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            自動化系統的雷電防護

            摘 要

            雷電過電壓能夠分成感應雷電過電壓以及直接雷電過電壓這兩種。其中感應雷電過電壓是因為電磁場的變化導致電磁耦合所產生的。而直接雷電過電壓則是因為流經被擊物很大的電流所產生的。不單單會對自動化系統設備造成巨大的危害,同時還會引起電子系統的誤動作問題發生,對于電子系統會造成致命性的破壞,從而產生巨大的經濟損失,因此一定要對其進行相應的預防。

            關鍵詞:配電線路 過電壓保護 防雷保護

            針對雷電的特點以及其所存在的危害狀況進行分析研究,隨后從自動化系統遭受雷電電磁脈沖的時候對于設備所造成的損害程度角度上進行了糖煙酒,充分的明確了自動化雷電防護系統所具有的重要性。另外對雷電電磁脈沖對于自動化系統所造成的負面影響上進行了深入的分析,提出了一些針對性的防護方式。通過屏蔽、電位連接等相應的方式來實現對相關系統的保護,這樣也就實現了自動化系統在雷電方面的防護作用?,F代化自動系統中的傳感器控制機制以及計算機系統都是由大量電子元件和電器系統所構成的,其核心組件能夠為電路等系統提供電子器件等方面的支持,而這些零部件對于雷電電磁脈沖的敏感性非常高,會受到雷電的損害。所以說,雷電防護也就成為了現代自動化系統設計中的主要問題。6-10KV配電線路是油田供電系統中的主要組成部分,其安全性以及可靠性也將會影響到油田的生產和發展。而配電線路雷害事故的頻繁出現也會直接影響到配電網的供電可靠性以及電網安全。所以說,需要結合配電線路來進行相應的雷電預防,借此來有效的提升配電線的防雷保護力度,這也是一項重要的工作。

            一、本論文的基本概念

            1.1提出問題

            伴隨著現代社會經濟的快速發展,信息技術產業也有著非常迅猛的發展,自動控制以及通訊等一些微電子設備在眾多行業中得到了廣泛的運用。而雷電對于電力、廣播電視、航空航天等方面的發展會造成非常巨大的危害,尤其體現在計算機等一些微電子設備方面,對于雷電所產生的強大電磁脈沖具有著非常敏感的狀況,比較容易受到雷電的沖擊而產生損壞等問題。尤其是在一些經濟發達的地區,雷電所造成的電子設備損失將會超過雷電災害總和的80%,所以說雷電災害也成為了現如今世界上的十種自然災害之一。指揮自動化系統是一項集指揮分系統、情報分系統、通訊分系統等多個系統為一體的大型綜合性體系,并且各個分系統之間能夠形成相互滲透和交叉的運營狀態,通過集合能夠保證其功能的完善型,發揮出其相應的作用,加強信息的收集和處理等方面的效率。所以說加強指揮自動化系統雷電防護措施,保障指揮自動化系統的正常穩定發展,這是一項非常重要的工作。

            1.2雷電的基本特征

            雷電是大自然中的一種物理現象,并且會產生在雷云和大地之間、雷云和雷云之間,至今為止都沒有一個有效的方式來徹底的消除以及阻止雷擊放電的出現,其中雷云與大地所產生的閃電具有著非常大的危害性。

            一次雷電襲擊事件的物理表征就是雷電流以及雷電流之間所產生的電磁脈沖LEMP,另外在雷電流和LEMP之間所產生的放電事件也會存在很多種不同的表現方式,雷電流會通過電流脈沖波的方式來進行相應的體現。LEMP也會以輻射電磁場的方式來呈現出相應的特征,這兩者之間能夠進行相互轉換,并且是周而復始的行為,最終在雷電流脈沖被完全釋放或者是其能量耗盡之后才會停止。在這一過程中我們需要注意的就是只有在LEMP衰減到不忽略不計的時候,雷擊事件也就此結束。

