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【摘要】雷电作为一种自然现象，尽管较为危险，但是通过相关的研究及实验验证，还是能够掌握雷电活动的部分规律，进而可制定出经济、有效的防雷保护方案，减轻雷电危害。本文主要分析了电力系统二次设备防雷措施，并结合二次电缆电磁感应实验对防雷措施进行了验证。
【关键词】雷电二次效应; 电磁感应过电压; 雷击
前言
雷电是自然现象，因为雷电具有电流大、时间短、频率高、电压高的特点，有很大的破坏性。全国每年雷击损失财产不计其数，特别是雷击电网设备造成电网瓦解停电，对社会及经济建设影响更为巨大。同时随着科技的飞速发展，自动化装置和微机保护已被广泛的应用于电力系统，由于芯片的集成度，电路复杂，对环境的稳定性也要求较高。电力工业的两大薄弱环节分别为抗干扰和耐冲击，而雷击事件由于其极高的电压幅值和不可预测性严重威胁着电力系统的安全运行，因此必须要研究雷电活动规律，掌握雷电的相关性质，并通过实验验证来设计防雷保护设备和制定防雷保护方式。
1.电力系统二次设备防雷分析
电力系统一次系统和二次系统是一个相辅相成、相互关联的整体，但二次系统的耐过电压水平要比一次系统低得多，如果二次系统的防雷设施不完善，极易因一次系统对二次系统的雷电反击造成变电站二次控制部分瘫痪，甚至发生大量二次设备损坏的毁灭性事故。这种事故在变电站运行中时有发生，变电站防雷对二次设备的安全运行十分重要。
二次设备的防雷措施主要有：
1）可在PT输出端安装避雷器以削弱由线路涌入的雷电波；
2）对于电缆沟内，为减小雷电耦合，可采用对称结构的地线，以抵消雷电磁场互；对于电缆沟外侧，可铺设分流地线以减小由地网向电缆沟中导线的感应；
3）使用隔离变。一方面二次设备利用电源通过1:1隔离变压器向二次设备供电，以根治反击；另一方面利用隔离变压器实现对沿电源入侵的雷电波的隔离。
此外由于避雷器遭雷击时，能够产生较高的残压，由此可导致与其相连的设备产生过电压，此时才可采用中和变压器进行避雷器残压衰减以及抑制避雷器的截波过电压[1]。
2.冲击电流发生器及实验
2.1实验目的
1）熟悉冲击电流发生器的基本原理、接线和结构特点以及使用操作方法；
2）了解影响冲击电流波形的因素，掌握调整冲击电流波形的方法；
3）掌握用分流器和分压器配合高压示波器测量冲击电流及避雷器阀片残压的方法。
2.2实验装置接线图
实验装置：成套的冲击电流发生器一台或自行组装一套冲击电流发生器、分流器、高压脉冲示波器、接地棒以及试品(避雷器阀片)等。具体接线图如图1所示。
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图1实验接线图
2.3实验说明
图1所示分流器——示波器测量系统为常用的冲击电流测量系统，它利用高压示波器记录冲击电流在分流器(S)上的电压波形，根据分流器的电阻值，通过计算来确定所测冲击电流的大小。
由于冲击电流不仅幅值高(几万至几十万安培)，而且变化速度快，因此，对于冲击电流发生器的放电回路和测量系统均应注意电感的影响。在实验中，为了准确地调节调波电感和调波电阻的大小，须首先测定冲击电流发生器放电回路的固有电感和固有电阻的值，二者通常用短路法求得[2]。
将冲击电流发生器的输出端短路，即把调波电感、调波电阻和试品全部短路，在较低的充电电压(如几千伏)下，使冲击电流发生器的放电回路放电，这时由于回路中和的存在，且的数值往往较小，因此，用示波器记录到的将是一个衰减振荡的电流波形，如图2所示，它可用下式表示：
式中：主电容C的充电电压；：冲击电流发生器的主电容；：放电回路的固有振荡角频率，；：衰减系数；：放电回路的固有电感；：放电回路的固有电阻()。
设电流的第一个峰值所对应的时刻为，电流第二个峰值所对应的时刻为，当很小时，可以足够准确地认为：
