自动化系统的雷电防护

摘要

雷电过电压能够分成感应雷电过电压以及直接雷电过电压这两种。其中感应雷电过电压是因为电磁场的变化导致电磁耦合所产生的。而直接雷电过电压则是因为流经被击物很大的电流所产生的。不单单会对自动化系统设备造成巨大的危害，同时还会引起电子系统的误动作问题发生，对于电子系统会造成致命性的破坏，从而产生巨大的经济损失，因此一定要对其进行相应的预防。

关键词：配电线路过电压保护防雷保护

针对雷电的特点以及其所存在的危害状况进行分析研究，随后从自动化系统遭受雷电电磁脉冲的时候对于设备所造成的损害程度角度上进行了糖烟酒，充分的明确了自动化雷电防护系统所具有的重要性。另外对雷电电磁脉冲对于自动化系统所造成的负面影响上进行了深入的分析，提出了一些针对性的防护方式。通过屏蔽、电位连接等相应的方式来实现对相关系统的保护，这样也就实现了自动化系统在雷电方面的防护作用。现代化自动系统中的传感器控制机制以及计算机系统都是由大量电子元件和电器系统所构成的，其核心组件能够为电路等系统提供电子器件等方面的支持，而这些零部件对于雷电电磁脉冲的敏感性非常高，会受到雷电的损害。所以说，雷电防护也就成为了现代自动化系统设计中的主要问题。6-10KV配电线路是油田供电系统中的主要组成部分，其安全性以及可靠性也将会影响到油田的生产和发展。而配电线路雷害事故的频繁出现也会直接影响到配电网的供电可靠性以及电网安全。所以说，需要结合配电线路来进行相应的雷电预防，借此来有效的提升配电线的防雷保护力度，这也是一项重要的工作。

一、本论文的基本概念

1.1提出问题

伴随着现代社会经济的快速发展，信息技术产业也有着非常迅猛的发展，自动控制以及通讯等一些微电子设备在众多行业中得到了广泛的运用。而雷电对于电力、广播电视、航空航天等方面的发展会造成非常巨大的危害，尤其体现在计算机等一些微电子设备方面，对于雷电所产生的强大电磁脉冲具有着非常敏感的状况，比较容易受到雷电的冲击而产生损坏等问题。尤其是在一些经济发达的地区，雷电所造成的电子设备损失将会超过雷电灾害总和的80%，所以说雷电灾害也成为了现如今世界上的十种自然灾害之一。指挥自动化系统是一项集指挥分系统、情报分系统、通讯分系统等多个系统为一体的大型综合性体系，并且各个分系统之间能够形成相互渗透和交叉的运营状态，通过集合能够保证其功能的完善型，发挥出其相应的作用，加强信息的收集和处理等方面的效率。所以说加强指挥自动化系统雷电防护措施，保障指挥自动化系统的正常稳定发展，这是一项非常重要的工作。

1.2雷电的基本特征

雷电是大自然中的一种物理现象，并且会产生在雷云和大地之间、雷云和雷云之间，至今为止都没有一个有效的方式来彻底的消除以及阻止雷击放电的出现，其中雷云与大地所产生的闪电具有着非常大的危害性。

一次雷电袭击事件的物理表征就是雷电流以及雷电流之间所产生的电磁脉冲LEMP，另外在雷电流和LEMP之间所产生的放电事件也会存在很多种不同的表现方式，雷电流会通过电流脉冲波的方式来进行相应的体现。LEMP也会以辐射电磁场的方式来呈现出相应的特征，这两者之间能够进行相互转换，并且是周而复始的行为，最终在雷电流脉冲被完全释放或者是其能量耗尽之后才会停止。在这一过程中我们需要注意的就是只有在LEMP衰减到不忽略不计的时候，雷击事件也就此结束。

1.3雷电的发展过程

作用在自动化系统中的大气过电压不单单是雷云释放所产生的电荷，同时还需要充分的了解雷云放电的整个过程，在相应的原理基础上来进行预防操作。

尤其是在夏天的时候，天空中的雷电现象比较多，而且这些雷电中含有一定的电荷，我们可以对这些电荷进行集中，从而在地面上产生一些不同种类的电荷，在这样的作用之下就会形成一定的程度上的电场，所以随着电荷的增加，会使得电场强度发生变化。会形成自由态，对应的电荷也会进行移动从而形成导电信道。在先导河道进行形成的时候，会有一个发展阶段，也就是最初期的阶段，我们也称其为先导泄流阶段，这个阶段是通过接近不同的电荷进行集合。其中一个是雷云的地电位，另一个就是地电位，通过将两者之间的强度直接连在一起，从而将电荷集中产生最高至发出电流以及雷电现象。这就是对应的雷电云对地放电的另一个阶段所包含的内容，而且在第一个阶段中，持续的时间比较短，一般都在50秒到100秒之内，移动的速度为光速。在主放电期间，电流可达到数千安培，高达200-300ka。当主流量到达云层时，意味着主流量阶段正式结束。此时，雷云中的剩余电荷将沿着主放电通道继续变窄。这一次被称为余辉放电阶段。余辉放电电流只有几百安培，但持续时间可以达到0.03-0.15秒。由于雷云中可能存在多个电荷中心，因此雷云放电是一种多状态，将沿原始放电通道转移。在这个时候，领导不是分级的，而是一种不断发展的状态。