            1.3雷電的發展過程

            作用在自動化系統中的大氣過電壓不單單是雷云釋放所產生的電荷,同時還需要充分的了解雷云放電的整個過程,在相應的原理基礎上來進行預防操作。

            尤其是在夏天的時候,天空中的雷電現象比較多,而且這些雷電中含有一定的電荷,我們可以對這些電荷進行集中,從而在地面上產生一些不同種類的電荷,在這樣的作用之下就會形成一定的程度上的電場,所以隨著電荷的增加,會使得電場強度發生變化。會形成自由態,對應的電荷也會進行移動從而形成導電信道。在先導河道進行形成的時候,會有一個發展階段,也就是最初期的階段,我們也稱其為先導泄流階段,這個階段是通過接近不同的電荷進行集合。其中一個是雷云的地電位,另一個就是地電位,通過將兩者之間的強度直接連在一起,從而將電荷集中產生最高至發出電流以及雷電現象。這就是對應的雷電云對地放電的另一個階段所包含的內容,而且在第一個階段中,持續的時間比較短,一般都在50秒到100秒之內,移動的速度為光速。在主放電期間,電流可達到數千安培,高達200-300ka。當主流量到達云層時,意味著主流量階段正式結束。此時,雷云中的剩余電荷將沿著主放電通道繼續變窄。這一次被稱為余輝放電階段。余輝放電電流只有幾百安培,但持續時間可以達到0.03-0.15秒。由于雷云中可能存在多個電荷中心,因此雷云放電是一種多狀態,將沿原始放電通道轉移。在這個時候,領導不是分級的,而是一種不斷發展的狀態。

            1.4雷擊引起配電線路跳閘機理

            對于一些電線進行運行的過程中,會存在很多問題,比如說產生雷電的過程中與電壓具有一定的影響,產生的這些電壓就會進行集合從而進入到電場當中變得比較薄弱。這些電弧也會進行轉移形成一種放電類型的載體,對絕緣子進行轉移。這種現象就容易導致對應的線路會發生跳閘的現象。嚴重的情況下,還會產生一些危險。所以說在線路會運行過程中我們需要加以注意,對這些配電設備進行嚴格的檢查,從而避免由于此類問題而產生的一系列相關事件。

            1.5雷擊對架空絕緣導線的危害

            在這些對應的導體被雷電擊中之后會根據產生情況的不同進行變化,從而使得雷電在產生的過程中會透過絕緣層從而進行移動。而在擊穿過程中產生的電弧會進行移動,在電弧集中移動的過程中會在絕緣點上聚集,從而發生更加嚴重的相關事故以及危險。閃電是自然界的一種自然現象,主要發生在云層、云層和云層之間,并產生較大的電磁脈沖。這種強放電將對建筑物和電力線路造成嚴重危害,并直接影響建筑物和自動化系統的運行。對于雷電,危害包括直擊雷和雷電電磁脈沖。

            1.5.1直擊雷的危害

            雷電放電的主要通道應該通過被保護物來進行相應的防護,會從自動化系統和指揮系統等方面來對相應的設備造成危害和影響,也會對人員造成安全威脅。

            1.5.2感應雷的危害

            幾乎所有的雷電放電主通道都不通過保護器,在放電過程中會產生瞬時強電磁場,并在附近的導體上感應LEMP,也就是說,感應雷電可分為兩種不同的感應侵入模式,這分別體現在靜電感應和電荷感應上。應該清楚的是,當閃電發生時,大量電荷會聚集在一起,閃電釋放時電荷會迅速釋放。如果沒有釋放通道,電荷將在電路中演化為LEMP。此外,雷云放電時,電磁感應會在短時間內轉變為電流,并在其周圍產生強的瞬變電磁場。此時,附近的導體將產生較高的電磁感應,并在整個電路中形成LEMP。

