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小(xiǎo)型水電(diàn)站的接地装置防雷设计

接地装置的可(kě)靠接地非常重要，从人身、设备安全和抗干扰的角度来说，自动化设备应采用(yòng)共用(yòng)接地系统，并且设备的信号地和保护地在其内部就连接在一起。
小(xiǎo)型水電(diàn)站的接地装置防雷设计
随着電(diàn)力自动化技术的不断完善和提高，越来越多(duō)的小(xiǎo)水電(diàn)站采用(yòng)了计算机控制设备。在提高電(diàn)站自动化水平的同时，接地装置设备的耐过電(diàn)压水平却直線(xiàn)下降，特别是在遭遇雷击时，很(hěn)容易造成控制设备的损坏。小(xiǎo)型水電(diàn)站往往地处山(shān)區(qū)，遭遇雷击的概率比较高，所以加强小(xiǎo)水電(diàn)站的防雷保护非常必要。
雷击有(yǒu)直击雷和感应雷两种。雷電(diàn)波是一种冲击電(diàn)压波，作用(yòng)时间短，持续时间為(wèi)几十 微秒(miǎo)到几百微秒(miǎo)，接地装置是非周期变化脉冲波。直击雷，雷击点直接作用(yòng)在设备上或作用(yòng)在传输線(xiàn)路上引入造成设备的损坏。直击雷造成设备损坏的程度都较為(wèi)严重，一般采取安装避雷针和布设避雷带进行防雷保护。感应雷，在雷击点发生的几百米范围内的设备都可(kě)能(néng)感应到一定的雷電(diàn)幅值，使设备过電(diàn)压而造成损坏。实际上，雷電(diàn)造成的设备损坏大多(duō)数是由感应雷引起的。本文(wén)针对小(xiǎo)型水電(diàn)站的低压设备防雷措施作一简单介绍。
1電(diàn)源及设备通常采用(yòng)的防雷措施
计算机控制设备要防雷击，首先要对低压配電(diàn)線(xiàn)路进行防雷设计，特别是低压机组。如控制设备直接从400V母線(xiàn)上配電(diàn)，雷電(diàn)波可(kě)以沿母線(xiàn)侵入设备。接地装置解决的方法是在低压配電(diàn)网的进線(xiàn)端安装低压避雷器，同时接地装置三相对地并接大容量吸收電(diàn)容器;在電(diàn)源进入设备前应加装隔离变压器，并在隔离变压器二次侧对地并接压敏電(diàn)阻和TVS抑制二极管，通过UPS进入计算机控制设备。实践证明，该方法能(néng)较好地防止感应雷的侵入，下面作一具體(tǐ)叙述。
1.1低压母線(xiàn)及配電(diàn)線(xiàn)路
低压配電(diàn)線(xiàn)路应从变压器出口处安装低压避雷器或击穿保险器，避雷器一端接母線(xiàn)，另一端与接地回路相接，雷击造成的过電(diàn)压经低压避雷器、吸收電(diàn)容器放電(diàn)后電(diàn)压强度已大大减弱,氧化锌避雷器具有(yǒu)优异的非線(xiàn)性伏安特性，当过電(diàn)压一出现时就开始吸收能(néng)量，使電(diàn)压受到抑制。在实际系统中，影响電(diàn)力自动化设备的干扰既有(yǒu)共模干扰又(yòu)有(yǒu)差模干扰，且往往同时发生，接地装置浪涌能(néng)量终通过保护器泄放入大地。
1.2電(diàn)源接口浪涌保护器
(1)為(wèi)防止雷電(diàn)波从電(diàn)源输入端侵入设备，将浪涌能(néng)量通过保护器以電(diàn)流的形式通过地線(xiàn)释放到大地，使電(diàn)源電(diàn)压保持稳定。在装置電(diàn)源的进線(xiàn)端安装压敏電(diàn)阻，压敏電(diàn)阻在正常情况下处于关断状态，其漏電(diàn)電(diàn)流≤50μA，对電(diàn)路的正常工作无影响。一旦压敏電(diàn)阻两端出现瞬间高压时，其阻值会急剧下降，达到释放浪涌電(diàn)流的目的，使设备免受过電(diàn)压的冲击而损坏。当瞬间高压消除时，压敏電(diàn)阻又(yòu)恢复到高阻状态，電(diàn)路恢复正常。压敏電(diàn)阻虽然能(néng)吸收很(hěn)大的浪涌電(diàn)流，但却不能(néng)承受毫安级以上的持续電(diàn)流，所以在压敏電(diàn)阻的进線(xiàn)端应串接熔丝，从而保护压敏電(diàn)阻。
(2)TVS的電(diàn)压/電(diàn)流特性曲線(xiàn)如图1所示。它的正向特性与普通二极管相同，反向特性為(wèi)典型的PN结雪(xuě)崩器件。图2是TVS的電(diàn)流/时间和電(diàn)压/时间曲線(xiàn)。?
