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雷電或過(guò)電壓侵入通設(shè)備的途徑
通網(wǎng)近幾年通設(shè)備遭雷擊損壞情況看,通電源、波通設(shè)備收發(fā)機(jī)、通設(shè)備用戶(hù)電路或接口電路損壞情況占絕大多數(shù)。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,雷電或過(guò)電壓侵入通設(shè)備的途徑不外乎有以下幾種:
1 雷電直擊或在附近閃擊輸配電線路,雷電波沿電力線侵入機(jī)房電源設(shè)備,損壞電源開(kāi)關(guān)、保險(xiǎn)及整流變換模塊、通電源盤(pán)等。
2 雷電直擊波天線鐵塔,雷電波沿天饋線迅速侵入通設(shè)備,直接損壞與饋線相連的收發(fā)機(jī)單元部分,造成通中斷。
3 雷電直擊或閃擊在通架空光纜或電纜線路上,在線路上產(chǎn)生的瞬間過(guò)電壓,沿光纜或電纜金屬外皮或加強(qiáng)芯迅速向線路兩端擴(kuò)展進(jìn)入機(jī)房,損壞與光纜直接相連的機(jī)盤(pán),或損壞與通電纜直接相連的保安配線架、用戶(hù)電路板或接口電路板。
4 雷電直擊鐵塔或變電所內(nèi)避雷針,雷電流通過(guò)避雷針引下線流入接地網(wǎng),造成地電位升高。當(dāng)設(shè)備接地不良,接地電阻阻值較大時(shí),會(huì)造成電子設(shè)備損壞。
5 當(dāng)變電所發(fā)生線路或母線接地事故時(shí),故障電流對(duì)地網(wǎng)放電,巨大的接地電流流入接地網(wǎng),造成地電位短時(shí)間迅速升高,也會(huì)造成電子設(shè)備損壞。
6 在電力線路下添架的通線路,當(dāng)電力線路瓷瓶絕緣擊穿時(shí),造成電力線對(duì)通線路放電,或電力線路搭接在通線路上,致使強(qiáng)電沿光纜金屬加強(qiáng)芯或音頻通電纜侵入機(jī)房,造成通設(shè)備損壞或人員傷害。
通站防雷存在的缺欠
電力通防雷情況,我們對(duì)照《電力系統(tǒng)通站防雷運(yùn)行管理規(guī)程》,逐站逐條進(jìn)行了防雷檢查。檢查結(jié)果表明個(gè)別通站還不同程度的存在著缺欠,共性的問(wèn)題主要表現(xiàn)在以下幾方面:
1 個(gè)別在辦公樓里面的通機(jī)房,大多數(shù)都是由辦公室改造而成的,接地網(wǎng)不規(guī)范,個(gè)別接地電阻大于5Ω,無(wú)環(huán)形接地母線。設(shè)備接地線線徑細(xì)。
2 交流電源有的裝了過(guò)電壓保護(hù)器,有的還沒(méi)有,大多數(shù)通站沒(méi)有安裝直流電源過(guò)電壓保護(hù)器,通設(shè)備電源入口也沒(méi)加裝壓敏電阻。
3 個(gè)別通電纜線路由于受現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件限制,直接架空進(jìn)入機(jī)房,沒(méi)有進(jìn)行直埋。新型卡接式配線架接線不方便,未將電纜空線對(duì)接地。
4 變電所內(nèi)的數(shù)字配線及音頻保安配線架都是后組裝于光端機(jī)的機(jī)框內(nèi),保安配線單元的接地線未接到接地母線上。
5 變電所RTU遠(yuǎn)動(dòng)裝置大多采用RS232接口與“一點(diǎn)多址”波、光端機(jī)等通設(shè)備相連,經(jīng)常發(fā)生雷雨過(guò)后燒壞RS232接口板現(xiàn)象。RTU裝置接地大多數(shù)是直接用螺絲固定在地溝的槽鋼上(槽鋼與地網(wǎng)焊接)接地不良。
通站綜合防雷措施的應(yīng)用
針對(duì)上述通站防雷存在的缺欠,近幾年我們依據(jù)通站防雷的一般原理和常用防護(hù)措施,采取綜合性防雷,對(duì)通站防雷設(shè)施進(jìn)行了改造和完善。
1 防雷總的原則是:
(1)采用外部保護(hù)將絕大部分雷電流直接接閃引入地下泄放。