            1.6傳統的防雷裝置

            1.6.1避雷針和避雷線

            在目前市場上的一些防雷裝置中,種類非常豐富,我們通常采用的就是避雷針以及避雷線,這兩種避雷裝備,這兩種設備通過在使用的過程中運用一定的集中空間從而對雷電起到一個先導的作用接而對向下產生的引線產生一定的影響從而對其他物體起到一個保護的作用。

            這兩種設備所起到的保護作用就是通過對雷電進行吸引從而使得在雷電過程中產生的電流起到一定的阻擋作用。避雷針應保持良好的接地。此外,強電流通過避雷針進入地面后,也會在避雷針及其他相關設備上產生高壓。為了防止避雷針被擊穿,避雷針和保護器之間還應保持安全距離。

            1.6.2避雷器

            避雷器是自動化系統中保護設備免受雷擊的主要設備。當線路受到雷電沖擊時,避雷器首先放電并將雷電電流引入地面。在接地裝置的幫助下,雷電電壓的幅值被限制在受保護設備的水平以下,以便相應地保護電氣設備。根據避雷器的發展,我們可以將其分為幾種不同的類型,如保護間隙最簡單的避雷器、管狀避雷器、閥式避雷器、磁吹式避雷器、,這些避雷器有其自身的優點,也會受到使用環境的限制和影響。其中,氧化鋅避雷器具有無間隙、無續流殘壓等優點,因此得到了廣泛的應用。

            二、自動化系統的雷電防護

            針對自動化系統在雷電防護方面的相關措施進行分析研究。首先對于暴露在外面的設備應該通過雷電防護系統(LPS)來進行相應的控制,而在這一方面最有效的方式就是避雷針。通常來說避雷針在設計中是非常重要的組成部分,對于自動化系統的設計以及相應的運用都需要做大全面且詳細的檢查,要及時的查缺補漏。在完成了LPS之后,就能夠有效的避免直擊雷電的大電流入侵自動化系統。而當前我們應該注重對LEMP的防護工作。

            2.1基本的LEMP防護措施

            對LEMP的基本防護措施包括:

            1)接地以及等電位連接,接地措施能夠將雷電引入到地下,而等電位連接則能夠將各個設備之間的電位差降低到最小值,這樣也就能夠達到最小磁場的目標。

            2)空間屏蔽是對于雷電閃擊所產生磁場的一種減弱方式,避免出現內部浪涌現象。

            3)內外部線路屏蔽,這里應該使用相應的線來進行金屬管以及屏蔽電線等方面的鏈接,隨后將電磁脈沖引流,避免進入到設備中產生浪涌。

            4)內部合理的布線能夠有效的降低回路面積,從而減少在回路方面的感應電壓。

            5)使用浪涌保護器組合來限制外部以及內部浪涌行為。

            上述幾種方式對于雷電所產生的進場磁場都進行了最大限度的減弱,從而讓進入到供電線路以及信號領域中的浪涌得到相應的控制和管理,讓大量的電磁消散到大地中,這樣就能夠有效的增加設備的承受能力。

            2.2接地和等電位連接

            一個健全的接地系統通常來說都需要等電位連接網和終端裝置所構成,而等電位連接網就是接地系統中的一個重要的組成部分。因為自動化系統屬于敏感電子系統,因此自動化系統在建筑物中應該采取B類接地處理,另外還應該注重周圍環狀接地極的設計。為了能夠更好的避免各個設備之間出現電位差危險問題,會通過低阻抗等電位來進行網絡連接,這也是一項必要的設計體系。因為設備連接到等電位的導體長度以及電位連接母線長度應該保持在最短,場地要低于X20,這樣才能夠實現感應點位的最低值。