1.4雷击引起配电线路跳闸机理

对于一些电线进行运行的过程中，会存在很多问题，比如说产生雷电的过程中与电压具有一定的影响，产生的这些电压就会进行集合从而进入到电场当中变得比较薄弱。这些电弧也会进行转移形成一种放电类型的载体，对绝缘子进行转移。这种现象就容易导致对应的线路会发生跳闸的现象。严重的情况下，还会产生一些危险。所以说在线路会运行过程中我们需要加以注意，对这些配电设备进行严格的检查，从而避免由于此类问题而产生的一系列相关事件。

1.5雷击对架空绝缘导线的危害

在这些对应的导体被雷电击中之后会根据产生情况的不同进行变化，从而使得雷电在产生的过程中会透过绝缘层从而进行移动。而在击穿过程中产生的电弧会进行移动，在电弧集中移动的过程中会在绝缘点上聚集，从而发生更加严重的相关事故以及危险。闪电是自然界的一种自然现象，主要发生在云层、云层和云层之间，并产生较大的电磁脉冲。这种强放电将对建筑物和电力线路造成严重危害，并直接影响建筑物和自动化系统的运行。对于雷电，危害包括直击雷和雷电电磁脉冲。

1.5.1直击雷的危害

雷电放电的主要通道应该通过被保护物来进行相应的防护，会从自动化系统和指挥系统等方面来对相应的设备造成危害和影响，也会对人员造成安全威胁。

1.5.2感应雷的危害

几乎所有的雷电放电主通道都不通过保护器，在放电过程中会产生瞬时强电磁场，并在附近的导体上感应LEMP，也就是说，感应雷电可分为两种不同的感应侵入模式，这分别体现在静电感应和电荷感应上。应该清楚的是，当闪电发生时，大量电荷会聚集在一起，闪电释放时电荷会迅速释放。如果没有释放通道，电荷将在电路中演化为LEMP。此外，雷云放电时，电磁感应会在短时间内转变为电流，并在其周围产生强的瞬变电磁场。此时，附近的导体将产生较高的电磁感应，并在整个电路中形成LEMP。

1.6传统的防雷装置

1.6.1避雷针和避雷线

在目前市场上的一些防雷装置中，种类非常丰富，我们通常采用的就是避雷针以及避雷线，这两种避雷装备，这两种设备通过在使用的过程中运用一定的集中空间从而对雷电起到一个先导的作用接而对向下产生的引线产生一定的影响从而对其他物体起到一个保护的作用。

这两种设备所起到的保护作用就是通过对雷电进行吸引从而使得在雷电过程中产生的电流起到一定的阻挡作用。避雷针应保持良好的接地。此外，强电流通过避雷针进入地面后，也会在避雷针及其他相关设备上产生高压。为了防止避雷针被击穿，避雷针和保护器之间还应保持安全距离。

1.6.2避雷器

避雷器是自动化系统中保护设备免受雷击的主要设备。当线路受到雷电冲击时，避雷器首先放电并将雷电电流引入地面。在接地装置的帮助下，雷电电压的幅值被限制在受保护设备的水平以下，以便相应地保护电气设备。根据避雷器的发展，我们可以将其分为几种不同的类型，如保护间隙最简单的避雷器、管状避雷器、阀式避雷器、磁吹式避雷器、，这些避雷器有其自身的优点，也会受到使用环境的限制和影响。其中，氧化锌避雷器具有无间隙、无续流残压等优点，因此得到了广泛的应用。

二、自动化系统的雷电防护

针对自动化系统在雷电防护方面的相关措施进行分析研究。首先对于暴露在外面的设备应该通过雷电防护系统（LPS）来进行相应的控制，而在这一方面最有效的方式就是避雷针。通常来说避雷针在设计中是非常重要的组成部分，对于自动化系统的设计以及相应的运用都需要做大全面且详细的检查，要及时的查缺补漏。在完成了LPS之后，就能够有效的避免直击雷电的大电流入侵自动化系统。而当前我们应该注重对LEMP的防护工作。

