水電站微機(jī)監(jiān)控二次系統(tǒng)防雷改造

周紅開

（瀏陽市工務(wù)局 長(zhǎng)沙市 410300）

張蓉輝 張 鈺

（瀏陽市株樹橋水庫管理局 長(zhǎng)沙市 410102）

1 概況

瀏陽市株樹橋水電站裝機(jī)容量為3臺(tái)8 000 kW機(jī)組，發(fā)電機(jī)出口電壓等級(jí)為6.3 kV，主變?yōu)槿嗳€圈變壓器，電壓等級(jí)分別為6 kV、35 kV、110 kV，電站通過15 km 110 kV輸電線路并入大電網(wǎng)，廠用變出線三回，供樞紐工程、生活區(qū)等用電。本電站地處湘東山區(qū)，山高林密，年平均雷暴日均在45天以上，最多年份達(dá)70余天，屬典型多雷區(qū)，雷電給當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)帶來巨大危害和損失。株樹橋水電站的高壓輸電線路絕大部分穿越山區(qū)，電站遭受雷擊的情況多有發(fā)生，電站運(yùn)行中曾多次發(fā)生雷擊損壞設(shè)備事故，特別進(jìn)行微機(jī)綜合自動(dòng)化監(jiān)控改造后，雷電引起的過電壓使二次設(shè)備損壞機(jī)率增加，二次設(shè)備的維護(hù)和修理費(fèi)用增加，嚴(yán)重影響主設(shè)備的運(yùn)行，造成發(fā)電量減少。更為嚴(yán)重的是二次設(shè)備的損壞可能造成發(fā)電機(jī)、變壓器保護(hù)失靈，發(fā)生主設(shè)備事故，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。

2 雷擊事故情況

株樹橋水電站于2001年12月完成第一期1#發(fā)電機(jī)組及公用LCU系統(tǒng)計(jì)算機(jī)監(jiān)控改造，2003年12月完成第二期2#、3#發(fā)電機(jī)組LCU系統(tǒng)計(jì)算機(jī)監(jiān)控改造。改造時(shí)，對(duì)二次設(shè)備的防過電壓措施考慮不周，除公用LCU和1#機(jī)LCU中輸入輸出有隔離設(shè)備外，其它部分均無過電壓保護(hù)，雷擊引起的過電壓會(huì)對(duì)綜合自動(dòng)化設(shè)備產(chǎn)生嚴(yán)重干擾，它會(huì)導(dǎo)致計(jì)算或邏輯錯(cuò)誤、通訊中斷、甚至造成元件損壞。電站先后多次因雷擊造成二次設(shè)備損壞事故，具體如下：

（1）廠用電的電壓變送器損壞。輸入AC（0～120）V，輸出 （4～20）mA模擬量到 PLC， 精確級(jí)0.5%工作電源AC220 V，損壞后無輸出。

（2）2#發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速繼電器的測(cè)量板損壞，工作電源是AC220V，接于EUPS回路中。

（3）調(diào)速器壓力變送器：JZ-160-A，工作電源DC220 V，輸出（4～20）mA模擬量到PLC，燒壞直流電源板。

（4）EUPS逆變控制板損壞。

（5）直接接于廠用電400 V的2#機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器電源回路損壞。

（6）公用PLC模擬量模塊損壞，接有電壓變送器輸出的（4～20）mA 模擬量。

這些設(shè)備的損壞嚴(yán)重威脅著水電站的安全運(yùn)行，特別是2010年因雷擊產(chǎn)生過電壓造成發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電源板損壞，造成1#、2#發(fā)電機(jī)組各停運(yùn)4天的事故，造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。以上事故均是在雷雨天氣下發(fā)生的，且是在雷擊最猛然時(shí)段出現(xiàn)的，由此可確定引發(fā)事故的主要原因是雷擊。

3 問題分析

雷擊對(duì)設(shè)備的造成損害的形式主要有三種：即直擊雷、雷電反擊和感應(yīng)雷電過電壓。電站廠房?jī)?nèi)設(shè)備均在2根獨(dú)立避雷針的配合保護(hù)范圍之內(nèi)，經(jīng)測(cè)量各避雷針的接地阻值均在10 Ω以下，電廠內(nèi)電氣設(shè)備接地點(diǎn)與避雷針引下線接接點(diǎn)的距離18 m，符合規(guī)程規(guī)范。110 kV和35 kV輸電線路均按規(guī)范要求裝設(shè)了避雷線，避雷線接地符合規(guī)范要求。變壓器各側(cè)、6.3 kV母線側(cè)及廠用電母線均按規(guī)范裝設(shè)了避雷器，接地符合規(guī)程規(guī)范要求。采取上述措施后基本上可以排除設(shè)備損壞是受直擊雷和雷電反擊引起的事故，感應(yīng)雷電過電壓是造成事故的主要原因。

