泵站工作中的防雷接地措施研究與分析

周明政

（蕪湖市水利工程建設(shè)管理處，安徽蕪湖 241000）

引言

目前我國現(xiàn)有大部分泵站工程防雷接地的設(shè)計(jì)、施工和檢測工作都是由水利專業(yè)的設(shè)計(jì)院、施工企業(yè)及檢測單位承擔(dān)，與氣象部門專業(yè)的防雷接地設(shè)計(jì)、施工、檢測單位（企業(yè)）相比技術(shù)水平還有一定差距，現(xiàn)有很多泵站防雷接地的設(shè)計(jì)水平處于相對落后狀況，實(shí)際泵站防雷接地技術(shù)和成效沒有達(dá)到《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB/T50265-2011）《建筑設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50057-2010）[1-3]的要求，泵站內(nèi)部電路系統(tǒng)和高低壓裝置的接地設(shè)計(jì)指標(biāo)未滿足《配電技術(shù)手冊》等[4-6]的具體要求，容易導(dǎo)致線路系統(tǒng)、自動(dòng)化系統(tǒng)、變壓器等許多電氣設(shè)備被雷電波侵入或雷擊，甚至導(dǎo)致工程受損，無法正常發(fā)揮防汛除澇效益，造成社會(huì)經(jīng)濟(jì)損失慘重。系統(tǒng)解決泵站工程的防雷接地技術(shù)問題，保證泵站工程安全可靠運(yùn)行，是此次泵站工程防雷接地系統(tǒng)研究分析的主要目的。本文以蕪湖某泵站為例進(jìn)行系統(tǒng)分析。

1 案例介紹

蕪湖市某泵站工程位于蕪湖市弋江區(qū)境內(nèi)，在2009年老泵站改造之前，工程變電站主汛期排澇期間發(fā)生過雷擊事故，工程運(yùn)行存在安全隱患。同時(shí)，隨著城市總體規(guī)劃的調(diào)整，泵站周邊區(qū)域防洪對象發(fā)生了很大變化，老泵站無法滿足城市發(fā)展要求，政府決定對老泵站進(jìn)行改造。改造后的新泵站選用4臺(tái)2200ZLB17.5-4.7型立式軸流泵，配套4臺(tái)TL1250-28/2600型6kV高壓立式同步電動(dòng)機(jī)，單機(jī)容量為1 250kW，裝機(jī)總?cè)萘繛? 000kW，設(shè)計(jì)排澇流量為70m3/s，規(guī)模為大（2）型泵站。主廠房內(nèi)安裝4臺(tái)立式同步電動(dòng)機(jī)、4臺(tái)勵(lì)磁屏及現(xiàn)場動(dòng)力柜，副廠房內(nèi)設(shè)置變壓器、高低壓柜、集中電容補(bǔ)償屏、高壓軟啟動(dòng)器等高低壓配電設(shè)備以及中央控制室等。泵站電源由一條專用的35kV架空輸電線路提供，線路導(dǎo)線型號規(guī)格為LGJ-70，線路長約10km。因此為保證工程的安全運(yùn)行，對泵站的防雷保護(hù)和接地兩個(gè)方面進(jìn)行了全面設(shè)計(jì)與配置，采取了以下具體防雷接地措施。

2 泵站雷擊事故情況及主要原因分析

2.1 泵站雷擊事故發(fā)生情況

2008年7月蕪湖市正處于主汛期的關(guān)鍵時(shí)期，然而突然的雷擊造成正在緊張排澇的泵站供電設(shè)備斷電，泵站機(jī)組中斷運(yùn)行。經(jīng)蕪湖市供電部門檢測雷擊事故造成主變壓器絕緣被擊穿、高壓隔離開關(guān)損壞，泵站無法繼續(xù)工作，為盡快解決問題，恢復(fù)排澇能力，市防汛指揮部與當(dāng)?shù)刈儔浩魃a(chǎn)廠家協(xié)調(diào)，緊急調(diào)用1臺(tái)S10-1250kVA-35kV/0.4kV型變壓器和1臺(tái)GW5-35GD/630A型隔離開關(guān)，經(jīng)供電部門全力緊急搶修，泵站及時(shí)恢復(fù)排澇能力。

