1、 南 京 气 象 学 院毕 业 论 文 系 别 电子工程系 专 业 防雷专业 姓 名 孙世光 学 号 200405212 论文题目 配电装置对于入侵雷电波的防护 指导教师 肖 稳 安 二 O O 四 年 六 月配电装置对于入侵雷电波的防护措施摘 要：本文主要介绍了客运站营运大楼内的信息系统（主要包括监控系统和计算机网络系统）的雷电电磁脉冲的防护理论和具体措施。关键词：雷电电磁脉冲 监控系统 计算机网络系统 浪涌保护器大家都知道防直击雷的三要素接闪器（针，带等等） 、引下线、接地装置，但是对于配电装置，这些是不够的。下面我来介绍一下我对配电装置防雷的看法。配电装置的高压电一般以 110KV 和
2、35KV 较多，对其保护措施，应采用“阀型”避雷器及与其相配合的进线保护段等保护措施。进线保护段的作用，在于利用其阻抗来限制雷电流幅值和利用其电晕衰耗来限制雷电流陡度。并通过进线段上管型避雷器的作用使之不超过所要求的数值。一、 雷害雷击现象对人类的好处只是能净化空气，但害处却很大，仅是闪光和雷声，就使人感到害怕，何况每次强雷暴的出现，都会给地面的动植物乃至人类的生命财产造成损害。雷电对于地面设施、建筑物、设备、人员的危害称为雷害。1 形成雷害的途径形成雷害有以下方面的途径：1.1 直击雷是雷电对地面的闪击点。它将对无防护设置的建筑物和设施造成毁坏。由于吸引半径和触发因素的原故，高层建筑物和设施
3、遭受闪击的频次将大为增加。1.2 耦合电压电感耦合电压 雷击时的巨大放电电流，在周围空间建立强大巨变的磁场，处在这一磁场中的架空导体，也会感生非常高的电势，造成雷害。电容耦合电压 当在大面积的金属构架附近落雷时，在金属构架上由于电容耦合，产生高达数万伏的电压，危及人和设备安全。电阻耦合电压 电源线路、通信线路及各种金属管道长距离敷设，也会将远处雷电流产生的对地电压引入，造成危害。1.3 接触电压防雷装置被闪击时，引流线和接地体上有很高的瞬态电压降，处置不当，也会危及人和设备的安全。1.4 反击雷击时，引流线和接地体都带有很高电压，人员接近或设备及各种导电物体接近，也会发生电击。被反击的地下各种
4、金属管线将雷电引至所经过的部位，危及人员和设备的安全。1.5 跨步电压雷暴发生时，防雷接地装置上有强大的雷电流散流大地，在周围土壤中形成很高的电位梯度，人员进入，便发生电击。1.6 电磁干扰雷暴时对通信及其它信号设备造成电磁干扰或形成杂音，或造成数据出错和控制失误。干扰途径有三个：一是空间电磁耦合，在短波无线通信中尤为严重；二是通过落雷的设备，从线路上窜入；再就是由于通信设备接地上的原因，从接地设备中窜入。总的来说，雷击危害方式通常分为直击雷、雷电感应、雷电波侵入等三种。据有关资料，三种雷击型式中以雷电波侵入造成损失事故居多，占雷害事故的53%以上。二、 雷电电磁脉冲雷雨云对地放电实质上是雷雨
5、云中的电荷向大地的突然释放过程。当先导通道与地面被击物向上发出的迎面流注（或回闪）头部相遇时，先导通道通过回闪接地，主放电过程开始。主放电过程开始。主放电通道中通过脉冲形式的放电电流。一次闪电平均包含有上万个脉动放电过程，电流脉冲平均幅值为几万安培，持续时间几十到上百微秒。闪电通道大约有几百米至几公里长，在先导主放电过程中，它们向外辐射高频和甚高频电磁能量，这就是雷电电磁脉冲。在雷电放电模型中，有一种称作“行进电流源模型” ，该模型认为，先导通道与迎面流注头部相遇处是雷电通道的电流源，它以 1/3C1/2C 的速度（C 为光速，C 3 108m/s）随主放电通道向上发展。而雷电流是电流波，它从