在瞬态峰值脉冲電(diàn)流作用(yòng)下，流过TVS的電(diàn)流由原来的反向漏電(diàn)流ID上升到IR时，其两端 呈现的電(diàn)压由额定反向关断電(diàn)压VWM上升到击穿電(diàn)压VBR，TVS被击穿。随着脉冲峰值的出现，流过TVS的電(diàn)流达到峰值脉冲電(diàn)流IPP，其两端的電(diàn)压被箝位到预定的箝位電(diàn)压以下，脉冲電(diàn)流按指数衰减，TVS两端的電(diàn)压也不断下降，恢复到起始状态，从而起到抑制浪涌電(diàn)流、保护计算机控制设备的目的。
与齐纳二极管相比，抑制二极管具有(yǒu)快的電(diàn)流导通能(néng)力。TVS受到反向瞬态高能(néng)量冲击时 ，能(néng)以纳秒(miǎo)级的响应速度，将其两极间的高阻抗变為(wèi)低阻抗，吸收高达数十千安的浪涌電(diàn)流，使两端的電(diàn)压箝位于一个额定值。TVS管具有(yǒu)响应时间快、瞬态功率大、漏電(diàn)電(diàn)流低、击穿電(diàn)压偏差小(xiǎo)、體(tǐ)积小(xiǎo)等特点。
TVS管的选用(yòng)，首先确定被保护電(diàn)路的直流電(diàn)压或连续工作電(diàn)压，箝位電(diàn)压VC应高于被 保护電(diàn)路的直流電(diàn)压或连续工作電(diàn)压。若选用(yòng)的VWM太低，器件可(kě)能(néng)进入雪(xuě)崩状态或因反向漏電(diàn)流太大而影响電(diàn)路的正常工作。TVS可(kě)并联使用(yòng)以提高额定容量或串联使用(yòng)以提高箝位電(diàn)压。
(3) 通讯接口的防雷保护。通讯信息系统的信号電(diàn)压很(hěn)低，抗雷電(diàn)電(diàn)磁脉冲的能(néng)力较差 ，只要脉冲電(diàn)平超过十几伏，就有(yǒu)可(kě)能(néng)造成设备损坏。 通讯系统的防雷通常是在通讯串口采用(yòng) 光電(diàn)隔离，通讯数据線(xiàn)上串接熔丝(0.3A)，对地并接双向TVS管，一般就可(kě)以起到较好的雷電(diàn)波抑制作用(yòng)。
2接地装置系统的重要性
接地装置保护地的可(kě)靠接地非常重要，从人身、设备安全和抗干扰的角度来说，自动化设备应采用(yòng)共用(yòng)接地系统，并且一般情况下设备的信号地和保护地在其内部就连接在一起。如处理(lǐ)不好，往往在雷击时形成地電(diàn)位反击，破坏控制系统。因此，计算机接地系统的处理(lǐ)至关重要。
接地布線(xiàn)主要有(yǒu)独立接地、共用(yòng)接地和混合接地三种方式。
(1)独立接地是指对需接地的系统分(fēn)别建立独立接地网，且各接地网之间要有(yǒu)足够的距离，其优点在于各接地系统之间不会产生干扰，这对于通讯系统来说非常重要，特别是在電(diàn)磁环境特别恶劣的情况下。缺点是独立接地的计算机通讯系统，在雷電(diàn)瞬时電(diàn)压很(hěn)高时，各接地系统点的電(diàn)位可(kě)能(néng)相差很(hěn)大，其设备元件容易击穿而损坏。相对于共同接地方式，采用(yòng)独立接地的计算机网络系统遭遇雷击的几率要高得多(duō)，同时，独立接地对设计施工都带来一定的困难。
(2)共用(yòng)接地，是把所需接地的接地装置各系统连接到一个地网上，使其成為(wèi)電(diàn)气相通的统一接地网。共用(yòng)接地又(yòu)有(yǒu)单点接地和多(duō)点接地两种方式。多(duō)点接地装置是指将通信与计算机系统中各设备接地線(xiàn)从不同地方分(fēn)别连接到接地平面或接地母線(xiàn)上，而单点接地是将通信与计算机系统中各设备接地線(xiàn)连接到接地母線(xiàn)的同一点或同一平面上。多(duō)点接地优点是以短的连線(xiàn)接至地网，使其串联阻抗减至小(xiǎo)，从而有(yǒu)效抑制因電(diàn)容效应而产生的干扰。单点接地方式，能(néng)消除公共阻抗耦合和低频接地环路引起的干扰，适用(yòng)于1MHz以下频率的干扰。?