(2)采用過(guò)電壓保護(hù)器阻塞沿電源線或數(shù)據(jù)線、號(hào)線引入的過(guò)電壓波(內(nèi)部保護(hù))。
(3) 采用過(guò)電壓保護(hù)器限制被保護(hù)設(shè)備上的浪涌電壓幅值。
(4)用光電隔離器隔離通與RTU之間的RS232接口,避免接口設(shè)備電氣連接。
2 防雷一般方法和技巧:
(1) 設(shè)置一套良好的建筑物避雷帶、避雷網(wǎng),并與主鋼筋一起接地;
(2)外置設(shè)備(天線等)應(yīng)盡量置于建筑物避雷網(wǎng)的保護(hù)角度范圍內(nèi):
(3)采用共地的接地措施;
(4) 在電源、號(hào)或數(shù)據(jù)線各進(jìn)出口安裝性能可靠的專(zhuān)用防雷器;
(5)室內(nèi)的設(shè)備應(yīng)盡量遠(yuǎn)離避雷導(dǎo)電體;
(6)室內(nèi)布線,包括各類(lèi)傳輸線應(yīng)盡量減小洄圈,好能加有屏蔽線并兩端接地。
3 防雷接地系統(tǒng)改造。
(1)對(duì)調(diào)度通樓接地網(wǎng)進(jìn)行改造,發(fā)現(xiàn)原接地網(wǎng)因多年失修,有部分接地帶已爛斷。重新在通樓四面分別埋設(shè)4個(gè)接地網(wǎng),接地極用50mm×50mm×5mm鍍鋅角鋼,每根長(zhǎng)1500mm,垂直砸入1200mm深溝內(nèi),每根接地極相距500mm以上,并且用40mm×4mm鍍鋅扁鋼焊接聯(lián)成一個(gè)網(wǎng)狀接地裝置。4個(gè)接地網(wǎng)分別用一根扁鋼連至通樓各樓層機(jī)房的對(duì)稱(chēng)接地網(wǎng)。改造后接地電阻為0.5Ω,滿(mǎn)足要求。
(2)對(duì)各辦公樓里的通機(jī)房接地進(jìn)行改造,延長(zhǎng)接地網(wǎng),增加接地極數(shù)或鋪設(shè)兩個(gè)以上接地網(wǎng)。使接地電阻降到1Ω以下。
(3)通機(jī)房?jī)?nèi)用40mm×4mm鍍鋅扁鋼鋪成環(huán)形接地母線,四個(gè)角與地網(wǎng)相連。機(jī)房?jī)?nèi)所有設(shè)備外殼、暖氣、電纜走線架等金屬構(gòu)件全部用35mm2銅導(dǎo)線就近與接地網(wǎng)相連。
(4) 變電所內(nèi)通設(shè)備與RTU遠(yuǎn)動(dòng)裝置外殼均用35mm2多股銅導(dǎo)線就近連接到變電所接地母線的同一點(diǎn),以電位差。
(5)將“一點(diǎn)多址”波饋線金屬外皮的上端、中間及下端分別就近與鐵塔相連,在機(jī)房入口處與接地母線相連。各波塔接地電阻測(cè)試符合要求。
(6)對(duì)于調(diào)度通樓,由于樓內(nèi)有遠(yuǎn)動(dòng)、調(diào)度、交換機(jī)、光纖、波、電源等機(jī)房,各機(jī)房間聯(lián)系較多,各種音頻電纜、同軸電纜相互間連接復(fù)雜,一旦某個(gè)機(jī)房的電位升高,都會(huì)對(duì)其它機(jī)房設(shè)備造成威脅。因此,要把這些機(jī)房接地統(tǒng)一接到一個(gè)共用接地系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)各機(jī)房接地等電位連接。
4 電源系統(tǒng)的防雷保護(hù)
(1)引入通機(jī)房的電力線采用地下電力電纜,電纜金屬護(hù)套兩端均良好接地。
(2)配電變壓器高壓側(cè)接高壓氧化鋅避雷器,低壓側(cè)接電源防雷器。變壓器機(jī)殼、避雷器地統(tǒng)一接到地網(wǎng)上,并接地良好。
(3)通機(jī)房?jī)?nèi)電源采用多級(jí)浪涌保護(hù)措施。交流母線上并接一級(jí)380V過(guò)電壓保護(hù)器;高頻開(kāi)關(guān)電源交流入并接一級(jí)380V過(guò)電壓保護(hù)器;-48V電源入口處接一級(jí)壓敏電阻。通設(shè)備電源正極在電源側(cè)和設(shè)備側(cè)分別接到接地母線上。
