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变电站二次防雷方案设计与产品选型

作者:山西太原防雷工程,防雷检测,防雷产品 发布日期:2020-03-28 关注次数: 二维码分享


一、雷电防护概述 
 
  雷电是一种极具破坏力的自然现象,其电压可高达数百万伏,瞬间电流更可高达数十万安培。千百年来,雷电所造成的破坏可谓不计其数。落雷后在雷击中心1.5-2Km半径的范围内都可能产生危险过电压损害线路上的设备。雷电灾害如同暴雨、飓风一样都属于气象(自然)灾害,它与水、旱、刑事犯罪、交通事故统称为影响社会安全和经济发展的六大灾害。
 
雷电产生于雷暴,而雷暴往往伴随强对流天气而形成,是由大气环流和当地气象因素决定的。雷暴是积雨云中云与云之间或云与地之间产生的放电现象,并伴有火花放电,强大电流通过时,又使空气迅速膨胀产生巨大的响声,即雷电。闪电有枝状、片状、带状、球状,其中枝状最为常见。
 
  雷暴的能量是由太阳辐射能转化的大气不稳定能所供给的。每年进入春季,太阳辐射增强,大气中的不稳定能增加,因雷暴始发于春季,盛夏,太阳辐射强烈,大气不稳定能储存多,雷暴频繁。秋冬以后,太阳辐射减弱,因而雷暴逐渐减少。但由于全球气候变化和大气污染等原因,现在冬季也经常出现雷击现象。据悉,每个闪电的强度可以高达100万伏,一个中等强度雷暴的功率约有10万千伏安,相当于一座小型核电站的输出功率。
 
  一般而言,雷电灾害具有突发性、多样性、复杂性、破坏性和选择性等特点。随着现代化高新技术产业基础——电子技术的迅速发展和广泛运用,雷电灾害跟踪而至,还呈现出新的特点:受灾面大大扩展,特别容易侵入与高新技术最密切的领域,损失和危害程度大大增加。近年来,随着大量的数据设备和精密仪器应用的范围日益广泛,雷电损害造成的事故有逐年上升的趋势。由于通讯计算机网络精密设备内部结构的高度集中化,使设备耐受过电压、过电流的能力下降,更易遭受雷电破坏。轻者可造成计算机终端和通信设备的接口损坏,使通信中断,大量信息丢失或无法传输;严重者使网络主机损坏,导致网络瘫痪,工作无法进行。计算机网络系统易遭受雷击损坏的设备有:MODEM(调制解调器)、ROUTER(路由器)SWITCH(交换机)、HUB、网卡、通信卡、UPS、计算机电源及主板。
 
  在雷电灾害防御方面,纵观人类防雷历史,已有两个多世纪,从建筑物防雷发展到供电防雷、电气和电子设备防雷,现在已进入第四个阶段即现代微电子设备防雷。防雷技术和产品,也随着现代高新技术发展得到显著发展,除传统的避雷针引雷拦截技术外,已拥有消散削减、屏蔽隔离、抑制分流、疏导均衡等电位、优化接地泄放和雷电控测定位预警等技术,并相应研制出多种高科技的隔离装置、电涌保护器、高效防腐降阻剂等设备、器件和产品,出现了火箭与激光等人工影响雷电的装置和雷电探测预警系统设备,这都为有效防御治理雷电灾害奠定了技术和物质基础。
 
  工业化和科技的进步使得各种高层建筑和特殊用途建筑如雨后春笋般的拔地而起,这也为雷电防护提出了大量新的问题。“静电抵抗”、“电磁干扰”、“热岛效应”等等的问题都有待进一步区研究和解决。近十多年来围绕这些问题人们进行了不懈的努力,提出了许多新的防雷理论,研制出一大批新的防雷器件、设备和材料,开发出许多全新的雷电防护技术。我国于1994年颁布了新的《建筑物防雷设计规范》GB 50057-1994,该规范参考了大量国际标准,对原有的规范做了大量的修改,无论从指导思想、技术要求还是技术措施上讲都处在国际领先地位,这也标志着我们国家对雷害的重视。
 