(3)混合接地，由于上述两种接地方式各有(yǒu)优缺点，在对通信与计算机系统进行接地设计 与施工中，应扬長(cháng)避短，将两种接地方式结合起来应用(yòng)。这种多(duō)种接地方式的结合被称為(wèi)混合接地方式，具體(tǐ)使用(yòng)方法如下。
一方面，对通讯与计算机系统的整體(tǐ)结构采用(yòng)共用(yòng)接地中的单点接地方式，即建立一个总接地等電(diàn)位连接带，并将防雷接地、電(diàn)源系统接地、電(diàn)气保护接地、防静電(diàn)接地、射频接地、信息系统信号屏蔽层接地等各类接地在通信与计算机系统的各设备上相互分(fēn)开，使之成為(wèi)独立系统，再分(fēn)别引線(xiàn)到等電(diàn)位连接带上共同接地。这样不仅能(néng)够有(yǒu)效地抑制公共阻抗耦合和低频接地环路引起的干扰，同时又(yòu)使各接地系统间保持等電(diàn)位，因而可(kě)以限度地使通信与计算机系统免遭高電(diàn)位反击，使工作人员免遭雷击伤害。
对信号線(xiàn)进行屏蔽接地设计时，首先要求各类通信電(diàn)缆应為(wèi)屏蔽電(diàn)缆，无屏蔽层的電(diàn)缆应从金属管内穿过，并在接地装置電(diàn)缆两端将屏蔽层或金属管与地線(xiàn)相连接，以起到屏蔽效果。?
3避雷对计算机设备的负面影响
避雷针引雷后，强大的雷击電(diàn)波在入地的过程中，由于雷電(diàn)流陡度di/dt的作用(yòng)，在其周围导體(tǐ)内产生感应脉冲電(diàn)压，即感应雷。其電(diàn)压值為(wèi)：?
Uj=0.2(ln1000/a-1/2)di/dt×10-6(kV/m)
式中:a——雷電(diàn)流引線(xiàn)与被感应导體(tǐ)间的平行距离，m;
di/dt——雷電(diàn)流陡度，kA/μs。
30kA雷击时，在避雷针周围导體(tǐ)中耦合的Uj值在400m时，脉冲電(diàn)压為(wèi)0.9kV/m, 在10 m时，脉冲電(diàn)压為(wèi)9.5kV/m,可(kě)见避雷针对设备产生的影响。对常规设备控制的系统来讲，这样的感应脉冲電(diàn)压还不至于使常规的继電(diàn)保护装置损坏。但对采用(yòng)计算机控制的设备及通讯信号来说，则完全不同。接地装置系统的直击雷保护应从控制LEMP(抗雷電(diàn)電(diàn)磁脉冲)的角度出发，避雷针采用(yòng)短针、多(duō)针布置，以减小(xiǎo)保护半径，接地装置降低雷击概率，也可(kě)采用(yòng)避雷带、接闪网等措施。?
4结束语
总的来说，目前关于小(xiǎo)型水電(diàn)站计算机控制设备的防雷，还没有(yǒu)一个完备的解决方案，设备遭遇雷击的情况时有(yǒu)发生。但采用(yòng)计算机控制系统的電(diàn)站，如能(néng)按以上所提的防雷思路，对雷击加以防范，必将大大缓解雷击对设备的损害程度和几率，从而保障電(diàn)力生产的正常进行。
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