可控放電避雷針?lè)览紫到y(tǒng)在蓮花壩體的應(yīng)用

潘向榮，趙志強(qiáng)

(牡丹江水力發(fā)電總廠，黑龍江牡丹江157000)

1 工程概況

蓮花水電站位于黑龍江省海林市三道河鄉(xiāng)木蘭集下游二公里處，距牡丹江市160 km，是牡丹江下游第一座梯級(jí)大型水電站，是以發(fā)電為主兼有防洪、灌溉等綜合效益的水電站。電站總裝機(jī)容量550 MW。壩址以上控制流域面積3.02萬(wàn) km2，水庫(kù)總庫(kù)容41.8億 m3，為不完全多年調(diào)節(jié)水庫(kù)。工程樞紐由攔河大壩、二壩、溢洪道、引水系統(tǒng)、地面廠房、開(kāi)關(guān)站等建筑物組成。

攔河大壩主要為鋼筋混凝土面板堆石壩，壩頂高程225.8 m，最大壩高為71.8 m，壩頂長(zhǎng)度902 m。二壩布置在左岸埡口，為粘土心墻堆石壩，最大壩高為47.2 m，壩頂長(zhǎng)度332 m。

溢洪道布置于右岸，全長(zhǎng)990 m，底寬130～90 m，溢流前緣長(zhǎng)130 m，設(shè)計(jì)7個(gè)孔口，弧門尺寸為16m×13.4 m，可渲泄校核洪水流量18 570 m3/s。

引水發(fā)電系統(tǒng)位于右岸，包括進(jìn)水口、兩條直徑13.7 m引水隧洞;調(diào)壓井采用閘井結(jié)合，雙圓弧型阻抗式調(diào)壓井。

2 壩體自動(dòng)監(jiān)測(cè)站防雷的必要性

蓮花發(fā)電廠地處我國(guó)東北山區(qū)，周圍多高山，年雷暴日達(dá)35以上，使之易受到雷電的侵襲，電廠壩體自動(dòng)監(jiān)測(cè)站共有5個(gè)，分別位于溢洪道、大壩上下游，地理位置較為分散，地形各有不同，易受雷電侵襲，同時(shí)電力網(wǎng)內(nèi)部產(chǎn)生的過(guò)電壓也會(huì)對(duì)設(shè)備造成損害。

雷擊分為直擊雷和感應(yīng)雷。直擊雷的能量大，危害也最大，雷電直接擊在建筑或設(shè)備上，因雷電的高溫會(huì)引起建筑物燃燒，而在雷電流的通道上，物體水份受熱浸化膨脹，發(fā)生強(qiáng)大的機(jī)械力，使建筑物(或設(shè)備)遭受破壞;另外，雷電流沿接地引下線向大地泄入時(shí)，引下線及接地網(wǎng)電位升高，有可能向臨近物體、設(shè)備跳擊，造成雷電反擊，由于接地極有強(qiáng)大的電流入地，其跨步電壓亦能對(duì)人產(chǎn)生危害。

感應(yīng)雷的危害不應(yīng)忽視。雷電放電過(guò)程包括在雷云與雷云之間放電，或通過(guò)直接擊中物體以及大地產(chǎn)生強(qiáng)大的靜電感應(yīng)和磁場(chǎng)感應(yīng)，最終在附近金屬物體或引線上產(chǎn)生瞬間尖峰沖擊電壓而破壞設(shè)備。它其實(shí)主要是透過(guò)電阻性或電感性兩種方式(如圖1～4所示)而隅合到電子設(shè)備的電源線、控制訊號(hào)線或通訊線上，最終把設(shè)備損壞。