6、电流源沿闪电通道向地面以光速传播。闪电通道长度就是雷雨云到地面的高度。按以上雷电流模型，假设闪电通道垂直地面，并将地面作为理想导电平面，闪电放电所产生的信号可认为是由许多不同尺度的电偶极子辐射体所形成的。在闪电通道中取高为h 的一段，它成为局部雷电电磁脉冲辐射源。t 时刻在距雷击点水平距离 s 处（被观察点）闪电通道辐射体所产生的垂直地面的电场 Et和水平方向磁感应强度 Bt 的大小分别近似表示为：Et Mtdt/4 0s3 Mt/4 0cs21/4 0c2sdMt/dtBt 0/4s 2Mt 0/4csd t/dt （1）式中 0 是介电常数， 0 是真空磁导率，c 是光速。M t 表示 t
7、 时刻闪电通道辐射体的电流矩，M t2i tht，i t 是闪电电流，h t 表示由 it 形成的电流通道的长度，dMt/dt 表示电流短路的时间变化率。E 域中的第一项表示静电场分量，其大小与被观察点到雷击点距离 S 的三次方（S 3）成反比。随 S 增大，静电场分量迅速衰减，这说明，近场时静电分量是主要成分。第二项表示感应电场分量其大小发女于 S2。第三项是辐射场分量，其大小与 S 成反比。如上所示，闪电放电辐射频率 f 是随时间变化的，对经典偶极子辐射体，当Sc/2 f（c 为光速，f 为辐射频率）时，则方程（ 1）中的第三项，即电磁辐射分量，或称远场分量起主导作用，有 Sc/2f 可推
8、算出，当频率 f1000Hz 时，差不多相距 50Km，就属于远场区了。由以上讨论可知。雷电电磁脉冲是十分严重的电磁干扰源。闪电脉冲放电峰值电流大，电场强，电流陡度大，而且闪电放电源扰动形成的频谱非常宽从100Hz100Hz 。不论是架空天线、电线、外露电源线、电缆、埋地的电缆，或裸金属体都产生强大的感应过电压和脉冲电流，感应过电压和电流若被引入设备内部将产生严重干扰甚至使设备遭到破坏。三、35kV 送电线路防雷1、防止直击雷架空送电线路最有效的保护，是采用接地的避雷线，并且避雷线的保护角愈小，其遮蔽效果越好(一般应小于 20)，但随着线路电压等级的降低，避雷线在线路造价中的比重增加较大。35
9、kV 线路一般不沿全线架设避雷线，只在发电厂、变电所进出线段架设 12km 避雷线(如线路很短，两段进线保护段架设避雷线后所剩不多，且供电性质又十分重要的除外)。考虑到 35kV 系统是中性点不直接接地的小电流接地系统，也就是说 35kV线路允许单相接地短时运行，那么在线路设计时，应把无避雷线部分线路尽量采用导线三角型排列方式，使最上面一相导线充当避雷线的作用。架设避雷线的进线段，应尽量采用导线水平排列的门型杆塔，因双避雷线对雷电流有分流作用，可降低雷击杆顶的电位，使雷击跳闸率减少。若其间有单杆双杆交替，因单双避雷线的过渡点与导线由三角形排列向水平排列的过渡点在施工过程中难以保证同一，会造成导
10、线过渡点附近的保护角过大，而增大绕击机会。同时，双避雷线在杆顶还要互相联结并分别装设接地引下线。水泥电杆的避雷线、横担和绝缘子固定部分，应有可靠的连接和接地，在雷雨季节土壤干燥时，其接地电阻在不连避雷线测量应小于 30。同时也要重视无避雷线的杆塔接地。无避雷线的水泥电杆、金属杆塔的接地电阻虽然一般不限制，但在年均雷暴日超过 40 天的地区，接地电阻也不宜超过 30。2、防止感应雷(反击)不能把进线段的避雷线引到变电所的出线龙门架上，只能引到线路的终端杆塔处。同时也要加强线路的绝缘，即每串绝缘子要多加一个，特别是在多雷地区。另一方面，还要降低杆塔的接地电阻，防止雷击时塔顶的电位使线路绝缘发生反击