            2.3磁屏蔽和線纜布線

            1.空間磁屏蔽,這里所指的就是要將設備放置在一個完全閉合并且健全的導電導磁系統中,通過適當的厚度來有效的屏蔽內部磁場,達到最弱的電磁場位置。

            2.線纜屏蔽,連接供電等線纜都需要注重屏蔽處理,也就是說使用屏蔽線纜來進行相應的鏈接。

            3.要合理的進行布線,這樣才能夠有效的減少感應回路以及內部浪涌。

            4.屏蔽以及合理布線的結合運用。

            5.查處設備空間以及地下冗余部分的金屬管線,實現與等電位之間的鏈接,要合并到等電位的鏈接網絡中。

            4.使用浪涌保護器SPD

            自動化系統中的雷電防護系統LPS接地以及等電位鏈接應該給系統一個良好的電磁環境,不過需要注意的一點就是LEMP會在電源線以及信號線等方面產生浪涌,并且會自動傳遞到自動化系統中,在系統中增加浪涌保護器也是一件必要的工作,是實現雷電防護的關鍵所在,SPD能夠成為電子元件中的自動化系統組成部件,也是一項有效的配套措施。

            在自動化系統中堅決避免使用導體來進行等電位的連接,比如說信號線或者是電源線等等,此外就是要使用SPD的非線性限制浪涌電壓來進行電流分流,這樣也就能夠達到等電位鏈接的作用,實現對于自動化系統的全面保護。

            SPD的選項運用有如下幾點原則:

            1.電源系統中需要按照接地形式以及額定工作電壓等相應的要求來選擇一個合理的SPD。

            2.在信號系統領域中,信號SPD的選擇還需要通過設備電壓以及工作頻率范圍等相應的指標來選擇一個合理的適配SPD。

            3.自動化系統中的所有子系統以及電源、信號等方面都需要增加SPD。

            4.在選擇使用SPD組的時候,需要充分的考量不同級之間的能量適配性問題以及安裝的距離。

            5.針對一些重要的設備可以選擇雙端口多級繼承SPD來進行相應的鏈接。

            6.信號以及測控類線路方面可以使用CPI系列的相關產品,并且還可以在線式產品這一方面來進行相應的線路更換,不過需要注意的就是不要影響到信號的傳輸效率,保證線路的正常工作。

            7.在電源系統的SPD方面,應該注重的就是自保護以及后保護的作用。比如說使用CPM-R產品的時候,會減少連接線的長度,這樣就能夠達到降低殘壓提高運行速度的作用。

            2.4合理的選擇避雷器的類型

            2.4.1避雷器的連續雷電沖擊保護能力

            有時高壓設備很可能受到連續雷電的沖擊和影響,連續雷電脈沖是指兩次雷電侵入之間的時間間隔僅為數千秒,即短間隔多次雷擊。碳化硅避雷器的保護功能是釋放雷擊電流,切斷續流。一般來說,主保護循環時間超過10000秒。只有這樣才能將其恢復到可操作狀態。因此,碳化硅避雷器不具備對連續雷電沖擊的保護能力。氧化鋅避雷器的保護作用僅為釋放雷擊電流。一般來說,它將在100秒內釋放,并立即恢復其運行能力。因此,氧化鋅避雷器具有連續抗雷擊的能力,在多雷區或特殊雷擊活動區域的防雷中發揮著重要作用。

            2.4.2避雷器的保護特性

            避雷器的保護特性是輸配電設備絕緣配合的基礎。性能優越的避雷器可將自動化系統中的過電壓限制在無害絕緣水平。從而有效地提高避雷器的保護性能。不僅如此,還可以提高輸變電系統的運行效率,降低電氣設備的絕緣水平,有效降低設備的重量和成本。

            避雷器是防止過電壓損壞電力設備的重要保護裝置。事實上,它是一個避雷器。當雷電侵入波或運行波超過一定電壓值后,避雷器將被限制并聯,從而限制過電壓的產生,保護并聯電源設備。