圖1 透過(guò)電阻性隅合方式經(jīng)數(shù)據(jù)線損壞設(shè)備

圖2 透過(guò)電阻性合方式經(jīng)中線及地線損壞設(shè)備

圖3 透過(guò)電感性(磁感應(yīng))隅合到各類傳輸線而損壞設(shè)備

感應(yīng)雷擊所造成的破壞性后果通常體現(xiàn)于下列4種情況:

a.傳輸或儲(chǔ)存的訊號(hào)以及數(shù)據(jù)，不論是數(shù)字信號(hào)還是模擬信號(hào)都會(huì)受到干擾或失掉，甚至使電子設(shè)備產(chǎn)生誤動(dòng)作或暫時(shí)癱瘓。

b.由于重復(fù)受到較小幅度的雷電沖擊，元器件不致馬上燒毀，但卻已降低其性能及壽命。

c.情況較嚴(yán)重者，電子設(shè)備的線路板及元件燒毀。

圖4 雷電電流導(dǎo)地時(shí)感應(yīng)到室內(nèi)的傳輸線上

d.整個(gè)系統(tǒng)停頓，信息傳輸停止等造成的間接經(jīng)濟(jì)損失很可能還要大于設(shè)備遭破壞的直接經(jīng)濟(jì)損失。

防雷是一個(gè)系統(tǒng)工程，在有一個(gè)良好接地網(wǎng)的前提下，一方面要作好直擊雷的防護(hù)，另一方面也要做好對(duì)感應(yīng)雷的防護(hù)工作。由于監(jiān)測(cè)站設(shè)備信號(hào)傳輸是依靠光纖傳輸?shù)?，而光纖不能成為感應(yīng)雷電進(jìn)入設(shè)備的通道，因此，防護(hù)感應(yīng)雷電，只需對(duì)監(jiān)測(cè)站的電源線，采取措施即可。只有采取系統(tǒng)性的防護(hù)措施，才可以全面有效地保護(hù)蓮花發(fā)電廠壩體監(jiān)測(cè)站設(shè)備在雷雨季節(jié)安全可靠運(yùn)行。

3 可控放電避雷針系統(tǒng)

3.1 可控放電避雷針及保護(hù)系統(tǒng)原理

雷云對(duì)地面物體放電不外乎以下兩種方式:上行雷閃和下行雷閃。

下行雷閃，通常先導(dǎo)自上而下發(fā)展，主放電過(guò)程發(fā)生在地面(或地面物體)附近，所以電荷供應(yīng)充分，放電過(guò)程來(lái)得迅速，造成雷電流幅值大(平均值為30～44 kA)，陡度高(24～40 kA/μS)。

上行雷閃，通常沒(méi)有自上而下的主放電，它的放電電流由不斷向上發(fā)展的先導(dǎo)過(guò)程產(chǎn)生，即使有主放電，但因雷云向主入通道供應(yīng)電荷困難，所以放電電流幅值小(平均小于7 kA)，且陡度低(小于5 kA/μS)，不繞擊。先導(dǎo)是自下而上發(fā)展，該先導(dǎo)或者直接進(jìn)入雷云電荷中心，或者攔截自雷云向下發(fā)展的先導(dǎo)，這樣中和雷云電荷的反應(yīng)在上空進(jìn)行，自雷云向下的先導(dǎo)就不會(huì)延伸到被保護(hù)對(duì)象上。另外，上行先導(dǎo)對(duì)地面物體還具有屏蔽作用，可減輕放電時(shí)在地面物體上的感應(yīng)過(guò)電壓。利用了上行雷閃的這些特點(diǎn)，通過(guò)巧妙的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使其能可靠地引發(fā)上行雷閃放電，從而達(dá)到中和雷云電荷，保護(hù)各類被保護(hù)對(duì)象的目的。

可控放電避雷針由針頭、接地引下線、接地裝置構(gòu)成一套保護(hù)系統(tǒng)。它的針頭不再是單針，而是由主針、動(dòng)態(tài)環(huán)、貯能裝置組成，如圖5所示。

圖5 可控放電避雷針及保護(hù)系統(tǒng)

根據(jù)尾部帶金屬線的火箭(火箭引雷試驗(yàn))比高層建筑更容易引發(fā)上行雷的分析得出，要成功地引發(fā)上行雷，針頭需達(dá)到以下要求:

a.在引發(fā)發(fā)生之前，針頭附近的空間電荷應(yīng)盡量少，以便于自主針針尖向上發(fā)展放電脈沖。

b.當(dāng)需要引發(fā)上行雷閃時(shí)，針尖處的電場(chǎng)強(qiáng)度應(yīng)足夠高，以迅速產(chǎn)生放電脈沖。

通過(guò)對(duì)可控放電避雷針動(dòng)作過(guò)程的分析，說(shuō)明它滿足上述這兩條要求:

