五里亭水電站閘壩綜合防雷體系研究與實踐

李勛東，別華斌，張仁貢

（1.深圳能源集團(tuán)深能水電浙江分區(qū)，浙江 麗水 323000；2.安吉老石坎水庫管理所，浙江 安吉 313300；3.浙江禹潤水利水電科技研究院，浙江 杭州 310000）

1 工程概況

五里亭水電站位于甌江中游，水電站裝有3臺14 MW的燈泡貫流式水輪機(jī)組，額定水頭7.1 m，額定流量225 m3/s。五里亭水電站閘壩全長502.5 m，其中18孔泄洪閘全長276.0 m，14孔淺灘區(qū)，閘底板高程28 m，4孔深槽區(qū)，閘底板高程26 m；1孔船閘總寬25 m，船閘通航標(biāo)準(zhǔn)500 t級。擋水壩段總長84.45 m；右岸接頭壩長56.5 m，最大壩高24.4 m；擋水壩左岸布置60.55 m長的高噴砼防滲墻。2016年，五里亭水電站開展了閘門遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的技術(shù)改造，實現(xiàn)了閘門的遠(yuǎn)程集中監(jiān)控，壩區(qū)建設(shè)了現(xiàn)地監(jiān)控房，在廠房區(qū)建設(shè)了閘門遠(yuǎn)程監(jiān)控中心。安裝了18套PLC系統(tǒng)和人機(jī)界面，4套光纖通信服務(wù)器，2臺工業(yè)級集中控制機(jī)以及包含800 m光纖的通信系統(tǒng)。

2 問題提出

水電站大壩屬于雷區(qū)，隨著電氣設(shè)備、控制柜、集控中心設(shè)備的大量增加，防雷安全問題成為重要問題，需要對閘壩綜合防雷體系進(jìn)行深入研究。防雷系統(tǒng)問題主要表現(xiàn)在：

（1）閘壩建筑物外部防雷不符合要求。隨著閘壩自動化系統(tǒng)的安裝，接地電阻的規(guī)范要求必須滿足電氣自動化設(shè)備的防雷要求[1]，即接地電阻值要小于10 Ω，但是原來監(jiān)測點檢測的接地電阻值遠(yuǎn)大于10 Ω，且未安裝避雷帶型接閃器以及引下線，接地體的數(shù)目偏少[2]。

（2）感知體系與控制房之間的防雷過渡防護(hù)非常薄弱。閘控現(xiàn)場內(nèi)共安裝了18套PLC系統(tǒng)和人機(jī)界面，4套光纖通信服務(wù)器，2臺工業(yè)級集中控制計算機(jī)以及包含800 m光纖的通信系統(tǒng)。每扇閘門的現(xiàn)地控制柜內(nèi)都外連有若干傳感器。閘門集中控制系統(tǒng)采用了總線系統(tǒng)，閘門遠(yuǎn)程集中監(jiān)控中心采用工業(yè)以太網(wǎng)通信系統(tǒng)，各個通信信號端口采用電氣鏈接。但是目前通信系統(tǒng)尚無防雷屏蔽，信號端口尚都沒有安裝防雷擊的電磁脈沖浪涌保護(hù)器，過渡防護(hù)尚且非常薄弱。

（3）現(xiàn)地控制系統(tǒng)和遠(yuǎn)程集控中心尚無內(nèi)部防護(hù)。閘門控制系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)等需要諸多配電設(shè)備，設(shè)置配電室和閘門控制室于大壩之上，電源接地制式為TN-S，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到配電設(shè)備防雷的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求[3]，且中控室內(nèi)尚沒有配置匯流排和均勻等電位連接體。

3 體系設(shè)計

依據(jù)五里亭水電站閘壩的實際情況，結(jié)合當(dāng)?shù)氐臍庀?、環(huán)境條件、地理位置等情況，參考當(dāng)?shù)囟嗄昀纂娀顒右?guī)律，設(shè)計五里亭水電站閘壩的防雷體系。

五里亭水電站閘壩的防雷體系由三部分組成，即外部防護(hù)模塊、過渡防護(hù)模塊和內(nèi)部防護(hù)模塊。

（1）外部防護(hù)模塊。該模塊由接閃器、引下線和接地體等組成，其原理是通過接閃器將雷電流沿引下線安全地引流入大地接地體，主要防止雷電直接擊在建筑物和設(shè)備上。

（2）過渡防護(hù)模塊。該模塊由若干防雷器、屏蔽、接地、布線等組成，是一個綜合型的防護(hù)體系。

（3）內(nèi)部防護(hù)模塊。該模塊由均壓等電位連接體和過電壓保護(hù)元件等組成，可均衡系統(tǒng)電位，限制過電壓幅值，以滿足設(shè)備就近接地要求[4]。