2.2 雷擊事故主要原因分析

經(jīng)原設(shè)計(jì)單位和供電部門實(shí)地調(diào)查分析，泵站遭受雷擊事故主要原因有以下幾個(gè)方面：

（1）泵站地處平原地區(qū)，周邊為菜地、湖泊、國道，無高層住宅等建筑物，35kV進(jìn)線段及變電站位置相對較高。據(jù)蕪湖市氣象部門近50年雷電資料統(tǒng)計(jì)，蕪湖市平均年雷電日數(shù)為43.8天，泵站處于雷電多發(fā)區(qū)和易發(fā)區(qū)，在夏季雷雨季節(jié)，云層容易在該泵站上部空間區(qū)域聚集，當(dāng)云層電荷的電場強(qiáng)度滿足破壞空氣絕緣時(shí)，就會(huì)與泵站工程設(shè)備形成放電通道，從而產(chǎn)生對變壓器和隔離開關(guān)的雷擊事故。

（2）35kV進(jìn)線段沿線布置的避雷線損壞，直擊雷的過電壓沿著進(jìn)線導(dǎo)線進(jìn)入主變壓器，使得主變壓器三相繞組絕緣被高壓擊穿，從而導(dǎo)致三相金屬性短路。

為避免類似事故再次發(fā)生，保證工程安全運(yùn)行，在該泵站工程改造時(shí)，對工程采取了全面防雷接地措施。

3 泵站的防雷措施

3.1 建筑物的直擊雷防護(hù)

3.1.1 戶外變電所和架空線路的直擊雷防護(hù)

為了有效防護(hù)直擊雷，泵站在戶外變電站南側(cè)設(shè)置一根高30m的避雷針（詳見圖1）以免建筑物遭受直擊雷，架空線路采用避雷線進(jìn)行保護(hù)。根據(jù)《工業(yè)與民用電力裝置的過電壓保護(hù)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GBJ64-1983）規(guī)定，為防止雷電波沿輸電線路侵入危害變壓器及其它電氣設(shè)備，保障變電站的電氣設(shè)備運(yùn)行安全，泵站在35kV進(jìn)線側(cè)裝設(shè)一組Y5WZ1-51/134型避雷器。同時(shí)為防止或減少近區(qū)雷擊閃絡(luò)，在進(jìn)線終端桿外側(cè)1km范圍沿線路架設(shè)避雷線進(jìn)行保護(hù)。

圖1 避雷針安裝實(shí)物圖

3.1.2 泵站廠房的直擊雷防護(hù)措施

本工程在主副廠房屋頂?shù)奈菝姘逯邪匆?guī)范要求，采用Φ10鍍鋅圓鋼設(shè)置避雷網(wǎng)，同時(shí)利用沿墻構(gòu)造柱、沿四角墻柱的引上鋼筋與底板接地網(wǎng)（避雷網(wǎng)大樣示意圖詳見圖2）外側(cè)主筋設(shè)置引下線以及人工接地裝置，并與底板接地網(wǎng)主筋牢固焊接，每根柱采用對角兩根Φ≥16的主筋作為引下線，主副廠房共設(shè)置引下線10處，并在每根引下線上距地面0.3m處設(shè)連接板，每個(gè)焊接處均涂瀝青進(jìn)行有效防腐。通過引下線和接地裝置將雷電波放入大地，并沿主副廠房屋頂女兒墻設(shè)置避雷帶進(jìn)行防護(hù)，防止直擊雷造成損害。

