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雷擊對變電所電子設(shè)備的危害及其防護

作者:朱維國  
評論: 更新日期:2011年05月16日

【摘要】:文章從變電所電子設(shè)備受雷擊影響談起,呼吁從事變電工作者應(yīng)當(dāng)對其引起重視。作者針對遼寧地區(qū)的實際情況,分別采取分區(qū)、分級以及重點防護,對不同雷擊現(xiàn)象進行了分析和研究,最后總結(jié)出一套防雷的可防范措施。
【關(guān)鍵詞】: 雷擊 防雷 電子設(shè)備 變電所

 一、前言
  
  人類社會步入信息時代,各類先進的電子設(shè)備由于大量和廣泛的運用,其遭受雷擊危害機率大大增加。尤其是變電所內(nèi)電子設(shè)備,依附于處在受避雷針保護范圍內(nèi)的一次設(shè)備,受雷擊影響概率更大。且采用傳統(tǒng)防雷措施,其防護多有不當(dāng),應(yīng)當(dāng)引起重視。
  
  二、雷擊危害的幾種方式
  

  2.1雷的直擊和繞擊
  
  雷云單體浮在大地上空,其所帶電荷拖著地表相反電荷猶如一個影子隨風(fēng)移動。如果途經(jīng)變電所的避雷針或地表其它突出物,地電荷會導(dǎo)致突出物頂端電場畸變集中。閃電開始之前先是雷云底部的始發(fā)先導(dǎo)按間歇分級躍進方式向地表發(fā)展,當(dāng)距地面50~100m時,由避雷針等地表突出物電場畸變集中的地方產(chǎn)生垂直向上的迎面先導(dǎo)。兩者相接,進入直擊或繞擊的主放電階段。
  
  通常當(dāng)?shù)孛嫔贤怀鑫锏母叨葹閔,雷云正下方的平均電場強度大于和等于580h-0.7kV/m時,則該突出物將容易受到直擊雷。原因是高為h的避雷針可影響雷云單體向下的始發(fā)先導(dǎo)發(fā)展方向的半徑,用公式表述為:R=16.3h0.61m。該式還表明,地表安裝獨立避雷針后,將會在其附近出現(xiàn)大量的散擊,甚至對避雷針進行直擊,對受避雷針保護范圍內(nèi)的物體進行繞擊。[1]
  
  一次雷擊主放電一般為幾萬安培到十幾萬安培。瞬間高熱和電動力,會造成混凝土桿炸裂,小截面金屬熔化,引起火災(zāi)和大爆炸,金屬導(dǎo)體連接部分?jǐn)嗔哑茡p,建筑物倒坍,電氣設(shè)備損壞。
  
  2.2雷電反擊
  
  直擊雷電流通過地表突出物的電阻入地散流。假如地電阻為10Ω,一個30kA的雷電流將會使地網(wǎng)電位上升至300kV。如果受雷擊變電所輸電線路來自另一個不同地網(wǎng)的變電所,那么上升的地電位與輸電線上的電位將形成巨大反差,導(dǎo)致與輸電線路相連的電氣設(shè)備的損壞。不僅僅是輸電線路、動力電纜,凡是引進變電所的金屬管線都會引起雷電反擊。
  
  另一種雷電反擊,對變電所的電子設(shè)備危害也不容忽視。雷電流沿變電所的接地網(wǎng)散流,支線上的雷電流和各點電位差異很大。連接在不同等電位地網(wǎng)上的電子設(shè)備。如果其間有電信號聯(lián)系,那么超過其容許承受能力的地電位差將導(dǎo)致設(shè)備損壞。
  
  2.3感應(yīng)雷
  
  直擊雷放電的能量通過電磁感應(yīng)和靜電感應(yīng)方式向四周輻射,導(dǎo)致設(shè)備過電壓放電,則為感應(yīng)雷。顯然,感應(yīng)雷危害是大面積的,是電子設(shè)備的克星。
  
  有資料計算表明,當(dāng)雷擊電流為30kA斜角波,雷云高度為3公里,導(dǎo)線高度為10m,擊中距末端匹配的500m長架空線路中點100m處地面時,線路上感應(yīng)電壓為150kV幅值的振蕩波。此波為電磁感應(yīng)和靜電感應(yīng)共同作用的結(jié)果。[2]
  
  還有計算顯示,一棟由工字鋼架構(gòu)且金屬部分連接成法拉第籠的10層(60m×30m×100m,每層高10m)的建筑物,被-2.6/40us,100kA的雷擊中樓頂,其各層樓面1m高處的感應(yīng)電場垂直分量達(dá)數(shù)kV/m,隨樓層降低感應(yīng)電場強度趨向于均勻,但強度整體上無大的衰減。[3]
  
  事實上,在生產(chǎn)實踐中,雷擊的靜電感應(yīng)破壞力數(shù)倍于電磁感應(yīng)。靜電感應(yīng)還可用雷擊的二次效應(yīng)理論來解釋。帶電雷云飄浮在地表上空,地表帶上與雷云相反的等量電荷。當(dāng)雷擊過后,雷擊點地表變?yōu)殡姾傻南鄬昭?,周圍高電荷區(qū)域內(nèi)與地電位相對絕緣的導(dǎo)體上的電荷,將像受突然擊發(fā)的水波一樣沖向雷擊點,導(dǎo)致設(shè)備打火,絕緣受損和電子設(shè)備失效。特別注意的是電子設(shè)備的高阻抗輸入回路,信號回路等引線較長,且直接連接的金屬體積較大處,雖然已作電磁屏蔽(采用屏蔽電纜且屏蔽層兩端接地)仍會遭受厄運。
  
  2.4雷電侵入波
  
  遠(yuǎn)方落雷,通過直擊或電磁感應(yīng)和靜電感應(yīng)方式從高壓輸電線路、配電線路、低壓電源線路、通信線、電纜線、金屬管道等途徑侵入變電所,由于管線相對較長,且存在著分布電感和電容,使雷電傳播速度減慢,這樣一種現(xiàn)象用波傳輸理論來說明的概念稱作雷電波。雷電波在傳輸過程中通過不同參數(shù)的連接線段或線路端點時,波阻抗發(fā)生變化會產(chǎn)生反射、折射,可導(dǎo)致波阻抗突變處的電壓升高許多,加大了對設(shè)備的危害。

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