2.1基本的LEMP防护措施

对LEMP的基本防护措施包括:

1)接地以及等电位连接，接地措施能够将雷电引入到地下，而等电位连接则能够将各个设备之间的电位差降低到最小值，这样也就能够达到最小磁场的目标。

2)空间屏蔽是对于雷电闪击所产生磁场的一种减弱方式，避免出现内部浪涌现象。

3)内外部线路屏蔽，这里应该使用相应的线来进行金属管以及屏蔽电线等方面的链接，随后将电磁脉冲引流，避免进入到设备中产生浪涌。

4)内部合理的布线能够有效的降低回路面积，从而减少在回路方面的感应电压。

5)使用浪涌保护器组合来限制外部以及内部浪涌行为。

上述几种方式对于雷电所产生的进场磁场都进行了最大限度的减弱，从而让进入到供电线路以及信号领域中的浪涌得到相应的控制和管理，让大量的电磁消散到大地中，这样就能够有效的增加设备的承受能力。

2.2接地和等电位连接

一个健全的接地系统通常来说都需要等电位连接网和终端装置所构成，而等电位连接网就是接地系统中的一个重要的组成部分。因为自动化系统属于敏感电子系统，因此自动化系统在建筑物中应该采取B类接地处理，另外还应该注重周围环状接地极的设计。为了能够更好的避免各个设备之间出现电位差危险问题，会通过低阻抗等电位来进行网络连接，这也是一项必要的设计体系。因为设备连接到等电位的导体长度以及电位连接母线长度应该保持在最短，场地要低于X20，这样才能够实现感应点位的最低值。

2.3磁屏蔽和线缆布线

1.空间磁屏蔽，这里所指的就是要将设备放置在一个完全闭合并且健全的导电导磁系统中，通过适当的厚度来有效的屏蔽内部磁场，达到最弱的电磁场位置。

2.线缆屏蔽，连接供电等线缆都需要注重屏蔽处理，也就是说使用屏蔽线缆来进行相应的链接。

3.要合理的进行布线，这样才能够有效的减少感应回路以及内部浪涌。

4.屏蔽以及合理布线的结合运用。

5.查处设备空间以及地下冗余部分的金属管线，实现与等电位之间的链接，要合并到等电位的链接网络中。

4.使用浪涌保护器SPD

自动化系统中的雷电防护系统LPS接地以及等电位链接应该给系统一个良好的电磁环境，不过需要注意的一点就是LEMP会在电源线以及信号线等方面产生浪涌，并且会自动传递到自动化系统中，在系统中增加浪涌保护器也是一件必要的工作，是实现雷电防护的关键所在，SPD能够成为电子元件中的自动化系统组成部件，也是一项有效的配套措施。

在自动化系统中坚决避免使用导体来进行等电位的连接，比如说信号线或者是电源线等等，此外就是要使用SPD的非线性限制浪涌电压来进行电流分流，这样也就能够达到等电位链接的作用，实现对于自动化系统的全面保护。

SPD的选项运用有如下几点原则:

1.电源系统中需要按照接地形式以及额定工作电压等相应的要求来选择一个合理的SPD。

2.在信号系统领域中，信号SPD的选择还需要通过设备电压以及工作频率范围等相应的指标来选择一个合理的适配SPD。

3.自动化系统中的所有子系统以及电源、信号等方面都需要增加SPD。

4.在选择使用SPD组的时候，需要充分的考量不同级之间的能量适配性问题以及安装的距离。

5.针对一些重要的设备可以选择双端口多级继承SPD来进行相应的链接。

6.信号以及测控类线路方面可以使用CPI系列的相关产品，并且还可以在线式产品这一方面来进行相应的线路更换，不过需要注意的就是不要影响到信号的传输效率，保证线路的正常工作。

7.在电源系统的SPD方面，应该注重的就是自保护以及后保护的作用。比如说使用CPM-R产品的时候，会减少连接线的长度，这样就能够达到降低残压提高运行速度的作用。

2.4合理的选择避雷器的类型

2.4.1避雷器的连续雷电冲击保护能力

有时高压设备很可能受到连续雷电的冲击和影响，连续雷电脉冲是指两次雷电侵入之间的时间间隔仅为数千秒，即短间隔多次雷击。碳化硅避雷器的保护功能是释放雷击电流，切断续流。一般来说，主保护循环时间超过10000秒。只有这样才能将其恢复到可操作状态。因此，碳化硅避雷器不具备对连续雷电冲击的保护能力。氧化锌避雷器的保护作用仅为释放雷击电流。一般来说，它将在100秒内释放，并立即恢复其运行能力。因此，氧化锌避雷器具有连续抗雷击的能力，在多雷区或特殊雷击活动区域的防雷中发挥着重要作用。