圖2 避雷網(wǎng)大樣示意圖

3.2 配電裝置的防雷保護(hù)措施

3.2.1 配電裝置的直擊雷防護(hù)

由于主、副廠房已采取防雷措施，所以室內(nèi)的高低壓配電裝置不再設(shè)置直擊雷的防護(hù)措施。

3.2.2 配電裝置的雷電侵入波防護(hù)

本工程配電裝置的雷電侵入波防護(hù)主要采取以下措施：

（1）為保證本工程變壓器等配電裝置免遭雷電波侵入危害，本站在35kV進(jìn)線側(cè)裝設(shè)一組Y5WZ1-51/134型避雷器。

（2）為防止或減少近區(qū)雷擊閃絡(luò)，在進(jìn)線終端桿外側(cè)專用線路進(jìn)線段沿架空線路架設(shè)1km避雷線。

（3）為避免雷雨季節(jié)斷路器被沿輸電線入侵的雷電過電壓波擊穿，在斷路器外側(cè)（配電裝置入口處）裝設(shè)一組閥式避雷器F。

3.2.3 高壓電動(dòng)機(jī)的防雷措施

本工程電動(dòng)機(jī)電壓等級為6kV，供電電源為35kV架空線，為非直配電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)經(jīng)過變電站的降壓變壓器與架空線相連，由于在主變壓器的線路側(cè)已采取可靠的防雷保護(hù)裝置，所以不再對電動(dòng)機(jī)采取特殊的防雷保護(hù)措施。

3.2.4 泵站弱電設(shè)備的防雷措施

為防止雷電波從電源系統(tǒng)侵入弱電設(shè)備，本工程的弱電防雷保護(hù)主要包括泵站監(jiān)控系統(tǒng)、視頻系統(tǒng)、自動(dòng)化系統(tǒng)需設(shè)置弱電防雷保護(hù)，浪涌保護(hù)器（SPD）應(yīng)符合《電子計(jì)算機(jī)場地通用規(guī)范》（GB/T-2887-2000）以及《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50057-2010）。UPS弱電系統(tǒng)電源進(jìn)線設(shè)置二級浪涌保護(hù)、出線設(shè)置三級浪涌保護(hù)，室外傳感器電源、攝像頭電源設(shè)置三級浪涌保護(hù)；自動(dòng)化系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)信號端口設(shè)置信號浪涌保護(hù)（詳見圖3）。為防止電磁干擾，在全站各區(qū)界面處設(shè)等電位連接，以避免弱電設(shè)備的損壞，保證自動(dòng)化系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

圖3 浪涌保護(hù)器安裝位置示意圖

4 泵站的接地措施

4.1 泵站電氣裝置所要求的工作接地電阻值

4.1.1 接地電阻的確定

按照相關(guān)規(guī)范要求，本工程的接地裝置由人工接地體和自然接地體兩部分組成。本工程35kV系統(tǒng)屬于中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，要求其接地電阻≤1Ω，則可計(jì)算單相接地電容電流為：

式中：I為單相接地電容電流（A）；U為網(wǎng)絡(luò)線電壓（kV），為6kV；Li為電纜線路長度（km），為0.2km；Lj為架空線路長度（km），為10km。

由于本工程屬于小接地電流系統(tǒng)，且接地裝置高、低壓裝置共用，根據(jù)規(guī)程規(guī)定接地電壓不超過120V，高壓電力設(shè)備裝置的接地電阻允許值：R≤120V/0.291A=412.4Ω，根據(jù)規(guī)范高壓電力設(shè)備裝置的接地電阻R≤10Ω；站用電380/220V電源中性點(diǎn)接地電阻≤4Ω。

4.1.2 接地裝置計(jì)算

根據(jù)公式ρ=ψ×ρ0，所測土壤電阻率ρ0=0.8×104，季節(jié)修正系數(shù)ψ=1.5，可得修正后土壤電阻率ρ=1.2×104（Ω·cm）。