雷電波的侵入二次設(shè)備過程：雷電波通常是架空高壓線路侵入6 kV母線，再經(jīng)過6 kV廠用變壓器高、低壓繞組間的靜電和電磁耦合，闖入低壓出線，途中經(jīng)過了母線避雷器和廠用變避雷器削峰，再經(jīng)過廠用變低壓側(cè)出線的平波作用，電壓幅值大為下降。但由于雷電波的電壓、能量極高，且避雷器等設(shè)備技術(shù)上局限性，雖然絕大部分的雷電能量都能在到達(dá)設(shè)備之前得以消除，但雷電波仍可能以幅值相對(duì)很高，作用時(shí)間很短的低能量尖峰脈沖的形式，通過廠用變壓器的低壓出線，入侵到電站內(nèi)所有的低壓交、直流回路中。電站原有常規(guī)的電磁式測(cè)控保護(hù)裝置的元器件多為單元件的電阻、電容和電感線圈等，耐熱容量大，對(duì)尖峰脈沖的耐受能力也比較強(qiáng)，所以能安全度過低能量、高電壓的沖擊暫態(tài)過程。隨著2001年計(jì)算機(jī)監(jiān)控改造的進(jìn)行，大量的自動(dòng)化元件及微電子設(shè)備在株樹橋電站采用，形成大規(guī)模集成電路，其運(yùn)行電壓只有幾十伏，甚至數(shù)伏，微機(jī)綜合自動(dòng)化二次系統(tǒng)的耐過電壓水平要比常規(guī)測(cè)控保護(hù)系統(tǒng)小的多，二次系統(tǒng)改造后的防雷設(shè)施不完善，雷電波入侵時(shí)就不一定能經(jīng)受得住，這就是造成微機(jī)裝置損壞的關(guān)鍵原因。株樹橋水電站二次設(shè)備損害有如下方面原因：

（1）電站交流電源回路在雷擊時(shí)產(chǎn)生的過電壓。

電壓變送器、轉(zhuǎn)速繼電器、勵(lì)磁調(diào)節(jié)器等微機(jī)監(jiān)控設(shè)備工作電源為交流220 V，雷電波的侵入時(shí)使得變壓器、電壓互感器的二次側(cè)電壓值瞬間大大升高，超過設(shè)備工作電源安全范圍，損壞設(shè)備的電源回路。

（2）直流電源回路在雷擊時(shí)產(chǎn)生的浪涌電壓。

壓力變送器、PLC工作電源回路等，均為直流220 V電源，直流電源回路在雷擊時(shí)引起的浪涌電壓超過安全值時(shí)，直流回路上所接設(shè)備有可能損壞。

4 解決措施

為了更好地保護(hù)二次回路免受雷電過電壓的危害，對(duì)電站內(nèi)的計(jì)算機(jī)監(jiān)控二次設(shè)備回路防雷擊措施，根據(jù)控制對(duì)象、電壓傳輸、交直流電源等所有微電子設(shè)備的不同功能、不同受保護(hù)程度確定防護(hù)要點(diǎn)和保護(hù)方法，我們采用了如下防雷電過電壓方案：

（1）在廠用變的低壓側(cè)母線段安裝擊穿電壓510 V、放電電流20 kA氧化鋅避雷器，避雷器在低壓母線側(cè)的雷電侵入波侵入到低壓交流電源回路時(shí)可靠動(dòng)作，并呈現(xiàn)低電阻，使低壓母線回路中性點(diǎn)接近直接接地，從而降低低壓交流電源過電壓幅值，保護(hù)低壓電源回路的安全，防止廠用電源對(duì)電壓變送器、轉(zhuǎn)速繼電器、勵(lì)磁調(diào)節(jié)器等微機(jī)監(jiān)控設(shè)備的損壞。

（2）在直流充電屏輸入交流電源處并聯(lián)SPD-12Z防浪踴保護(hù)器，防止整流設(shè)備的損壞和防止直流電源的畸變。

（3）在3 kVA的EUPS輸入直流電源處安裝單相SPD浪涌保護(hù)器，防止雷擊損害。

（4）在每塊機(jī)組LCU屏的直流總電源處并聯(lián)2.5 uF電容進(jìn)行濾波。

（5）在剎車電磁閥等主要直流電磁線圈處反并一個(gè)MIC，IN5408二極管，防止操作時(shí)的反擊過電壓。

5 結(jié)語

上述措施在株樹橋電站安裝后，通過加強(qiáng)對(duì)各避雷設(shè)施的周期預(yù)防性試驗(yàn)和運(yùn)行維護(hù)管理，保證各避雷設(shè)施的完好和正常運(yùn)行，彌補(bǔ)了水電站二次系統(tǒng)的防過電壓缺陷，到目前為止，取得良好的效果，因雷擊和過電壓造成設(shè)備損壞的故障率大大下降，降低了雷擊對(duì)設(shè)備的損害程度和幾率，從而對(duì)電站電力生產(chǎn)的正常進(jìn)行起到了保障作用。