白溪水库防雷过电压保护应用

白溪水库雷电概况宁波市白溪水库位于宁波地区的西南山区，是多雷区雷电活动十分频繁。每年受雷击造成线路停役、设备损坏慨率很高，两条35kV线路及大坝左岸设备雷击情况尤其严重。水库施工期间造成的变压器严重损坏，瓷瓶破裂爆炸每年发生多起。

水库大坝左右岸二侧坝头布置有溢洪道启闭机、进水口检修闸门控制室、坝区配电室、1#2#坝区变、柴油发电机室。电厂位于右岸坝后，对外两条35kV线路送电，同塔双线，终端塔位于厂房后半山上，35kV架空线路跨越厂房顶部，一路至岔路变，一路至跃龙变。

35kV架空线路是最易遭雷击的，架空线路遭受的是直接雷，直接雷击是最严重的事件，尤其是如果雷击击中靠近用户进线口架空输电线。在发生这些事件时，架空输电线电压将上升到几十万伏特，通常引起绝缘闪络。雷电电流在电力线上传输的距离为几公里或更远，在雷击点附近的峰值电流可达100kA或以上。

除坝顶外，厂房内的机电设备主要是受雷击感应磁场产生的过电压的影响。感应雷能量虽然偏小，但产生的高电压、大电流足以击毁电子设备。

水库电站投运以后，经统计：2001年雷击造成线路跳闸7次，其它9次，另外水情遥测中心站主机损坏一次；2002年雷击造成线路跳闸7次，其它11次，另外水情遥测中心站主机及串口损坏二次；2003年雷击造成线路跳闸5次，其它9次，另外水情遥测中心站主板、中控仪、望海岗站（水位计、数传仪、中继仪）损坏一次，；2004年雷击造成线路跳闸3次，其它5次；其中多次造成机组过速度，工业电视及水情遥测设备损坏，损失严重。二次系统的防雷改造1．基本概况

随着电子技术的发展，水库电站广泛应用了各种自动化元器件、PLC可编程控制器、工业计算机与通信系统。这些设备大量采用CMOS集成电路和CPU单元，电子元器件的工作电压很低，一般只有5伏至十几伏，雷电及操作过电压往往使昂贵的电子设备损坏，且使整个系统的运行中断，造成巨大的损失。

白溪水库曾经多次发生UPS电源、工业电视主控机、工业电视摄像头、光转换器及电源、光转换器、传真机、电话、遥测站电台、遥测站数传仪被雷击坏，损失较大。电子设备的防雷问题变得相当严峻，此次防雷改造的重点就在于电站PLC、工业电视、水情遥测系统的二次防雷。

二次防雷工程的基本措施为等电位连接、屏蔽、限压（流）。

2．电涌保护方案的确定

在过去，线路中的过压不是一个很大的问题，而现在大量使用微电子设备，尤其是微处理机的大量使用，系统中的暂态浪涌电压会造成很大的系统故障。电子设备的雷电主要是通过引线引入的，因此，一方面应注意引线的屏蔽接地处理，另一方面应在其雷电通道的入口处系统地装设电涌保护器（SPD）。

电子设备群体的防雷保护，主要是抑制雷电入口的脉冲过电压，视引线的性质加装不同类型的SPD，同时处理好子系统引线的屏蔽及均压接地。系统的安装适当的电涌保护器（SPD）。

电涌保护器的选择与配置首先应考虑其所处建筑物雷电环境、防雷状况和信息系统的重要性，进行雷击危险度分析，然后确定电涌保护等级。

通流容量：雷击时最起码有50%的雷电流经外部防雷装置泄放入地，另有50%的雷电流在建筑物内的设施中根据各分配通道的阻抗与感抗进行分流，比较靠近或特别容易感应到强电磁的设备需要安装通流能力50-80kA（8/20us）的浪涌保护器，一般不受直接雷影响和强磁感应建筑物内的设备要求安装通流能力在20 kA（8/20us）浪涌保护器即可。

根据有关规范要求，雷电流幅值第一级按承受90%左右的雷击能量考虑，第二级按承受10%左右的雷击能量考虑，第三级按承受5%左右的雷击能量考虑，第四级雷击能量更小，但不应低于5kA考虑；白溪水库坝顶工业电视监控、水情遥测设备存在遭受直接雷的威胁需要装设50-120 kA（10/350us）的电涌保护器。而白溪水库坝顶工业电视监控因直接雷的影响须装置避雷针。

多级保护：每个设备分电源系统浪涌保护和信号系统浪涌保护；不少设备的电源分220V、110 V、48 V、24 V、12 V根据设备的重要性、精密度、过电压的概率装设220 V或110 V电涌保护器，有的设备要装设到24 V、12 V这一级电源，有的重要设备的耐压水平特别低，就需要在设备前加一级乃至多级电涌保护直至达到限制电压低于耐压水平；信号的输入、输出口必须装设电涌保护器，特别是坝区至厂房的回路每一侧都必须装设。