11、。对 35kV 输电线路个别较弱的杆塔或设备，如线路交叉档、大跨越档、特殊高的杆塔和换位杆塔，要加装保护间隙和加强绝缘，万一这类杆塔发生雷击损坏，检修十分困难，势必造成长时间停电。四、35kV 变电所的防雷1、防止直击雷一般 35kV 线路避雷线不引到屋外配电装置的门型架构上，而是将避雷线终止在线路终端杆塔上。从线路终端杆塔到屋外配电装置架构之间线路的直击雷保护，应在屋外配电装置的直击雷保护范围之内。如在 35kV 终端杆塔上设立避雷针，必须将这基杆塔的绝缘提高到 110kV 水平，且终端杆塔的接地电阻应不大于 5，以防发生反击事故，威胁变电所内设备安全。对于变电所内的主控室和 35kV 及以
12、下的屋内配电装置，必须用独立避雷针保护。屋外配电装置一般都采用避雷针作为直击雷保护装置，但为了节约投资，如果经过验算，当避雷针上落雷时，不致使电气设备遭到反击，才可以将避雷针装在变电所的架构、照明灯塔或其它房屋建筑上，否则要采用独立避雷针保护。 避雷针除应与接地网连接外，还应在附近加装集中接地装置，避雷针与接地网的连线点到变压器与接地网的连结点沿着接地体的地中距离不得小于15m。2、防止雷电侵入波变电所对侵入波的保护主要依靠母线上装设阀型避雷器或金属氧化物避雷器。避雷器的安装位置必须认真选择，要尽可能靠近主设备，当然也要兼顾其它的设备。当避雷器至主变压器的电气距离超过允许值时，应在变压器附近再
13、增装一组避雷器，才能保护主设备的安全。另外，还要注意做好整个变电所的绝缘配合工作。五、10kV 配电网的防雷 配电网中杆塔的平均高度要比送电线路的杆塔低，线路的周围可能受到建筑物和树木的遮蔽，当然遭受直击雷的机会也相对少一些，但另一方面又由于配电网绝缘水平较低(因电压等级低)，线间距离也较小，遭受直击雷很容易跳闸，即有容易发生雷害事故的一面。运行经验证明，配电网的雷害事故约占整个电力系统雷害事故的 70%80%。因此，必须大力加强配电网的防雷保护，才能提高供电的可能性。1、防直击雷因配电线路点多面宽线长，线路不可能用避雷线或避雷针作直击保护，再者配电线路也是采用中性点不接地系统，档距也很小，故
14、导线容易做到三角形排列，最上面的导线可起到避雷线作用，最好在最上面导线的绝缘子上每隔67 基装设一个接地的保护间隙。为提高配电网防直击雷水平，要从提高线路的耐雷水平入手，采用瓷横担或高一级的绝缘子。2、防感应雷对 10kV 配电线路的绝缘弱点，如个别金属杆塔、特别高的杆塔、个别铁横担、带拉线的杆塔和终端杆处，应装设避雷器进行保护。对配电线路上的所有电气设备，如配电变压器、柱上断路器和隔离开关等，应根据其重要性分别采用不同的保护设备，如避雷器或保护间隙，并做到台台设备有防雷保护，不存在任何空白点。六、0.4kV 用电网的防雷 低压用电线路绝缘水平低，最容易发生事故，因此，对低压用电线路的防雷保护