當(dāng)可控放電避雷針安裝處附近的地面電場(chǎng)強(qiáng)度較低時(shí)(如雷云離可控針及被保護(hù)對(duì)象距離較遠(yuǎn)等情況)，雷云不會(huì)對(duì)地面物體發(fā)生放電;此時(shí)可控放電避雷針針頭的貯能裝置處于貯藏雷云電場(chǎng)能量工況，由于動(dòng)態(tài)環(huán)的作用，針頭上部部件(動(dòng)態(tài)環(huán)和主針針尖)處于電位浮動(dòng)狀態(tài)，與周圍大氣電位差小，因此幾乎不發(fā)生電暈放電，即保證了在引發(fā)發(fā)生前針頭附近的空間電荷很少的要求。可控針啟動(dòng)前及啟動(dòng)時(shí)針頭的變化，如圖6所示。

圖6 可控針啟動(dòng)前及啟動(dòng)時(shí)針頭的變化

當(dāng)雷云電場(chǎng)上升到預(yù)示它可能發(fā)生對(duì)可控針及周圍被保護(hù)物發(fā)生雷閃時(shí)，貯能裝置立即轉(zhuǎn)入釋能工況。這一轉(zhuǎn)變使主針針尖的電場(chǎng)強(qiáng)度不再被動(dòng)態(tài)環(huán)限制，針尖電場(chǎng)瞬間上升數(shù)百倍，使針尖附近空氣迅速放電，形成很強(qiáng)的放電脈沖，因沒(méi)有空間電荷的阻礙。該放電脈沖在雷云電場(chǎng)作用下快速向上發(fā)展成上行先導(dǎo)，去攔截雷云底部先導(dǎo)或進(jìn)入雷云電荷中心。

如果第一次脈沖引發(fā)不成上行先導(dǎo)，貯能裝置即又進(jìn)入貯能狀態(tài)，同時(shí)使第一次脈沖形成空間電荷得以消散，準(zhǔn)備第二次脈沖產(chǎn)生。如此循環(huán)總能成功地引發(fā)上行雷。

3.2 技術(shù)參數(shù)

a.針高h(yuǎn)≤200 m時(shí)，保護(hù)角65°，相應(yīng)地面保護(hù)半徑為2.14 h，離地面高度hx處水平面保護(hù)半徑為2.14(h-hx)。

b.雷電流的平均幅值小于7 kA。

c.雷電流的陡度≤5 kA。

d.基本上消除了雷閃時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)過(guò)電壓。

e.繞擊概率不大于0.01%的保護(hù)角為55°。

f.接地電阻≤10 Ω。

g.抗風(fēng)能力不低于風(fēng)速50 m/s。h.使用期內(nèi)免維護(hù)。

3.3 保護(hù)范圍

當(dāng)針高度在200 m及以下時(shí)，保護(hù)角恒定為65°保護(hù)半徑由65°保護(hù)角確定的直角三角形斜邊界定。單根可控針保護(hù)范圍如圖7所示。

地面保護(hù)半徑:r=2.14h

式中，h為可控針高度，m。

3.4 電源防雷箱

3.4.1 工作原理及接線

對(duì)于三相四線制系統(tǒng)，電源防雷器并聯(lián)于三火一零線上。在正常情況下，防雷器處于高阻狀態(tài)，當(dāng)電網(wǎng)由于雷擊或系統(tǒng)操作出現(xiàn)瞬時(shí)脈沖電壓時(shí)，防雷器立即在納秒級(jí)時(shí)間內(nèi)快速導(dǎo)通，將該脈沖電壓短路到大地泄放，從而保護(hù)用戶設(shè)備;當(dāng)該脈沖的電壓流過(guò)防雷器后，防雷器又變?yōu)楦咦锠顟B(tài)，從而不影響用戶設(shè)備的用電。