二、雷电防护的基本理论 
 
1、雷击侵入设备的途径
 
(1). 直击雷:所谓直击雷,是指雷电直接击在建筑物、构架、树木、动植物上,因电效应、热效应和机械力效应等造成建筑物等损坏以及人员伤亡。一般防直击雷是通过外部避雷装置即:接闪器(避雷针、避雷带、避雷网、避雷线)、引下线、接地装置构成完整的电气通路,将雷电流泄入大地。然而接闪器、引下线和接地装置的导通只能保护建筑物本身免受直击雷的损毁,但雷电仍然会透过多种形式及途径破坏电子设备。
 
(2). 感应雷:所谓感应雷,是指雷云放电时,在附近导体上产生的静电感应和电磁感应等现象称之为感应雷击。雷电在雷云之间或雷云对地的放电时,会在附近的电源线路、信号线路、埋地管道、设备间连接线和铁路钢轨等等导体上产生静电和电磁感应过电压,使串联在线路中间或终端的电子设备遭到损害。
 
  感应雷虽然没有直击雷猛烈,但其发生的几率比直击雷高得多。直击雷只在雷云对地闪击时才会对地面造成灾害,而感应雷则不论雷云对地闪击或者雷云对雷云之间闪击,都可能发生并造成灾害。此外直击雷一次只能袭击一个小范围的目标,而一次雷闪击都可以在较大的范围内多个小局部同时产生感应雷过电压,并且这种感应高压可以通过电力线、电话线等传输到很远,致使雷害范围扩大。
 
  装有避雷针的建筑物,可以避免雷击损坏建筑物,但是在雷电从建筑物顶端泻放入大地或者附近发生雷击的时候,雷电电磁脉冲可以通过避雷针的引下线和接地系统地线产生很强的电场,建筑物内的所有金属物品均会产生感应电压,这些感应电压的高低随着金属形状、距地线的距离和雷击大小而变(根据IEC 61312标准,当雷击击中建筑物时,即使装有避雷针,直击雷电流50%的通过引下线和接地系统入地,仍然会有大约50%的雷击能量仍会分配到各线路系统)一旦您的电源输入线、电话线、网络线或其它电子设备的金属引出、引入线感应到瞬间高压,避雷针就无能为力了。感应雷击破坏的主要对象是电子电气设备。
 
(3)、球形雷:球形雷是一种特殊的雷电现象,简称球雷。一般是以橙或红色,或似红色火焰地发光球体,(也有带黄色、绿色、蓝色或紫色的),直径一般约为10-20厘米,最大的直径可达一米,存在的时间大约为百分之几秒至几分钟,一般是3至5秒,其下降时有的无声,有的发出嘶嘶声,一旦遇到物体或电气设备时会产生燃烧或爆炸,其主要是沿建筑物的孔洞或开着的门窗进入室内,有的由烟囱或通气管道滚进楼房,多数沿带电体消失。
 
(4)、电磁脉冲:由于雷电电流有极大峰值和陡度,因此在它的通道周围会出现很强的瞬变电磁场,处在这个瞬变电磁场中的导体就会感应出较大的电动势,而此瞬变电磁场,都会在空间一定的范围内产生电磁作用,也可以是脉冲电磁波辐射,而这种空间雷电电磁脉冲波(LEMP)是在三维空间范围里对一切电子设备发生作用。因瞬变时间极短或感应的电压很高,以致产生电火花,其电磁脉冲往往超过2.4高斯。现代银行、邮电、证券机房或营业柜台通常应用计算机进行货币存取、信息传递与交换等业务,依据GB/T 2887-2000《电子计算机场地通用规范》标准这些场合对磁脉冲承受限度应小于800A/m,故在新机房建设或旧机房改造时应对防雷与磁屏蔽措施必须充分注意。
 
