水電站雷擊原因分析及防范措施

華電電力科學(xué)研究院有限公司 隆朝花

關(guān)鍵字：水電站；主接地網(wǎng)；防雷接地；中間繼電器

隨著電網(wǎng)系統(tǒng)規(guī)模不斷增大，系統(tǒng)阻抗歸算至電站側(cè)最大運(yùn)行方式下故障電流增幅較大，水電站樞紐接地網(wǎng)工頻接地電阻值已不能滿足安全運(yùn)行的要求。

水電站防雷主要集中在發(fā)電主廠房、升壓站、出線場(chǎng)，但壩區(qū)機(jī)組進(jìn)水口閘門控制系統(tǒng)及壩區(qū)水工建筑物防雷措施比較薄弱，在水電站日常的生產(chǎn)技術(shù)管理過程中，應(yīng)把水電站廠區(qū)及壩區(qū)防雷接地系統(tǒng)、電氣一次設(shè)備防雷接地、二次控制電纜接地、水機(jī)保護(hù)出口中間繼電器容量升級(jí)，機(jī)組保護(hù)配置工作列為生產(chǎn)管理的年度重點(diǎn)工作計(jì)劃，尤其應(yīng)提升壩區(qū)進(jìn)水口閘門控制系統(tǒng)的防雷水平，通過科學(xué)合理的管理措施和技術(shù)措施，以提升水電站設(shè)備設(shè)施防雷水平，從而保障水電站發(fā)電設(shè)備設(shè)施安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1 水電站雷擊原因分析

雷電危害水電站方式主要分為三種：即雷直擊電力設(shè)備；雷直擊避雷針、避雷線后形成的感應(yīng)過電壓；雷直擊輸電線后沿線路的來波。

防直擊雷。直擊雷指雷電繞過地線和桿塔的攔截直接擊中導(dǎo)線，或者在無架空地線時(shí)直接擊中導(dǎo)線的雷擊現(xiàn)象。因此，水電站必須裝設(shè)防直擊雷裝置如避雷針或避雷線。

防感應(yīng)雷。有了上述第一道防線后，電站還會(huì)發(fā)生雷擊事件，是由感應(yīng)雷引起的，感應(yīng)雷會(huì)使35kV及以下的母線和設(shè)備產(chǎn)生嚴(yán)重的故障，因此避雷針應(yīng)盡量遠(yuǎn)離電力設(shè)備。

雷云放電到線路附近的地面會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，這種磁場(chǎng)是由于與放電過程相關(guān)的浪涌電流造成的。由于這種電磁耦合，感應(yīng)過電壓就會(huì)通過線路傳播。雷電過電壓分為傳輸線上過電壓和地電位上升。某水電站發(fā)生機(jī)組快速閘門異常關(guān)閉事件，經(jīng)事故調(diào)查分析，雷擊造成地電位反擊，雷電流流經(jīng)地網(wǎng)時(shí)，通過廠區(qū)至進(jìn)水口快速閘門控制電纜（長度約1100m，型號(hào)NH-DWZA-KYJVP2-23，電纜兩根芯線間電容量約0.169μF）屏蔽接地線流入電纜屏蔽層，該電流在該長電纜芯上（繼電器上端）感應(yīng)出較高電勢(shì)，經(jīng)電纜芯線間電容耦合到繼電器的上端，又因進(jìn)水口直流系統(tǒng)充電饋電屏柜內(nèi)防雷用的電涌保護(hù)器未動(dòng)作。分析認(rèn)為，直流正負(fù)極均未出現(xiàn)高電位，使得機(jī)組快速落門出口繼電器KC1兩端產(chǎn)生較高電位差，又因繼電器KC1動(dòng)作功率較小，造成繼電器KC1誤動(dòng)，導(dǎo)致水輪發(fā)電機(jī)組進(jìn)水口快速閘門異常關(guān)閉。