15、问题要充分重视，应在必要的地点加装低压避雷器或击穿保险，以防止雷电侵入波进入室内，引起人身或设备事故。对重要用户，在低压线进户前50m 处要装一组低压避雷器外，进户后还要再安装一组低压避雷器。一般用户，只要对进户前支持导线的绝缘子铁脚进行可靠接地即可(接地电阻小于 30)。在多雷地区，凡直接与架空线相连的电能表宜加装保护间隙。接地装置除满足防雷要求外，还应注意均压问题，防止跨步电压或接触电压引起事故。1、架空线路的保护为了降低甚至防止近区雷击闪络，对未沿线架设避雷线的 35110kv 架空送电线路，应在变电所 12 米的进线段架设避雷线，避雷线的保护角度不宜超过 20，最大不超过 30。在木杆
16、，或木横担钢筋混凝土线杆线路进线段的首端，应装设一个管型避雷器 GB1，其工频接地电阻不宜超过 10 欧姆。铁塔或贴横担、瓷横担的钢筋混凝土杆线路，以及全线有避雷线的线路，其进线首端一般不装设 GB1。在雷季，如果变电所 35110KV 进线的隔离开关或断路器可能经常断路运行，同时线路侧又带电则必须在靠近断路器或隔离开关处装设一组管型避雷器GB2。见图一。图一 35110kV 变电所进线保护接线2电缆进线保护变电所的 35KV 及以上的电缆进线段，在电缆与架空线的连接处应装设阀型避雷器，其接地端应与电缆的金属外皮相连，对三芯电缆，末端的金属外皮应直接接地。见图二。图二 三芯电缆的屏蔽层接地对单
17、芯电缆，为防止在电缆外皮中产生环流，只允许将电缆一端的外皮直接接地，而另一端应经接地器 FJ 或保护间隙 JX 接地。也可用氧化锌避雷器进行保护。见图三图三 单芯电缆的屏蔽层接地如果电缆长度不超过 50m，或虽超过 50m，但经校验，装一组避雷器既能符合保护要求，则上示两图中可只装 F1 或 F2。如果电缆长度超过 50m，且断路器在雷季可能经常断路运行，应在电缆末端安装避雷器。连接电缆段的 1km 架空线路应装设避雷线。如果全部进线均为地下电缆，则变电所可不安装防护雷电过电压的避雷器。3、自耦变压器的保护自藕变压器一般除有高、中压绕组外，还有低压非自藕绕组，可能出现高低压绕组运行，中压绕组开
18、路和中低压绕组运行，高压开路的运行方式。当入侵波从高压段线路袭来，高压端电压为 U0 时，其初始和稳态电位分布以及最大电位包络线都和中性点接地的绕组相同,如图四。在开路中压端子 A上可能出现的最大电位约为高压侧电压 U0 的 2 / k 倍（k 为高压侧与中压侧绕组的变比） ，这样可能使处于开路状态的中压套管闪络，因此在中压侧与断路器之间应装设一组避雷器以便当中压侧断路器开路时保证中压侧绝缘。当高压侧开路，中压侧有雷电波入侵，中压侧电压为 U0时初始和稳态电位分布如图，可以看出中压端 A到开路的高压端 A 的稳态分布是由中压端 A到中性点 0 的稳态分布的电磁感应引起的，在震荡过程中 A 点的
19、电压可能达到稳态时的 2 倍，这将危及开路的高压侧因此在高压侧与断路器之间也应装设一组避雷器。图四 自耦变压器中有雷电入侵时的最大电位包络线1初始电压分布 2稳态电压分布 3最大电位包络线七、结束语：配电系统的防雷关系到每个人的利益，更关系到国民经济的发展，如果由于一次雷击造成一座城市大面积停电若干小时，或由于高电压造成人畜的伤亡，那造成的经济损失是不可估量的，所以电力及配电系统的防雷尤其重要。当然关于这方面的内容还有很多，这里点到为止，但是对于配电装置的雷电保护是一个永远值得研究的课题。参考文献：供配电实用技术问答 芮静康 北京中国电力出版社 2002高层建筑电器设计手册 陈一才 北京中国电力出版社 1990工业与民用配电手册 中国航空工业规划设计研究院等编 北京中国电力出版社 1994电气设计规范北京中国建筑工业出版社