(5).地电位反击:建筑物的外部防雷系统(如避雷针、避雷网等)遭受直接雷击,在接地电阻的两端就会产生危险的过电压,由设备的接地线、建筑物或附近的其他建筑物的外部防雷系统或其他自然接闪物(各种管道、电缆屏蔽管等)引入设备,造成设备的损坏。
 
(6):操作瞬间过电压:众所周知,当电流在导体上流动时,会产生磁场,储存能量,电流越大,导线越长,储能越大,所以当大型负载(特别是电感性负载)电气设备开关时,便会产生瞬时操作过电压。
 
2、雷击防护的基本原理
 
  所谓雷击防护:就是通过合理、有效的手段将雷电流的能量尽可能的引入到大地,是疏导,而不是堵雷或消雷。一个完整的防雷系统包括两个方面:直接雷击的防护和感应雷击的防护。缺少任何一面都是不完整的、有缺陷的和有潜在危险的。一般我们将其分为外部避雷和内部避雷两部分。由避雷针(或避雷带、避雷网)、引下线和接地系统构成外部防雷系统,主要是为了保护建筑物免受雷击引起火灾事故及人身安全事故;而内部防雷系统则是防止雷电和其它形式的过电压侵入设备中造成损坏,这是外部防雷系统无法保证的,为了实现内部避雷,需对建筑物进出各保护区的电缆、金属管道等安装过电压保护器进行保护并良好接地。
 
  A、多级保护原则:即根据电气、微电子设备的不同功能、受保护的程序和所属保护区域确定防护要点作分类保护;根据雷电和操作瞬间过电压危害的可能通道,对电源线和数据、通信线路都应做多级层保护。 
 
  B、外部无源保护:在0级保护区即外部作无源保护,主要依靠避雷针(网、线、带)和接地装置。保护原理:当雷云放电接近地面时,它使地面电场发生畸变。在避雷针(线)顶部,形成局部电场强度畸变,以影响雷电先导放电的发展方向,引导雷电向避雷针(线)放电,再通过接地引下线,接地装置将雷电流引入大地,从而使被保护物免受雷击。这是人们长期实践证明的有效的防直击雷的方法。建筑物的所有外露金属构件(管道),都应与防雷网(带,线)良好连接。
 
C、内部防护 
 
(1)、电源部分防护:
 
  雷电侵害主要是通过线路侵入。对高压部分电力局有专用高压避雷装置,电力传输线把对地的电力限制到小于6000伏(IEC62.41),而线对线则无法控制。所以,对380v低压线路应进行过电压保护,按国家规范应分三部分:建议在高压变压器后端到建筑总配电盘前端的电缆内芯线两端应对地加装电涌保护器,作一级保护;在建筑总配电盘至各楼层分配电箱间的电缆内芯线两端应对地加装电涌保护器,作二级保护;在所有重要的、精密的设备以及UPS的前端应对地加装电涌保护器,作为三级保护。目的是用分流(限幅)技术即采用高吸收能量的分流设备(电涌保护器)将雷电过电压(脉冲)的能量分流泄入大地,达到保护目的,所以,分流、等电位技术中采用防护器的品质、性能的好坏是直接关系网络防护的关键,因此,选择合格优良的电涌保护器至关重要。 
 
(2)、信号部分保护:
 
  对于信息系统,应分为粗保护和精细保护。粗保护量级根据所属保护区的级别确定,精细保护要根据电子设备的敏感度来进行确定。其主要考虑的如:卫星接收系统、电话系统、网络专线系统、监控系统等。建议在所有信息系统进入楼宇的电缆内芯线端,应对地加装电涌保护器,电缆中的空线对应接地,并做好屏蔽接地,其中应注意系统设备的在线电压、传输速率、按口类型等,以确保系统正常的工作。 
 