本工程可利用1km長的6kV直埋電纜的金屬外皮作為自然接地體。根據(jù)規(guī)范其擴(kuò)散電阻計(jì)算為

則可計(jì)算得到Rz=0.988（Ω）。

人工接地裝置的接地電阻需使其與自然接地并聯(lián)后達(dá)到規(guī)定值0.5Ω，故人工接地體電阻為Rt=（R×Rz）/（Rz-R）=（0.5×0.988）/（0.988-0.5）=1.01Ω＞1Ω

對中性點(diǎn)不接地短路電流系統(tǒng)，人工接地裝置的電阻不應(yīng)大于1Ω，所以人工接地體電阻Rt≤1Ω。

由于泵站所在地區(qū)土壤電阻率不高，所以人工接地裝置以采用長度為2.5m的SC50鋼管接地體為主，其間用-40×6鍍鋅扁鐵連接成環(huán)形，鋼管上端埋入土中深度為0.8m。

4.2 接地裝置的布置

本工程接地網(wǎng)布置主要主要采取以下措施：

（1）自然接地體是充分利用底板、立柱、樓板等水工建筑物中的結(jié)構(gòu)鋼筋相互焊接、相互連通實(shí)現(xiàn)的。利用墩墻、立柱中的鑄鋼筋作為接地引下線，與各層接地網(wǎng)可靠焊接，并通過-40×6鍍鋅扁鐵與屋頂避雷帶可靠連接，使之上下貫通，形成一張完整的接地網(wǎng)，其總接地電阻不大于1Ω。

（2）在建筑物伸縮縫處通過U型扁鐵將分縫兩側(cè)的接地線連接起來（詳見圖4），接地線應(yīng)防止發(fā)生機(jī)械損傷和化學(xué)腐蝕。

圖4 伸縮縫處接地處理示意圖

5 結(jié)語

在泵站工程建設(shè)中采取有效的防雷接地措施十分重要，完善的防雷措施可以有效避免造成泵站建筑物、電氣設(shè)施著火、人身傷亡等事故發(fā)生，是泵站供配電系統(tǒng)、高低壓電氣設(shè)備、計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)等安全運(yùn)行的有力保障。為控制好泵站工程中防雷接地施工質(zhì)量，切實(shí)做好泵站工程防雷接地系統(tǒng)的各項(xiàng)工作，本文從設(shè)計(jì)圖紙、原材料、隱蔽工程驗(yàn)收、檢測等關(guān)鍵環(huán)節(jié)提出以下幾點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)建議：

（1）嚴(yán)把設(shè)計(jì)圖紙審查關(guān)。在施工前，業(yè)主單位組織監(jiān)理、施工、及檢測單位技術(shù)人員，并邀請氣象部門的防雷專家對施工設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行審查，提出合理建議，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，提高設(shè)計(jì)圖紙質(zhì)量，增強(qiáng)泵站工程防雷接地設(shè)計(jì)的安全可靠性。

（2）嚴(yán)把原材料質(zhì)量關(guān)。對進(jìn)場的鍍鋅扁鐵、鍍鋅鋼管、焊條等防雷接地原材料，要求施工單位報(bào)檢，監(jiān)理單位查驗(yàn)原材料的規(guī)格型號、合格證等相關(guān)證明材料及檢測報(bào)告，不合格的原材料嚴(yán)禁進(jìn)場投入使用。

（3）嚴(yán)把隱蔽工程驗(yàn)收關(guān)。針對防雷接地施工中的關(guān)鍵部位和關(guān)鍵工序，要求監(jiān)理工程師實(shí)行旁站監(jiān)理，確保焊縫質(zhì)量、搭接長度等關(guān)鍵工作在可控之中，防止出現(xiàn)錯(cuò)焊、漏焊，隱蔽工程驗(yàn)收不合格的嚴(yán)禁進(jìn)行后續(xù)施工，以保證防雷接地的施工質(zhì)量。