272 8Ωm在不同雷电流下,杆塔的冲击接地电阻值
2 感应过电压计算方法
当雷电击中大地时,会在低压配电线路上产生感应过电压。计算感应过电压时,首先建立一个描述云层与大地之间的雷电通道,根据主放电通道的雷电流模型计算出不同空间位置的电磁场分布;再根据线路与电磁场之间的场线耦合模型计算出电磁场在多导体传输线上的感应过电压。
2.1 电磁场计算
根据偶极子理论对Maxwell方程组进行求解,将雷电通道垂直于地面的点作为坐标原点,地面作为x、y平面,主放电通道的中心线作为z轴,如图2所示,可得出空间任意一点P(r,φ,z)在无损大地上产生的水平电场分量、垂直电场分量和磁感应强度分别为Ex0(x,y,z,t)、Ez0(x,y,z,t)和By0(x,y,z,t),其计算表达式为[6]:
其中
Cooray-Rubinsten公式考虑了大地电导率对水平电场的影响,适应于近区域和远区域的电磁场计算,该计算表达式的时域卷积形式为[7]:
地面损耗在频域中的表达式为:
式中:c为光速;ε0为空气介电常数;εrg为土壤介电常数;σg为大地电导率。
2.2 空间电磁场与传输线的耦合模型
空间电磁场与架空线路的耦合模型可以通过3种模型获得:Taylor模型、Agrawal模型和Rashidi模型。Agrawal模型的时域表达式为[8]
式中:us(x,t)、i(x,t)分别为传输线上散射电压、感应电流;为水平电场在高度处沿传输线方向的分量;L′和C′分别为传输线单位长度的电感与电容。
对于图3所示的观测点A,此处的感应雷过电压在频域中可表示为:
根据上述建立的求解感应过电压模型,应用电磁暂态计算程序ATP-EMTP对架空线路感应过电压进行计算,通过对感应过电压的计算过程可以得出,雷电流幅值、雷电流回击速度、线路高度、雷击点与架空线的横向距离以及大地电导率等因素有关。
3 事故分析及仿真计算
3.1 直接雷事故仿真计算
当雷电击中输电线路塔顶时,大部分雷电流沿杆塔泄入大地,使塔顶电位升高,引起绝缘子串反击闪络。对西热一线110/35 kV同杆四回输配电线路进行EMTP建模,如图4所示,110 kV线路和35 kV线路上、中、下导线均为逆相序排列,左侧为ABC排列,右侧为CBA排列。110 kV线路左右2回分别为第一回和第二回,35 kV线路左右2回分别为第三回和第四回。
由于35 kV线路的绝缘水平低于110 kV线路的绝缘水平,所以当雷电流击中塔顶后,35 kV线路上横担的2相(即第三回中的A相和第四回中的C相)过电压最高,先于35 kV线路其它相闪络,其中同一横担两相发生闪络的先后差异是由于工频电压作用的结果。表3给出了不架设避雷器雷电流大小与各相闪络情况。
注分别代表第回至第四回线路;A、B,C分别代表^[回线路的A、B、C三相;如U3A代表第三回线路的A相
根据绝缘子闪络顺序,在闪络相依次架设避雷器,当避雷器增设到3组(即110 kV线路上横担和35kV线路上横担和中横担)进行防雷保护时,耐雷水平为163 kA。表4给出了架设3组避雷器后,雷电流大小与各相闪络情况。
图5和图6给出了当雷电流为167 kA时,35 kV线路第三回和第四回线路绝缘子两端电压情况。从图5和6可以看出,U4A和U3C 2相发生闪络。
3.2 感应雷事故仿真计算
架空输电线路附近落雷时,产生强大的电磁脉冲对多导体传输线施以激励,线路产生瞬态感应过电压。针对不同条件对感应过电压进行计算,感应过电压的仿真计算条件为:雷电流幅值为100 kA,雷电流波形为2.6/50μs,雷电回击速度为1.5×108 m/s,线路高度为12 m,大地电导率为0.001 s/m,土壤的介电常数为10,线路长度为1 000 m,设雷击点位于线路中部。
图7给出了雷电通道距离架空输电线路的垂直距离分别为20 m、50 m、100 m、150 m时,感应过电压的波形情况。图8给出了雷电通道距离架空输电线路的垂直距离为20 m时,不同雷电流产生的感应过电压波形。