(3)、接地处理 
 
  在计算机机房的建设中,一定要求有一个良好的接地系统,因所有防雷系统都需要通过接地系统把雷电流泄入大地,从而保护设备和人身安全。如果机房接地系统做得不好,不但会引起设备故障,烧坏元器件,严重的还将危害工作人员的生命安全。另外还有防干扰的屏蔽问题,防静电的问题都需要通过建立良好的接地系统来解决。一般整个建筑物的接地系统有:建筑物地网(与法拉第网相接)、电源地(要求地阻小于10欧)、逻辑地(也称信号地)、防雷地等,有的(如IBM)公司要求另设专用独立地,要求地阻小于4欧(根据实际情况可能也会要求小于1欧)。然而,各地必须独立时,如果相互之间距离达不到规范要求的话,则容易出现地电位反击事故,因此,各接地系统之间的距离达不到规范的要求时,应尽可能连接在一起,如实际情况不允许直接连接的,可通过地电位均衡器实现等到电位连接。为确保系统正常工作,应每年定期用精密地阻仪,检测地阻值。接地装置由接地极及一些附件、辅助材料组成。接地装置的选材和施工主要决定于土质结构,即土壤的地阻率ρ。不同层土质结构不同,因而地阻率ρ不同,为增加接地装置使用效率,可使用长效降阻剂。
 
D、有外部防雷措施同时更需要完善内部防雷措施 
 
  我们知道外部防雷措施中避雷设施的引下线在接闪以后,会有很大的瞬变电流通过,也就是说在周围会产生很大的瞬变电磁场(LEMP)。因此,安装了外部避雷措施不能代替内部防雷措施。再者,我们都知道,避雷针的工作原理是引雷,所以在概率上来说,安装了避雷针以后,建筑物的避雷系统遭受雷击的可能性会增大,也就是说LEMP发生的几率会变大,过电压产生点的距离会缩短(引下线处),所以安装了外部避雷措施的含有电脑网络等系统的大厦更加需要内部防雷措施。
 
三、防雷设计方案
 
(一)、外部防护设计
 
  依据GB 50057-94《建筑物防雷设计规范》,在办公楼、厂房、新办公楼的天面装避雷带,使用40×4mm镀锌扁钢做引下线于接地网连接作为这些建筑物的外部直击雷保护装置。
 
(二)、内部防雷的设计
 
1、电源系统设计的总方案
 
  根据IEC 61312《雷电电磁脉冲的防护》、GB 50057-94《建筑物防雷设计规范》、GB 50054-95《低压配电设计规范》、GB 50074-2002《石油库设计规范》及GB 50058-92《爆炸和火灾危险环境电力设计规范》中防雷及过电压规范有关防雷分区的划分和各级电源系统雷电及过电压保护要求,针对本配电系统的特点,将其分为三个防雷区分别加以考虑。由于如前所述单级防雷可能会带来因雷电流过大而导致的泄流后残压过大或者保护能力不足引起的设备损坏。因此选用电源系统多级保护,可防范从直击雷到操作浪涌的各级过电压的侵袭。
 
A、电源一级防雷[LPZOA-LPZ1区]:
 
  依据《建筑物防雷设计规范》第六章:防雷击电磁脉冲第三节 屏蔽、接地和等电位连接的要求:第6.3.4条及第四节对电涌保护器和其他的要求:第6.4.7条规定,在LPZOA或LPZ0B区与LPZ1区交界处,从室外引来的线路上安装SPD当线路有屏蔽时,每个SPD的雷电流按雷电流的幅值的30%考虑,本建筑物为二类防雷建筑物,首次雷电流幅值为150KA,电源线路为铠装埋地,TN-S配电模式,因此首次直击雷在低压配电线路上每线的分配电流为:在建筑物已安装合格的防直击雷措施后,有50%的雷电流通过引下线流入接地装置,因此每线分配电流为:In =[150 KA×30%]÷4 =11.25KA,按《建筑物防雷设计规范》第六章:第四节:第6.4.7条要求每线标称放电电流不宜小于15KA。同时,依据《建筑物防雷设计规范》第六章:第四节 第6.4.4条及IE C61312《雷电电磁脉冲的防护》第三部分:浪涌保护器的要求,浪涌保护器可以将数万伏的感应雷击过电压限制到4KV以下。
 