            2.5合理的選擇避雷器的安裝結構

            針對6-10KV的電路系統進行鋼筋混凝土桿的搭建時候,通常來說都會使用瓷橫擔,如果說使用鐵橫擔那就需要注重對切除故障時間的縮短,只有這樣才能夠減少雷擊跳閘故障的發生頻率。另外按照防止侵入波的相關要求,在進線上需要安裝避雷器或者是保護間隙等相應的設施,針對6-10KV的配電變壓器應該使用氧化鋅避雷器來進行相應的保護工作。還可以從兩相用避雷器的角度上來進行間隙保護,保護裝置應該盡可能的靠近變壓器,其接地線應該和變壓器的低壓側中性點或者是中性點擊穿保險器的接地端、金屬外殼等共同接地。

            2.5.1接地措施

            接地裝置應該優先使用在建筑物的自然接地體系中,在自然接地中,接地電阻一般來說都很難達到相應的要求,這就需要增加人工接地指揮自動化系統來進行相應的操作,主要體現在交流工作地、直流工作地、安全保護地以及防雷電保護地等。而上述四種地也可以進行組合使用,而接地電阻會按照其中的最小值來進行計算。

            指揮自動化系統的接地模式一般來說都是單點接地方式,會使用等電位等措施來進行多個機房的共同接地,在這個時候需要注意的就是避免設備之間所存在的電位差,所以說可以將各個機房進行分別接地連接處理。

            進出機房的電源線纜不適合使用架空線路,并且在機房內部的設備一般來說都是使用T1V交流電來進行供電,在這個時候配電線路就需要使用TN-S系統來完成接地操作。

            2.5.2綜合布線措施

            合理規劃布線系統,最大限度地減少雷擊電流產生的磁場,避免線間電阻、共阻抗等問題。指揮所電纜的金屬線槽應建在電氣豎井內。指揮自動化系統中電纜和電力電纜的布置應注意信號電纜的方向,盡量避開自身周圍的環路區域。

            2.5.3石安裝浪涌保護器

            指揮自動化系統在選擇浪涌保護裝置時,應盡可能滿足相應的所需電流,承受預期的雷電電流和相應的電壓,并能在熄火后產生工頻續流。

            浪涌保護器的連接線應保持平直,長度應在0.5m以內。電壓開關型浪涌保護器時,限壓型浪涌保護器之間的線路一般在10m以內。限壓浪涌保護器之間的線路應在0.5m以內。然后在兩級浪涌保護器之間增加浪涌保護器的數量,以有效提高其抗干擾能力,提高其安全防護強度,保證相關系統的正常運行。

            但需要注意的是,從風險評估數據信息可以看出,僅在終端安裝浪涌防護器的防護措施效果相對有限,架空線路為埋地線路,可有效增強屏蔽防護能力,在終端安裝浪涌保護器的方式可以提高保護效果和功能。

            雷電對指揮自動化系統的危害呈現多樣化的狀態。在現代指揮自動化技術的發展中,要重視自動化系統雷電電磁脈沖的防護,從等電位連接和布線等方面進行相應的維護,加強相應的控制力度,,這些措施的聯合使用以及它們之間的搭配,也可以最大限度地發揮保護效果。與單一的保護方法相比,效果更好、更突出。

            三、結語

            雷電防護是一個系統性的工程,雷電防護的中心內容就是要釋放雷電和均衡電流電壓。其中釋放雷電的重點就是通過大地來進行電磁脈沖能量的傳遞,在相應的原則上來進行泄放。在層次性這一方面需要按照防雷保護區來進行雷電能量的削減。均衡是保持各個系統之間不會產生導致設備損壞的電位差。也就是說在系統內部保持電位的瞬態現象,這是一種在均電壓等電位基礎上的綜合連接行為。自動化系統的雷電防護中,其重點就在于對于雷電電子脈沖的防護,主要就是因為LEMP的影響范圍相對來說比較大。在自動化系統內部會存在很多微電子元件,這對于LEMP的影響也比較大,所以說針對自動化系統要進行相應的防護,每一種防護措施都應該各司其職,并且還是缺一不可的狀態,只有這樣才能夠達到相應的防護目的。

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            自動化系統的雷電防護

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