限制雷電侵入波。限制侵入波的主要設(shè)備是避雷器，但這還不夠，由于制造原因，避雷器的流通容量有一定的限制，一般在5～15kA。而在我國，每100次雷電，大約有73次的雷電流會(huì)達(dá)到15kA，所以此時(shí)避雷器也幾乎必壞無疑。因此，沿全線裝設(shè)避雷線是目前為止110kV及其以上架空線最重要和最有效的防雷措施。35kV及以下因其絕緣水平較低，即使增加絕緣水平仍很難防止直擊雷，只能靠增加絕緣水平使線路在故障情況短時(shí)間運(yùn)行。采用良好接地的而且保護(hù)角小的避雷線可以將絕大部分雷擊吸引到自身，并將雷電流安全導(dǎo)入地中，這樣線路絕緣就不會(huì)發(fā)生雷擊閃絡(luò)。

2 水電站防雷接地現(xiàn)狀及存在問題

水電站接地系統(tǒng)主要由壩區(qū)接地網(wǎng)和廠區(qū)接地網(wǎng)兩大部分組成，由于樞紐布置緊湊，且電站所在地區(qū)為高土壤電阻率地區(qū)，因此在設(shè)計(jì)上加強(qiáng)了各部分接地網(wǎng)之間的多重互聯(lián)。大壩接地網(wǎng)主要分為壩前水下接地網(wǎng)、大壩迎水面接地網(wǎng)、蓋重區(qū)接地網(wǎng)等三部分。壩前和壩頂接地網(wǎng)與進(jìn)水口接地網(wǎng)連通，并通過壓力鋼管連接到廠房接地網(wǎng)。蓋重區(qū)接地網(wǎng)與廠房尾水接地網(wǎng)連接。廠區(qū)接地網(wǎng)由主廠房接地網(wǎng)、尾水渠接地網(wǎng)、中控樓接地網(wǎng)和升壓站接地網(wǎng)組成。此外，上游壩前接地網(wǎng)還通過泄洪洞等部位的接地網(wǎng)、鋼筋網(wǎng)等與下游尾水接地網(wǎng)連接。

升壓站內(nèi)的電氣設(shè)備專設(shè)有鋼絞線接地網(wǎng)、均壓網(wǎng)和垂直接地極，GIS室內(nèi)設(shè)有明敷銅接地帶。避雷器、變壓器中性點(diǎn)等處均采用了雙重接地。

2.1 水電站接地電阻測(cè)試結(jié)果

某水電站全廠接地系統(tǒng)主要由壩區(qū)接地網(wǎng)、升壓站接地網(wǎng)和廠區(qū)接地網(wǎng)三大部分組成。各區(qū)域布置緊湊，三部分接地網(wǎng)相互連接緊密。根據(jù)該電站原設(shè)計(jì)單位接地計(jì)算成果，要求電站發(fā)電運(yùn)行時(shí)，接地電阻不大于0.5Ω。

某水電站機(jī)電安裝單位對(duì)建設(shè)完畢的電站接地系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)際測(cè)量，接地電阻值為0.82Ω?？紤]電站未全部蓄水，蓄水后由于滲透作用能降低部分土壤電阻率，未對(duì)電站樞紐接地網(wǎng)再次處理。三年后，該電站對(duì)接地系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)再進(jìn)行了實(shí)際測(cè)量，結(jié)果如下：

一是電站接地網(wǎng)接地電阻測(cè)試值為0.713Ω，未達(dá)到設(shè)計(jì)值R＜0.5Ω的要求。二是從測(cè)試的數(shù)據(jù)分析，各區(qū)域跨步電勢(shì)差小于80V，符合規(guī)程要求。三是從測(cè)試的數(shù)據(jù)可以看出各個(gè)區(qū)域接觸電勢(shì)差均小于85V，符合規(guī)程要求。四是從測(cè)試的數(shù)據(jù)可以看出，各區(qū)域地網(wǎng)之間的導(dǎo)通電阻都在30μΩ以下，滿足規(guī)程要求，各地網(wǎng)間連接良好。