具体措施:
 
  在电源系统总配电间配电回路380V低压总配电箱安装一台CX-PB100S防雷箱或者一套CX-PM100S电源防雷模块,用于配电回路的第一级电源防护。主要防护因强大的雷电流(传导雷)经电源线传导至配电柜后对设备造成的损坏;如果安装防雷模块,为防止浪涌保护器遭受雷击后损坏后,电源对地短路,需要在浪涌保护器前安装60A空气开关作为短路保护装置。
 
B、电源二级防雷[LPZ1-LPZ2区]:
 
  根据《建筑物防雷设计规范》第六章:防雷击电磁脉冲;第四节,第6.4.1至6.4.12条LPZ1区对电涌保护器(SPD)的要求及GB 50054-95《低压配电设计规范》第四章的有关规定,依据雷电分流理论,需使用8/20μs波形,通流容量20KA。对于如本案的特殊区域需要做重点防护的配电电源需使用通流容量40KA的电涌保护器进行加强保护。
 
具体措施:
 
  在机房分配电柜安装1套CX-PB40S防雷箱或者一套CX-PM40S电源防雷模块,作为配电回路的第二级电源防护。主要防护因强大的雷电流(传导雷)经10KV电源线传导至配电柜后对后端设备造成的损坏,并实现L - N的等电位连接;为防止浪涌保护器遭受雷击后损坏后,电源对地短路,需要在浪涌保护器前安装30A空气开关作为短路保护装置。
 
C、电源三级防雷[LPZ2-LPZ3区]:
 
  根据IEC 61312-3雷电电磁脉冲的防护 第三部分:浪涌保护器的要求,在LPZ2-LPZ3区内,浪涌保护器可将浪涌电压限制到一千多伏,防雷器通流容量为(8/20μs):≥10KA。
 
具体措施:
 
  在楼层分配电箱空气开关后级处安装CX-PB20D的单相防雷器,保护单相AC220V电网的供电系统。
 
D、设备的精细保护(可略)
 
  在计算机管理设备、监控系统、舞台音响及其它小型精密贵重设备的电源插头处使用CX-PS6P 灵活式电源防雷器。
 
2、信号系统保护的总设计方案
 
  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、信号及通讯金属连线等都会感应到雷击,将会影响网络、信号及通讯系统的正常运行甚至彻底破坏系统。对于网络、信号及通讯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。本方案中网络、信号设备防护方面,依据GB 50174-93《电子计算机机房设计规范》、YD/T5098 《通信局(站)雷电过电压保护工程设计规范》、GB 2887-89《计算机场地安全要求》中信号系统雷电及过电压防护要求,针对收发设备、监控制设备、网络交换机、服务器网卡及其他精密通讯等做重点防护。
 
具体措施: 
 
  在设备进口端安装过压保护器,防止因线缆感应的电浪涌对设备造成破坏。
 
四、设计依据及相关标准
 
  GB 50057-94 《建筑物防雷设计规范》(2000版)
  GB 50054-95 《低压配电设计规范》
  IEC 61024 《建筑物防雷》
  IEC 61312 《雷电电磁脉冲的防护》
  99(03)D501-1 《建筑物防雷设施安装》
  DL/T 544-94 《电力系统通信管理规程》
  DL/T 546-94 《电力系统载波通信管理规程》
  DL/T 547-94 《电力系统光纤通信运行管理规程》
  DL/T 548-94 《电力系统通信站防雷运行管理规程》
  DL/T 621-97 《交流电气装置的接地》
  GB 50169-92 《电气装置安装工程接地装置施工及验收规范》
 

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