4 應(yīng)用實踐

自從2016年五里亭水電站完成了閘門遠(yuǎn)傳系統(tǒng)及控制中心的自動化技術(shù)改造和升級[5]，諸多自動化控制設(shè)備如工控主機(jī)、顯示器、光纖服務(wù)器、光纖通信系統(tǒng)、泄洪閘監(jiān)控屏、PLC、HMI、閘門控制儀、編碼器、不間斷電源以及配件等需要進(jìn)行防雷防護(hù)。五里亭閘壩綜合防雷防護(hù)體系原理圖如圖1所示。

圖1 五里亭閘壩綜合防雷防護(hù)體系原理圖

從圖2可知，該體系的優(yōu)點在于：①模塊化。該系統(tǒng)由三個模塊組成，各個模塊集成為一個整體，相互配合，以滿足水利閘壩的復(fù)雜防雷應(yīng)用。②通用性。該系統(tǒng)可以結(jié)合水利閘壩的實際情況，如閘壩所處的地理、地質(zhì)、土壤、氣象、環(huán)境等條件和雷電活動規(guī)律等的基礎(chǔ)上，可以自由組合各個模塊的數(shù)量和安裝方便，具有很強(qiáng)適應(yīng)性和通用性。③經(jīng)濟(jì)性。本系統(tǒng)可以依據(jù)現(xiàn)場的實際情況，以最大保護(hù)范圍的原件模塊數(shù)量的選擇和恰當(dāng)組合，節(jié)約固定式防護(hù)裝置的不必要浪費，經(jīng)濟(jì)性好。

4.1 外部防護(hù)模塊

（1）接閃器的安裝

在五里亭水電站的閘壩控制室和配電室的房頂安裝避雷帶型接閃器，同時在房子的四個角落、房子的背脊處和房子的檐角處布置避雷帶型接閃器，各個避雷帶型接閃器采用Φ12 mm鍍鋅圓鋼鏈接，避雷帶型接閃器安裝在鍍鋅支架上，該支架為150 mm高，采用Φ12 mm鍍鋅扁鋼構(gòu)架，每隔1 m安裝1個。最后將避雷帶型接閃器表面涂裝銀漿，以便防腐。

（2）引下線的安裝

沿五里亭水電站閘壩的外側(cè)背水面和對水面分別均勻間隔安裝20條引下線，引下線采用Φ12 mm鍍鋅圓鋼，上套Φ25 mm絕緣防護(hù)型PVC管，具有絕緣和防損壞作用。引下線采用支架固定，支架基座安裝在閘壩墻體內(nèi)。

（3）接地體的安裝

在每個引下線接地下需要安裝1組CPD2000型接地體，每組為2塊，水平橫向成一字形擺放，通過40 mm×4 mm扁鋼與引下線可靠焊接。在閘壩外側(cè)再加裝人工接地體，先挖一個正方形的坑，邊長4 m，深1.4 m。然后，將40 mm×4 mm扁鋼焊接成網(wǎng)狀放置在坑底，并將16根長1.5 m、寬25 mm的鍍鋅扁鋼從坑底垂直打入地下，并接地網(wǎng)焊接，在坑底用約5～10 cm絕緣皮質(zhì)物墊平，將坑底土壤澆水濕潤。接著，在接地坑邊置一個灰斗，倒降阻劑干粉于灰斗中，加水均勻攪拌成糊狀，連續(xù)均勻地澆灌在接地體周圍，待降阻劑凝固后添加原土夯實，在地下用40 mm×4 mm雙層熱鍍鋅扁鋼交叉焊接并引出地面，再用40 mm×4 mm扁鋼排與均壓等電位連接體相連，引出地面部分作為接地裝置。

4.2 過渡防護(hù)模塊

（1）浪涌保護(hù)器（SPD）

將防雷防護(hù)的 LPZ0、LPZ1、、LPZ2、LPZ3四個不同等級的區(qū)域交界處安裝浪涌保護(hù)器，采用通過多級鉗位使殘壓逐步降低的原理，來抑制外部雷電波和雷電電磁脈沖的入侵。五里亭水電站閘壩監(jiān)控系統(tǒng)[6]的電子電氣設(shè)備由TN交流系統(tǒng)配電供電，配電系統(tǒng)的線路采用TN-S型接地方式，按照該特點，結(jié)合防雷技術(shù)規(guī)范和實踐情況，進(jìn)行浪涌保護(hù)設(shè)計，如圖2所示。