2.2 接地網(wǎng)接地電阻升高

主要原因分析如下：一是接地裝置長期在地下運(yùn)行，運(yùn)行環(huán)境惡劣，土壤中酸堿離子是促使接地極發(fā)生化學(xué)腐蝕的主要因素。因建設(shè)期鋪設(shè)接地網(wǎng)時(shí)采用鍍鋅扁鋼，未做特殊的防腐處理，在電站長期運(yùn)行中，接地裝置會(huì)有一定的腐蝕，扁鋼與土壤接觸電阻增加，導(dǎo)致電站接地網(wǎng)工頻接地電阻升高。二是電站采用引水式發(fā)電方式，大壩后有幾千米的河道枯期脫水段，大壩和廠房尾水渠上游部位的土層含水量減少，使土壤電阻率升高，導(dǎo)致電站接地網(wǎng)工頻接地電阻升高。三是電站運(yùn)行多年，地質(zhì)條件發(fā)生了一定的變化，特別是地震可能引起地層滑動(dòng)影響接地網(wǎng)各部位連接，使土壤電阻率升高，導(dǎo)致電站接地網(wǎng)工頻接地電阻升高。四是電站取水口接地網(wǎng)、大壩接地網(wǎng)和廠房接地網(wǎng)三塊接地網(wǎng)采用明敷接地扁鋼連接，因銹蝕和落石發(fā)生斷裂，導(dǎo)致電站接地網(wǎng)工頻接地電阻升高。五是地形構(gòu)造復(fù)雜，土壤覆蓋率小，山體以巖石為主，導(dǎo)致土壤電阻率較大，影響到全廠接地電阻的大小。

2.3 電氣一次設(shè)備防雷接地不規(guī)范

如避雷針接地引下線未接地，主變中性點(diǎn)避雷器未雙接地，電機(jī)、封母外殼、柴油發(fā)電機(jī)外殼未接地。

2.4 二次控制電纜接地不規(guī)范

水電站普遍存在進(jìn)水口快速落門控制柜，以及進(jìn)水口微機(jī)監(jiān)控裝置遠(yuǎn)程I/O屏內(nèi)控制電纜屏蔽層，采用“銅辮”直接接入與盤柜外殼相連的接地銅排的問題。一是采用銅辮直接接入接地銅排，表面未做防護(hù)，不能保證屏蔽接地與保護(hù)接地之間只有1個(gè)連接點(diǎn)，從而使主地網(wǎng)受到的雷電侵襲在屏蔽接地網(wǎng)中形成流通路徑；二是未接入等電位接地網(wǎng)，不符合《水力發(fā)電廠接地設(shè)計(jì)技術(shù)導(dǎo)則》（NB/T35050-2015）第9.5.2.4條“接地銅排應(yīng)選用截面積不小于50mm2的銅纜與保護(hù)室內(nèi)的等電位接地網(wǎng)相連的要求”[1]。

2.5 低壓配電線路防雷措施不完善

如在低壓交流電源線路上，未配置電涌保護(hù)器。

2.6 機(jī)組保護(hù)配置不全

如發(fā)電機(jī)組未配置逆功率保護(hù)，該保護(hù)對(duì)于發(fā)電機(jī)有可能變電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的異常運(yùn)行方式而設(shè)計(jì)，如發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行，將危及發(fā)電機(jī)安全，設(shè)置該保護(hù)能有效避免該異常事件發(fā)生。未配置進(jìn)水閥或快速閘門意外關(guān)閉保護(hù)，該保護(hù)作用是當(dāng)機(jī)組處于發(fā)電狀態(tài)時(shí)，一旦進(jìn)水閥或快速閘門因事故關(guān)閉，機(jī)組有功功率小于0，機(jī)組走事故停機(jī)流程，機(jī)組停機(jī)，較好地保護(hù)機(jī)電設(shè)備的安全。