2.4.2避雷器的保护特性

避雷器的保护特性是输配电设备绝缘配合的基础。性能优越的避雷器可将自动化系统中的过电压限制在无害绝缘水平。从而有效地提高避雷器的保护性能。不仅如此，还可以提高输变电系统的运行效率，降低电气设备的绝缘水平，有效降低设备的重量和成本。

避雷器是防止过电压损坏电力设备的重要保护装置。事实上，它是一个避雷器。当雷电侵入波或运行波超过一定电压值后，避雷器将被限制并联，从而限制过电压的产生，保护并联电源设备。

2.5合理的选择避雷器的安装结构

针对6-10KV的电路系统进行钢筋混凝土杆的搭建时候，通常来说都会使用瓷横担，如果说使用铁横担那就需要注重对切除故障时间的缩短，只有这样才能够减少雷击跳闸故障的发生频率。另外按照防止侵入波的相关要求，在进线上需要安装避雷器或者是保护间隙等相应的设施，针对6-10KV的配电变压器应该使用氧化锌避雷器来进行相应的保护工作。还可以从两相用避雷器的角度上来进行间隙保护，保护装置应该尽可能的靠近变压器，其接地线应该和变压器的低压侧中性点或者是中性点击穿保险器的接地端、金属外壳等共同接地。

2.5.1接地措施

接地装置应该优先使用在建筑物的自然接地体系中，在自然接地中，接地电阻一般来说都很难达到相应的要求，这就需要增加人工接地指挥自动化系统来进行相应的操作，主要体现在交流工作地、直流工作地、安全保护地以及防雷电保护地等。而上述四种地也可以进行组合使用，而接地电阻会按照其中的最小值来进行计算。

指挥自动化系统的接地模式一般来说都是单点接地方式，会使用等电位等措施来进行多个机房的共同接地，在这个时候需要注意的就是避免设备之间所存在的电位差，所以说可以将各个机房进行分别接地连接处理。

进出机房的电源线缆不适合使用架空线路，并且在机房内部的设备一般来说都是使用T1V交流电来进行供电，在这个时候配电线路就需要使用TN-S系统来完成接地操作。

2.5.2综合布线措施

合理规划布线系统，最大限度地减少雷击电流产生的磁场，避免线间电阻、共阻抗等问题。指挥所电缆的金属线槽应建在电气竖井内。指挥自动化系统中电缆和电力电缆的布置应注意信号电缆的方向，尽量避开自身周围的环路区域。

2.5.3石安装浪涌保护器

指挥自动化系统在选择浪涌保护装置时，应尽可能满足相应的所需电流，承受预期的雷电电流和相应的电压，并能在熄火后产生工频续流。

浪涌保护器的连接线应保持平直，长度应在0.5m以内。电压开关型浪涌保护器时，限压型浪涌保护器之间的线路一般在10m以内。限压浪涌保护器之间的线路应在0.5m以内。然后在两级浪涌保护器之间增加浪涌保护器的数量，以有效提高其抗干扰能力，提高其安全防护强度，保证相关系统的正常运行。

但需要注意的是，从风险评估数据信息可以看出，仅在终端安装浪涌防护器的防护措施效果相对有限，架空线路为埋地线路，可有效增强屏蔽防护能力，在终端安装浪涌保护器的方式可以提高保护效果和功能。

雷电对指挥自动化系统的危害呈现多样化的状态。在现代指挥自动化技术的发展中,要重视自动化系统雷电电磁脉冲的防护,从等电位连接和布线等方面进行相应的维护,加强相应的控制力度,，这些措施的联合使用以及它们之间的搭配，也可以最大限度地发挥保护效果。与单一的保护方法相比，效果更好、更突出。

三、结语

雷电防护是一个系统性的工程，雷电防护的中心内容就是要释放雷电和均衡电流电压。其中释放雷电的重点就是通过大地来进行电磁脉冲能量的传递，在相应的原则上来进行泄放。在层次性这一方面需要按照防雷保护区来进行雷电能量的削减。均衡是保持各个系统之间不会产生导致设备损坏的电位差。也就是说在系统内部保持电位的瞬态现象，这是一种在均电压等电位基础上的综合连接行为。自动化系统的雷电防护中，其重点就在于对于雷电电子脉冲的防护，主要就是因为LEMP的影响范围相对来说比较大。在自动化系统内部会存在很多微电子元件，这对于LEMP的影响也比较大，所以说针对自动化系统要进行相应的防护，每一种防护措施都应该各司其职，并且还是缺一不可的状态，只有这样才能够达到相应的防护目的。

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