圖2 浪涌保護(hù)設(shè)計圖

實踐應(yīng)用中，在五里亭水電站閘壩配電房內(nèi)并聯(lián)安裝5組CPM-R100T型浪涌保護(hù)器，第一級浪涌保護(hù)器電源采用16 mm2銅導(dǎo)線連接相線，第二級浪涌保護(hù)器電源采用25 mm2銅導(dǎo)線連接相線。同時采用銅質(zhì)絕緣導(dǎo)線與均壓等電位連接體進(jìn)行可靠電氣連接。

（2）閘壩內(nèi)部屏蔽保護(hù)

五里亭水電站閘壩內(nèi)部安裝有壩體自動化監(jiān)測的各種設(shè)備及通信系統(tǒng)，這些設(shè)備可能會受到直擊雷、感應(yīng)雷、脈沖雷以及地電位反擊等。直擊雷的概率相對較小，大部分是感應(yīng)雷、脈沖雷以及地電位反擊。感應(yīng)雷來源于閘壩附近落雷形成的電磁場感應(yīng)，脈沖雷來源于從電源線路和信號線路侵入的雷電電磁脈沖，地電位反擊來源于由接閃器接閃后的接地裝置引起的地電位反擊。

針對直擊雷，在非防護(hù)區(qū)（LPZ0A）、直擊雷防護(hù)區(qū)（LPZ0B）、第一防護(hù)區(qū)（LPZ1）的交界處安裝了前述的浪涌保護(hù)器。針對感應(yīng)雷，閘壩內(nèi)部的所有傳感設(shè)備通信設(shè)備，它們的金屬外殼、信號線、防靜電地板、SPD接地線、PE線、屏蔽線纜和屏蔽金屬管全部與均壓等電位連接體就近進(jìn)行電氣連接。針對脈沖雷，閘壩內(nèi)部的地網(wǎng)和廊道地網(wǎng)基本采用了共用一個接地系統(tǒng)。針對地電位反擊，接地干線采用銅芯絕緣導(dǎo)線，截面積不小于16 mm2，穿管就近敷設(shè)至均壓等電位接地端子板。

（3）閘門監(jiān)控設(shè)備信號端防雷保護(hù)

五里亭水電站閘壩的閘門監(jiān)控現(xiàn)地設(shè)備，采用MODBUS現(xiàn)場總線與壩上現(xiàn)地控制房鏈接，現(xiàn)地控制房控制柜通過工業(yè)以太網(wǎng)與集控中心鏈接。工業(yè)以太網(wǎng)采用光纖，無需防雷[7]。但MODBUS現(xiàn)場總線的信號端口都要進(jìn)行防雷防護(hù)。在傳感器引入總線的SSI端口處串聯(lián)安裝信號防雷器，防止通過信號線進(jìn)入現(xiàn)地控制柜的雷電浪潮。在現(xiàn)地控制房內(nèi)，重要的監(jiān)控設(shè)備，如PLC、單片機(jī)采集器等，加裝浪涌保護(hù)器。對閘門監(jiān)控線路的監(jiān)測與控制兩端加裝防雷裝置。

4.3 內(nèi)部防護(hù)技術(shù)

（1）五里亭水電站閘壩內(nèi)部沿廊道內(nèi)側(cè)安裝CPD2000接地極20組，形成接地環(huán)網(wǎng)，水平焊接40 mm×4 mm雙層熱鍍鋅扁鋼，低電阻率土壤分層回填夯實，在配電柜內(nèi)側(cè)沿墻均勻安裝等電位聯(lián)結(jié)端子箱20個，便于以后擴(kuò)充。

（2）五里亭水電站閘壩廠房內(nèi)的配電柜，采用40 mm×4 mm扁鋼接入，配電柜電源輸入端并聯(lián)安裝一組CPM-R100T浪涌保護(hù)器，加裝1組（每組6塊）CPD2000接地板。

5 結(jié)束語

五里亭水電站閘壩經(jīng)過綜合防雷體系的設(shè)計，取得了很好的運(yùn)行效果。目前已經(jīng)運(yùn)行三年，接地電阻測試符合規(guī)范要求，各類系統(tǒng)的防雷效果良好，電子元器件的損壞率明顯降低。2018年7月2日在閘壩變壓器遭直擊雷而停電的情況下，經(jīng)過檢查各類監(jiān)控設(shè)備與通信系統(tǒng)，均工作正常，設(shè)備運(yùn)行正常。各類檢查充分表明，這項綜合性的防雷改造是非常有效的，雷電防護(hù)綜合設(shè)計方案值得水電站同行學(xué)習(xí)借鑒。同時，通過研究和運(yùn)行實踐，筆者將與國內(nèi)同行一起，繼續(xù)研究和探索雷電防護(hù)技術(shù)體系和應(yīng)用。