2.7 水機(jī)保護(hù)中間繼電器動(dòng)作功率低，宜選用大功率繼電器，涉及水機(jī)保護(hù)與電氣二次接口

控制回路中啟動(dòng)快速閘門動(dòng)作的中間繼電器，實(shí)測(cè)該220V中間繼電器動(dòng)作功率0.48W。《南方電網(wǎng)電力系統(tǒng)繼電保護(hù)反事故措施》（2014版）第4.3.13條“對(duì)經(jīng)長電纜跳閘的回路，應(yīng)采取防止長電纜分布電容影響和防止出口繼電器誤動(dòng)的措施。如不同用途的電纜分開布置、增加出口繼電器動(dòng)作功率，或通過光纖跳閘通道傳送跳閘信號(hào)等措施”。水機(jī)保護(hù)出口中間繼電器可參照?qǐng)?zhí)行，對(duì)于長控制電纜驅(qū)動(dòng)中間繼電器回路，動(dòng)作功率宜大于或等于5W。

3 防范措施

3.1 降低接地電阻

地網(wǎng)電阻與土壤電阻率相關(guān)，實(shí)踐證明，土壤電阻率是一個(gè)嚴(yán)重不可控因素（往往土壤電阻率數(shù)值很大），造成在理論計(jì)算時(shí)地網(wǎng)電阻將遠(yuǎn)小于實(shí)際地網(wǎng)電阻，從而耐雷水平比實(shí)際值偏高，出現(xiàn)了即使低于耐雷水平的雷電流仍然造成事故。

對(duì)廠區(qū)及大壩接地系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造，降低主接地網(wǎng)接地電阻，以滿足設(shè)計(jì)及規(guī)程要求。按照DL/T5091-1999《水力發(fā)電廠接地設(shè)計(jì)技術(shù)導(dǎo)則》，擬定以下三種接地系統(tǒng)技改方案，可供參考。

3.1.1 敷設(shè)水下地網(wǎng)

采用在大壩下游至電站廠房尾水區(qū)之間的回水區(qū)域敷設(shè)水下地網(wǎng)，水流較緩，具有敷設(shè)水下地網(wǎng)的條件。擬敷設(shè)間距不大于30m的水下接地網(wǎng)，面積約為28000m2；水下地網(wǎng)向上與大壩接地系統(tǒng)可靠連接，向下通過廠房尾水渠地網(wǎng)與廠房接地系統(tǒng)地網(wǎng)連接。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)踏勘，為避免豐水期泄洪洞下泄洪水對(duì)水下地網(wǎng)產(chǎn)生沖刷，水下地網(wǎng)敷設(shè)于泄洪洞之間的回水區(qū)域。但考慮豐水期泄洪洞仍承擔(dān)泄洪任務(wù)，水下地網(wǎng)的布置區(qū)域應(yīng)盡量避免泄洪洞泄洪對(duì)水下地網(wǎng)的直接沖刷，并采用現(xiàn)澆混凝土及鋼筋石籠等固定措施。水下地網(wǎng)與原接地網(wǎng)、新增人工水平地網(wǎng)、新增的接地深井等應(yīng)多點(diǎn)采用放熱焊接連接[2]。

3.1.2 新增人工水平地網(wǎng)，增大地網(wǎng)面積

在大壩河灘內(nèi)新增人工水平接地網(wǎng)，并敷設(shè)防腐型物理降阻劑。人工水平接地網(wǎng)埋設(shè)于河灘內(nèi)，該區(qū)域人工水平接地網(wǎng)在汛期將置于水下，人工水平地網(wǎng)面積約為16000m2。

3.1.3 引外深井接地

在水下接地網(wǎng)四周設(shè)計(jì)接地深井，深度約100m。具體要求如下：

一是新增的接地深井，通過鍍鋅接地扁鋼與新敷設(shè)的水下接地網(wǎng)及原廠區(qū)樞紐接地網(wǎng)連接；接地深井深度初步設(shè)定為100～140m。

二是接地深井的垂直接地極宜采用鍍鋅鋼管，以滿足深井的降阻效果。垂直接地極的施工方法應(yīng)遵循生產(chǎn)廠家的技術(shù)人員指導(dǎo)及產(chǎn)品說明書的要求。