(4)在變電所內(nèi)的通設(shè)備電源,由于通設(shè)備少,與其它變電所設(shè)備一起安裝于主控室。直流電源取自變電所220V直流操作電源,經(jīng)DC/DC模塊變換成-48V電源供通設(shè)備。因此,在變電所用電柜交流母線上安裝一級(jí)380V/100G交流過(guò)電壓保護(hù)裝置,做為一級(jí)防雷;在高頻開(kāi)關(guān)電源入線處裝一級(jí)交流防過(guò)電壓保護(hù)器,在DC/DC模塊48V輸出側(cè)裝一級(jí)48V直流浪涌保護(hù);后,在通設(shè)備48V入口裝48V壓敏電阻一只。
(5)機(jī)房?jī)?nèi)所有交、直流配電柜機(jī)殼均做接地保護(hù),交流保護(hù)接地線從接地母線上直接引出,嚴(yán)禁采用中性線作為交流保護(hù)接地線。
5 各種號(hào)線的防雷保護(hù)
根據(jù)各通站實(shí)際情況,采用加裝浪涌保護(hù),光電隔離等措施,對(duì)進(jìn)出通機(jī)房及通設(shè)備與其它設(shè)備接口的所有號(hào)線進(jìn)行保護(hù)。以防止雷擊感應(yīng)電壓或過(guò)電壓侵入損壞通設(shè)備。
(1)對(duì)個(gè)別通站通電纜線路直接架空進(jìn)入機(jī)房的進(jìn)行改造,在線路終端桿將鋼線接地,將通電纜水平直埋l0m以上,進(jìn)入機(jī)房。進(jìn)入機(jī)房的通電纜金屬外皮均良好接地。
(2)普通架空光纜、管道光纜、自承式光纜,均采用非金屬光纜。對(duì)于有金屬加強(qiáng)芯或金屬護(hù)套的光纜,進(jìn)入機(jī)房前,在終端桿或終端電纜井改成非金屬光纜過(guò)渡進(jìn)入機(jī)房。
(3)所有音頻電纜、線、號(hào)線進(jìn)入機(jī)房要首先接入音頻保安器,來(lái)抑制電纜線對(duì)橫向、縱向過(guò)電壓。各配線架保安單元接地端均要良好接地,確保保安器發(fā)揮正常作用。
(4)認(rèn)真落實(shí)進(jìn)入機(jī)房電纜外皮及空線對(duì)接地保護(hù)措施。應(yīng)及時(shí)做好電纜空線對(duì)在配線架上接地工作,以防止引入雷電感應(yīng)電壓在開(kāi)路導(dǎo)線末端產(chǎn)生反擊,損壞設(shè)備。有條件的配線架可采用短路接地塞,直接插在配線架空線對(duì)上,方便、靈活。平時(shí)檢修線對(duì)變更后,應(yīng)及時(shí)檢查空對(duì)接地情況。
(5)對(duì)于遠(yuǎn)動(dòng)等其它專(zhuān)業(yè)的號(hào)進(jìn)入通設(shè)備前應(yīng)采取隔離措施:經(jīng)調(diào)制解調(diào)器輸出的音頻模擬號(hào),采用音頻變壓器進(jìn)行電氣隔離;用RS232接口的數(shù)據(jù)號(hào),采用光電隔離器進(jìn)行隔離,地電位差可能通過(guò)該接口中的共用接地線串入,造成反擊損壞接口電路現(xiàn)象。
另外,從朝陽(yáng)通設(shè)備接口損壞情況看,RS232接口損壞情況比較多,RS422接口從未損壞過(guò)??梢?jiàn),RS232接口芯片抗干擾能力不如RS422接口芯片。因此,我們將具備條件地方,均已改為RS422通道傳,而不用RS232接口。建議以后新上設(shè)備也盡量不用RS232而改為64K、RS422、或2M接口。
(6)采用RJ45接口的網(wǎng)絡(luò)號(hào),先經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)浪涌保護(hù)器后再接入通設(shè)備接口。對(duì)于電量采集、繼電保護(hù)、綜合自動(dòng)化、MIS及負(fù)荷控制等專(zhuān)業(yè)采用2Mbit/s接口的號(hào),必須先經(jīng)過(guò)2Mbit/s同軸號(hào)浪涌保護(hù)器,再接入通傳輸設(shè)備,以防浪涌電壓侵入。有的地方MIS、負(fù)控等機(jī)房與通機(jī)房不在一起,距離較遠(yuǎn),可采用光纖收發(fā)器進(jìn)行光電隔離,一來(lái)傳輸距離遠(yuǎn),二來(lái)進(jìn)行號(hào)隔離,三是光纖傳輸抗干擾、防雷電效果更好。
