小型水电站的设备防雷设计

引言
　　随着电力自动化技术的不断完善和提高，越来越多的小水电站采用了计算机控制设备。在提高电站自动化水平的同时，设备的耐过电压水平却直线下降，特别是在遭遇雷击时，很容易造成控制设备的损坏。小型水电站往往地处山区，遭遇雷击的概率比较高，所以加强小水电站的防雷保护非常必要。
　　雷击有直击雷和感应雷两种。雷电波是一种冲击电压波，作用时间短，持续时间为几十 微秒到几百微秒，是非周期变化脉冲波。直击雷，雷击点直接作用在设备上或作用在传输线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为严重，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能感应到一定的雷电幅值，使设备过电压而造成损坏。实际上，雷电造成的设备损坏大多数是由感应雷引起的。本文针对小型水电站的低压设备防雷措施作一简单介绍。
1电源及设备通常采用的防雷措施
　　计算机控制设备要防雷击，首先要对低压配电线路进行防雷设计，特别是低压机组。如控制设备直接从400V母线上配电，雷电波可以沿母线侵入设备。解决的方法是在低压配电网的进线端安装低压避雷器，同时三相对地并接大容量吸收电容器；在电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电阻和TVS抑制二极管，最后通过UPS进入计算机控制设备。实践证明，该方法能较好地防止感应雷的侵入，下面作一具体叙述。
1.1低压母线及配电线路
　　低压配电线路应从变压器出口处安装低压避雷器或击穿保险器，避雷器一端接母线，另一端与接地回路相接，雷击造成的过电压经低压避雷器、吸收电容器放电后电压强度已大大减弱,氧化锌避雷器具有优异的非线性伏安特性，当过电压一出现时就开始吸收能量，使电压受到抑制。在实际系统中，影响电力自动化设备的干扰既有共模干扰又有差模干扰，且往往同时发生，浪涌能量最终通过保护器泄放入大地。
1.2电源接口浪涌保护器
　　（1）为防止雷电波从电源输入端侵入设备，将浪涌能量通过保护器以电流的形式通过地线释放到大地，使电源电压保持稳定。在装置电源的进线端安装压敏电阻，压敏电阻在正常情况下处于关断状态，其漏电电流≤50μA，对电路的正常工作无影响。一旦压敏电阻两端出现瞬间高压时，其阻值会急剧下降，达到释放浪涌电流的目的，使设备免受过电压的冲击而损坏。当瞬间高压消除时，压敏电阻又恢复到高阻状态，电路恢复正常。压敏电阻虽然能吸收很大的浪涌电流，但却不能承受毫安级以上的持续电流，所以在压敏电阻的进线端应串接熔丝，从而保护压敏电阻。
　　（2）TVS的电压/电流特性曲线如图1所示。它的正向特性与普通二极管相同，反向特性为典型的PN结雪崩器件。图2是TVS的电流/时间和电压/时间曲线。?

　　在瞬态峰值脉冲电流作用下，流过TVS的电流由原来的反向漏电流ID上升到IR时，其两端 呈现的电压由额定反向关断电压VWM上升到击穿电压VBR，TVS被击穿。随着脉冲峰值的出现，流过TVS的电流达到峰值脉冲电流IPP，其两端的电压被箝位到预定的最大箝位电压以下，脉冲电流按指数衰减，TVS两端的电压也不断下降，最后恢复到起始状态，从而起到抑制浪涌电流、保护计算机控制设备的目的。
　　与齐纳二极管相比，抑制二极管具有更快的电流导通能力。TVS受到反向瞬态高能量冲击时 ，能以纳秒级的响应速度，将其两极间的高阻抗变为低阻抗，吸收高达数十千安的浪涌电流，使两端的电压箝位于一个额定值。TVS管具有响应时间快、瞬态功率大、漏电电流低、击穿电压偏差小、体积小等特点。
　　TVS管的选用，首先确定被保护电路的最大直流电压或连续工作电压，最大箝位电压VC应高于被 保护电路的最大直流电压或连续工作电压。若选用的VWM太低，器件可能进入雪崩状态或因反向漏电流太大而影响电路的正常工作。TVS可并联使用以提高额定容量或串联使用以提高箝位电压。
　　（3） 通讯接口的防雷保护。通讯信息系统的信号电压很低，抗雷电电磁脉冲的能力较差 ，只要脉冲电平超过十几伏，就有可能造成设备损坏。 通讯系统的防雷通常是在通讯串口采用 光电隔离，通讯数据线上串接熔丝（0.3A），对地并接双向TVS管，一般就可以起到较好的雷电波抑制作用。