图2衰减振荡的电流波形
由图2的电流波形可以测得其振荡周期，从而算出固有振荡角频率叫，再根据下式即可计算出冲击电流发生器放电回路的固有电感和固有电阻的数值：
欲产生8/20µs的标准雷电冲击电流波形，通常需要对冲击电流发生器的调波电感和调波电阻进行调节，这个过程称之为调波。为了获得最大冲击电流，应使放电回路参数调节到接近于临界阻尼状态。
若放电回路中含有非线性电阻，比如避雷器的阀片，则冲击电流的波形调节需用试验的方法确定。对避雷器的阀片进行冲击电流试验时，既要观测冲击电流的波形，又要观测阀片残压的波形，所以宜采用双线高压示波器[3]。
2.4实验内容
1）熟悉实验用冲击电流发生器的基本原理和结构，参照图1完成实验接线及测量系统的接线。
2）熟悉冲击电流发生器的操作方法和高压示波器的使用方法，熟悉触发球隙及调波电感、调波电阻的调节方法。
3）将调波电感、调波电阻及试品短接，旋加较低的充电电压(数千伏)，观察并拍摄放电电流波形。
4）拆除上述短接线。当试品采用l～2片避雷器阀片(或压敏电阻片)时，调节球隙距离和电感、电阻的大小，使冲击电流的波形接近于8/20µs，幅值接近于5kA，测量通过阀片的冲击电流和残压的波形。
5）保持上述接线不变，改变冲击电流的大小(即改变主电容的充电电压，并调整触发球隙的距离)，观测各电流幅值及相应的阀片残压值。
2.5实验注意事项
1）实验回路的连接线必须牢固可靠，导线截面的选择应能满足冲击电流5kA的通流要求。
2）由于冲击电流数值大、变化快，一根很短的导线都会引起可观的压降，一个很小的回环也会感应出可观的电压，在实验中应尽可能缩短连接线，减小回环，以便减小测量误差。
3）由于实验中冲击电流幅值较大，因此回路放电时地电位升高明显，应注意各种测量仪器和控制台内触发装置的安全，采取必要的保护措施，如加装过电压保护器、采用隔离变压器供电等。
4）用短路法求放电回路的固有电感和固有电阻时，主电容的充电电压不宜过高，否则会使放电电流过大，损坏测试仪器和设备。
5）每次调波或更换试品及调节球隙距离时，均需切断电源，并对主电容进行充分放电。放电时必须先经过放电电阻放电再直接放电，然后把接地棒挂在主电容器上，以确保人身安全。
6）当所用冲击电流发生器的充电回路为L-C谐振型恒流充电回路时，在任何情况下都不允许负载侧处于开路状态，否则会出现危险的谐振过电压，损坏有关的元器件，造成事故。
2.6实验结论
1）将电缆远离易流过雷电流的地线，既可以避免电缆上产生很大的过电压，又可以减少雷击时雷电流在电缆上感应的过电压；
2）线路上的感应过电压不仅发生在电缆上，还可能发生在装了避雷器的线路上，因此仅仅装上避雷器并无法完全实现线路防雷，还应结合其他装置进行防雷，如中和变压器；
3）相同的接地方式下，控制电缆与地线紧贴长度越小，则感应电压越大。
3.结语
通过本文实验研究，得出以下结论：
1）雷击中避雷针时，线路产生的感应过电压的幅值与雷击点的距离成反比，与雷电流的幅值和陡度成正比；
2）为减小击、静电场耦合和电磁感应对设备的危害，可采用拦截、屏蔽、均压等方法；
3）可利用避雷针对二次设备直击雷进行保护；可利用避雷器对二次设备雷电侵入波进行保护。
参考文献：
[1]殷剑旺.浅谈雷击对自动化设备的危害及防护措施[J].广东科技.2014(06).
[2]王巨丰,杨文斌,赵权.雷电流流过地线时控制电缆感应电压的研究[J].广西电力.2015(01).
[3]应洪正,陈振明.避雷针设置不当造成的雷击事故事例[J].建筑电气.2014(02).
论文作者:丘夏
论文发表刊物:《基层建设》2016年18期
论文发表时间:2016/11/25
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