(7)對(duì)于“一點(diǎn)多址”波饋線進(jìn)入機(jī)房后,在饋線入端加裝同軸高頻號(hào)避雷保護(hù)器,保護(hù)器外殼要良好接地。保護(hù)器選用要考慮合適的帶寬。
雷云對(duì)大地的電壓低則幾百萬(wàn)伏,高則數(shù)千萬(wàn)伏,甚至更高,雷云對(duì)大地一次閃擊放電的峰值電流平均為30多千安,它的瞬時(shí)功率很高,由于瞬時(shí)功率很大,所以它的破壞力是相當(dāng)大的。
到現(xiàn)在為止.直擊雷的防護(hù)都是采用避雷針、避雷帶、避雷線、避雷網(wǎng)作為接閃器,把雷電流引下來(lái),然后通過(guò)良好的接地裝置迅速而地引入大地。
常用的接閃裝置,如避雷針、避雷帶、避雷線、避雷網(wǎng)等,它們都是用金屬做成,安裝在建筑物的高點(diǎn),如屋脊或尾角等易受雷擊的地方。避雷網(wǎng)是用金屬線、帶做成的網(wǎng)格,架在建筑物頂部空間或者利用建筑物屋面板筋連接成網(wǎng)格狀,然后與大地可靠地連接。
當(dāng)高空出現(xiàn)雷云的時(shí)候,大地上由于靜電感應(yīng)作用,必然帶上與雷云相反的電荷,然而接閃設(shè)備(避雷針、避雷帶、避雷線、避雷網(wǎng)等)都處于地面上建筑物的高處.與雷云的距離近,而且與大地有良好的電氣連接,所以它與大地有相同的電位、以致接閃設(shè)備附近空間電場(chǎng)強(qiáng)度相對(duì)比較大.比較容易吸引需電先導(dǎo),使主放電集中到地面,因而在它附近尤其是比它低的物體受雷擊的幾率就大大減少。而接閃器被雷擊的幾率卻大大提高,所以就接閃器本身而言.它不但不能避免雷擊.相反是招來(lái)更多的雷擊,它以自身多受雷擊而使周?chē)馐芾讚?
由于接閃器都與大地有良好的電氣連接,使大地積存的電荷能量迅速與雷云的電荷中和。這樣由雷擊而造成的過(guò)電壓的時(shí)間大大地縮短.雷擊危害性就
大大減少。
雷擊的時(shí)候,雷云通過(guò)接閃器向大地放電的過(guò)程,可以近似用RC放電過(guò)程來(lái)模擬。因?yàn)榇蟮睾屠自浦g相當(dāng)于一個(gè)充了電的電容器,如圖1.5所示。圖中雷云與大地之間的電容用電容器C表示.雷云內(nèi)部和雷電流通道的電阻用R1表示,接閃器和它與大地之間連接的電阻(包括連接線的電阻和接地體的散流電
阻)用R2來(lái)表示。
由等效電路圖可知,雷擊時(shí)電流i與R及接閃器上的高電壓相互關(guān)系適合
RC放電方程:
iR-Uc=0
R=R1+R2
式中:R1-雷云內(nèi)部和雷電流通道的電阻;
R2-接閃器和它與大地之間的連接電阻。
雷電流源的電阻包括主放電通道的電阻,大約幾千歐,如果把帶電的雷云當(dāng)作電源,接閃器到大地看作是負(fù)載。那么,放電的時(shí)候就相當(dāng)于一個(gè)有幾千歐內(nèi)阻的電源,與一個(gè)僅有幾歐接地電阻和少許引線的阻抗的負(fù)載連接(如圖1.5所示),這電源一般為幾百萬(wàn)伏和幾千萬(wàn)伏,甚至更高。雷擊時(shí)接閃器對(duì)大地的電壓就是雷云的電壓,在雷云內(nèi)阻(包括通道電阻)與接地電阻(包括引線電阻)的分壓,接地電阻越小.其分壓值越小,相對(duì)來(lái)講就越。所以,理論上要求避雷裝置接地電阻越小越好,但是如果要求做到接地電阻很小,勢(shì)必造價(jià)很高。工程上往往只要求做到足夠的范圍即可。以上說(shuō)明避雷裝置必須有足夠可靠和足夠小接地電阻的接地裝置,否則它不但起不到避雷的作用,反而增加雷擊的危險(xiǎn)。
需要指出的是,大氣變化是大規(guī)模的,雷云的發(fā)生也是大規(guī)模的,而且雷云的移動(dòng)受很多可變因素支配.很多條件是隨機(jī)的,因此,認(rèn)為有了避雷裝置就萬(wàn)無(wú)一失的想法是錯(cuò)誤的。避雷裝置只能大大地減少被雷擊的可能性。
(a)雷擊時(shí)雷云與大地的示意圖
(b)雷擊時(shí)的等效電路圖
圖1.5 雷擊時(shí)的電氣原理圖
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