圖7 單根可控放電避雷針的保護(hù)范圍

3.4.2 技術(shù)參數(shù)

電源防雷箱技術(shù)參數(shù)如下。

3.5 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的布置

監(jiān)測(cè)項(xiàng)目主要有:a.變形監(jiān)測(cè):大壩堆石體內(nèi)外部水平和垂直位移、混凝土面板之間垂直縫、面板與趾板之間周邊縫開(kāi)合度、面板撓曲變形、二壩壩體外部水平和垂直位移;b.滲流監(jiān)測(cè):壩體、壩基滲流壓力和滲流量、繞壩滲流、水質(zhì)分析;c.應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè):混凝土面板應(yīng)力應(yīng)變、溫度。

4 防雷系統(tǒng)應(yīng)用與技術(shù)要求

4.1 接地與均壓

接地電阻越小電壓值越低，在經(jīng)濟(jì)合理的前提下，應(yīng)盡可能降低接地電阻。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)考察了解的情況來(lái)看，這5個(gè)站都沒(méi)有做接地網(wǎng)，需新做接地網(wǎng)。

從安全方面考慮，依據(jù)相關(guān)規(guī)程，在工作接地和防雷接地可以分開(kāi)的情況下，應(yīng)盡量分開(kāi)，且地表與兩地網(wǎng)相連金屬部分間的直線距離應(yīng)大于3 m，地中的直線距離應(yīng)大于5 m。從現(xiàn)場(chǎng)考察的情況來(lái)看，L4、L5、L6、L16這4個(gè)站都要分別做工作接地與防雷接地兩個(gè)地網(wǎng);L18站位于隧道口，由于該站所在地形限制，不能分開(kāi)做兩個(gè)地網(wǎng)，因此采用共地的方法，即工作接地與防雷接地合并成一個(gè)地網(wǎng)。

工作接地電阻通常要求應(yīng)小于4 Ω，采用共地方式的，接地網(wǎng)阻值也應(yīng)小于4 Ω;工作接地網(wǎng)與防雷接地網(wǎng)分開(kāi)時(shí)，防雷接地網(wǎng)應(yīng)小于30 Ω。在土壤電阻率高，且現(xiàn)場(chǎng)可鋪設(shè)地網(wǎng)面積有限的情況下，可采用長(zhǎng)效降阻劑和接地模塊(L5站、L18站)。

4.2 直擊雷防護(hù)

監(jiān)測(cè)站建筑防直擊雷的保護(hù)措施，采用可控放電避雷針作為直擊雷防護(hù)的主體設(shè)備。可控放電避雷針通過(guò)鐵塔直接接地，不需要另做接地引下線，鐵塔基礎(chǔ)鋼筋上與鐵塔、下與接地網(wǎng)鋼筋應(yīng)焊接可靠。

可控放電避雷針的保護(hù)角為65°，保護(hù)范圍如圖8所示。

圖8 可控放電避雷針保護(hù)范圍

經(jīng)計(jì)算，5個(gè)站安裝可控放電避雷針的鐵塔高度分別為:L4站，16 m;L5站，4 m;L6站，15 m; L16站，17 m;L18站，7 m。

5.3 限幅裝置

各監(jiān)測(cè)站的電源線、進(jìn)線端裝有抑制電纜橫向、縱向過(guò)電壓的限幅裝置。在監(jiān)測(cè)站電源進(jìn)線端安裝交流電源防雷箱，由于信號(hào)采用光纜傳輸，故不需要安裝信號(hào)線防雷器。

5 結(jié)束語(yǔ)

實(shí)踐證明，蓮花發(fā)電廠壩體監(jiān)測(cè)站通過(guò)安裝可控放電避雷針，電源線上安裝電源防雷器，同時(shí)作好接地網(wǎng)措施，有效防止了雷擊事故發(fā)生，確保了變形自動(dòng)監(jiān)測(cè)站被保護(hù)設(shè)施在雷雨季節(jié)安全可靠運(yùn)行。