3．电涌保护器元件的剖析

气体放电器：气体放电管是一种用陶瓷或玻璃封装、内充低压惰性气体（如氩气、氖气）的放电间隙。当加在间隙上的电压超过其放电电压时，间隙击穿，从而起到限制过电压的作用。放电能力较强，8/20μs脉冲波形时能疏导10kA的脉冲电流。

但是其响应速度较慢，一般≤100ns；点火特性不稳定；当电压大于12V和电流大于100 mA时会产生后续电流。通常应用于测量、控制、调节技术电路和电子数据处理传输电路等预期不会出现强大的放电电流的电路中。

压敏电阻：氧化锌压敏电阻是以氧化锌(ZnO)为主要材料，以少量的氧化铋（Bi2O3）、氧化钴（Co2O3）、氧化锰(MnO2)、氧化锑(Sb2O3)等金属氧化物作添加剂，在1000℃以上的高温中烧结而成的非线性电阻片。理想的非线性电阻应在大电流时呈现为小的电阻以保证在雷电流通过时其上的压降（残压或箝位电压）足够低，起到限压的作用。

在雷电流过去以后，当加在电阻片上的电压是其正常工作电压时，电阻片应呈现为大的电阻以保证系统能恢复正常工作。放电能力较强，8/20μs脉冲波形时能疏导最大达40kA的脉冲电流；电压箝位能力强；响应速度较快，一般≤25ns。其缺点是易老化和电容较高。常用于电源第二及保护，也可以多只并联用于电源第一及保护。

抑制二极管：齐纳TVS二极管是一种专门用来抑制过电压的二极管。它是在普通稳压二极管的基础上发展起来的。和普通稳压二级管相比，齐纳TVS二极管具有较大截面积的硅PN结，该PN结工作在雪崩状态时，脉冲吸收能力较普通稳压二极管强。

齐纳TVS二极管有单极性和双极性两种。单极性TVS管只对一个方向的冲击电压起保护作用，相当于一个稳压二极管，靠它的伏安特性起箝拉作用。二级管在反偏电压下工作，当电压位于0 ~ UZ之间时，管子呈高电阻，流经管子的只有mA级的电流。当反偏电压达到UZ时，流经管子的电流迅速增加，管子进入低电阻导通状态。管子一旦导通后，只要流过管子的电流不大于其允许的最大电流，管子两端的电压就大体上保持在UZ附近。

当雷电脉冲通过后，二极管又可恢复到高阻状态。双极性TVS二极管的工作原理相当于两只稳压二极管反向串联，对正、负极性的冲击电压均能起到保护作用。响应速度快，可达皮秒（10-12）级。其缺点是泻流能力差，8/20μs脉冲波形时能疏导电流的能力只有几十安培；常应用于低压信号系统的精细保护。

4．电涌保护器具体设计分析及其在各个系统的实施应用

根据电涌保护器响应时间的要求（第一级不大于100 ns，第二级不大于50 ns，第三级不大于25 ns），各元器件的特性考虑，进行组合设计。

电涌保护器元件的选择取决于各个电路的参数。过压保护器的工作电压以安装在此电路中所有部件的额定电压参数为准，而要达到的残压则根据安装在此电路中所有部件的耐压强度确定。

电涌保护器的连接方式有两种：串联方式和并联方式。当电路中装有串联电涌保护器时，必须注意其额定电流；而装有并联电涌保护器（有源导线与地之间接上电涌保护器）时，则无须考虑额定电流，因为额定电流并不通过放电器。

我们自行设计采用的电涌保护器基本是以下两种。

电源回路：第一级采用气体放电管；中间级采用12μH空芯电感；第三级采用压敏电阻。 信号回路：第一级采用气体放电管；中间级采用24μH空芯电感；第三级采用抑制二极管。

在具体应用中我们发现频率较高的信号回路中使用常规的电涌信号保护器，信号干扰很大无法使用，我们另行设计在电压抑制回路中增加普通二极管桥电路后解决这个问题。

目前，我们在十一个水情遥测站装设了自行设计的适合水情遥测系统的12V电源电涌防护器11单元，大小雨量计使用的信号电涌防护器22单元；工业电视系统，事故检修闸门、溢洪道启闭机室、厂房顶部三个监视器和工业电视总控制器极其容易遭雷击的安装了适合工业电视专用的视频电涌防护器6单元、220V电源电涌防护器6单元、信号控制电涌防护器6单元，同时在关键位置架设了两副独立避雷针。

另外装设坝上水位计电涌防护器2单元、溢洪道弧门启闭机控制系统电涌防护器54单元、电话通信回路电涌防护器10单元，变电所的电视、电话均设计安装了电涌防护器，共计127套。电涌保护器电源、信号原理图此次二次系统设备防雷改造，元器件费用仅3-4万，比厂家供货节省了几十万。经实际应用证实，有效的减少了雷电过电压对设备的损坏，很好地把过电压钳制到设备可以承受的范围。最大限度的减少雷电灾害，保障弱电设备的安全可靠运行。

近几年运行实践表明，我水库防雷改造设施运行可靠，有效的预防了雷电侵入波和感应过电压，在水库电站，水情测报系统上进行了有效的尝试学习。