在上述仿真计算条件下,雷电通道距离架空线路的垂直距离为20m时,会产生407.46 kV的感应过电压。感应过电压的防护与避雷器的配置方式有关,设配电线路的档距为150 m,线路避雷器的参数为U1mA=25 kV、U5kA=45 kV。避雷器的配置方式为:
(1)150 m 1组,每级杆塔都安装;
(2)300 m 1组,每2级杆塔都安装;
(3)900 m 1组,每6级杆塔装1组。
仿真结果如表5所示。
注:U0为距离雷击点最近的杆塔电压,Un(n=1…5)为与U0杆塔相间n个档距的杆塔电压
雷电电磁脉冲对距离雷击点距离越小的杆塔产生的感应过电压越大,因此根据上述避雷器配置方式对U0进行仿真分析,并且与不架设避雷器时进行仿真对比,本35 kV线路绝缘子串50%放电电压为321.7 kV,不架设避雷器时,线路绝缘薄弱,比较容易发生故障,按照上述避雷器配置方式可以对线路进行保护,抑制线路断线及绝缘子闪络,能够达到比较好的效果。其中配置方式(1)使杆塔端电压降低到最大感应过电压的52.98%,仿真结果如图9所示。
4 防雷保护措施
(1)同杆四回线路直击雷防护:由于上导线最高,所以雷击后产生的过电压数值最大,在上导线上架设避雷器比在其他2相上效果要好。在35 kV线路上横担和中横担(即第三回A相和B相及第四回C相和B相)以及110 kV线路的上横担(即第一回的A相和第二回的C相)共同架设避雷器后,线路的耐雷水平为140 kA,保证了供电可靠性。
(2)安装线路避雷器可以对配网架空线路感应过电压进行防护,其保护效果与避雷器的配置方式及线路杆塔的接地电阻有关。根据大港油田周围的环境情况,杆塔的接地电阻值较小,可以采用每6级杆塔安装1组YH5CX-51/134型带间隙的线路避雷器对线路进行保护。其中官枣线31 1中部分35 kV杆塔与500 kV杆塔最近距离仅20 m,建议此部分线路每级杆塔安装1组避雷器。
5 结论
35 kV线路在我国配电网中有着举足轻重的作用,面向广大用户直接进行配电。由于35 kV线路其自身的特点,既容易遭受感应雷过电压的影响,又有遭受直击雷的可能,线路的耐雷水平相对较差,一旦出现雷雨天气,很有可能使部分线路遭受一定程度的损害,引起线路跳闸,对电力系统的稳定运行以及用户的安全用电造成影响。
本文通过对大港油田1 10/35 kV同杆四回线路的进行建模仿真运算,依次对闪络相架设避雷器进行输电线路防雷保护,考虑防雷效果与系统维护的经济性,得出避雷器的配置方式;根据感应雷过电压的计算模型,对35 kV配电线路产生的感应过电压进行计算,对与感应雷有关的因素进行了分析,根据大港油田的实际运行情况与周围环境参数,讨论避雷器的配置方式及线路杆塔接地电阻的影响,给出避雷器合理的配置方式,降低雷击跳闸率,保证供电可靠性。
参考文献
[1]YOKOYAMA S.配电线路雷害对策[M].吴国良,译.北京:中国电力出版社,2008,14-24.
[2]陈敏,文远芳,姚宗干.超高压变电站雷电过电压现场实测与仿真计算[J].电瓷避雷器,2008,51(6):41-44.
[3]胡辉.500 kV双回同杆并架输电线路防雷特性研究[D].北京:清华大学硕士论文,1997.
[4]吴维韩.电力系统过电压数值计算[M].北京:科学出版社,1989.
[5]黄炜纲,周东平.对线路防雷计算中绝缘闪络判据的研讨[J].中国电力,1999,32(11):59-63.
[6]RUSCK S.Induced Lightning Over-voltages Power Trans mission Lines with Special Reference to the Overvoltage Protection of Low-voltage Networks[D].Stockhdm:Royal Institute of Technology,PhD Thesis,1957.