三是接地深井的布置可根據(jù)施工設(shè)備布置的需要及現(xiàn)場(chǎng)施工條件適當(dāng)調(diào)整，距離廠區(qū)永久公路的距離不應(yīng)小于5m；各深井之間的電氣距離應(yīng)大于1.5～2倍井深為宜。

3.2 新增避雷塔

現(xiàn)有水電站壩區(qū)基本上未設(shè)置獨(dú)立避雷針。在進(jìn)水口一定高程的邊坡上各增加一套45m高的避雷塔，按啟閉機(jī)頂（29m）為保護(hù)高度，經(jīng)初步計(jì)算復(fù)核，保護(hù)半徑分別為52.11m，36.7m，保護(hù)高度為35m，可以滿足直擊雷防雷要求。同時(shí)，壩區(qū)清污（檢修）門機(jī)軌道增加引外接地線，增加泄流通道。增加避雷塔后，清污門機(jī)沒在避雷塔有效保護(hù)范圍內(nèi)，為了增加雷擊清污（檢修）門的泄流通道，應(yīng)增加清污門機(jī)軌道至迎水面因外接地線[3]。

3.3 規(guī)范電氣一次設(shè)備防雷接地和二次控制電纜接地

電氣一次設(shè)備外殼按規(guī)程要求標(biāo)準(zhǔn)接地。保護(hù)裝置的直流電源、交流電流、交流電壓及信號(hào)引入回路均應(yīng)采用銅芯屏蔽電纜，不應(yīng)使用電纜內(nèi)的空線替代屏蔽層接地。將盤柜內(nèi)控制電纜屏蔽層“銅辮”表面用絕緣膠布包好后接入加裝絕緣子的接地銅排，再將接地銅排用不小于100mm2的銅排接至保護(hù)室等電位接地網(wǎng)。同時(shí)，在低壓交流電源線路上，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選用電涌保護(hù)器，對(duì)沿電源侵入的雷電電涌進(jìn)行分級(jí)抑制

3.4 完善水輪發(fā)電機(jī)組相關(guān)保護(hù)配置

按照NB/T35010-2013《水力發(fā)電廠繼電保護(hù)設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，對(duì)于發(fā)電機(jī)有可能變電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的異常運(yùn)行方式，宜裝設(shè)逆功率保護(hù)，保護(hù)帶時(shí)限動(dòng)作于解列。按照Q/CHD24-2019《水電站水力機(jī)械保護(hù)配置技術(shù)要求》要求，機(jī)組應(yīng)配置導(dǎo)葉、進(jìn)水閥或快速閘門意外關(guān)閉保護(hù)。

3.5 增大控制回路中的中間繼電器、出口繼電器的動(dòng)作功率

參照《防止電力生產(chǎn)重大事故的二十五項(xiàng)重點(diǎn)要求》（國能安全〔2014〕161號(hào)）第13.12.16條，發(fā)電機(jī)、變壓器保護(hù)，母線保護(hù)和失靈保護(hù)的直跳回路應(yīng)采用強(qiáng)大功率的中間繼電器，啟動(dòng)功率大于5W，動(dòng)作時(shí)間不宜小于10ms。對(duì)于長控制電纜驅(qū)動(dòng)中間繼電器回路，要求動(dòng)作功率大于等于5W，只有當(dāng)出口的中間繼電器有足夠動(dòng)作功率，才能在雷電入侵、交流串直流和直流電源單極接地時(shí)防止誤動(dòng)。水機(jī)保護(hù)出口中間繼電器可參照?qǐng)?zhí)行，對(duì)于長控制電纜驅(qū)動(dòng)中間繼電器回路，動(dòng)作功率宜大于等于5W[4]。

綜上所述，水電站不僅需要進(jìn)一步完善防雷技術(shù)措施，還應(yīng)按照DL/T596-2021《電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程》要求，加強(qiáng)防雷設(shè)備設(shè)施的定期檢驗(yàn)檢測(cè)工作，如避雷器運(yùn)行電壓下阻性電流測(cè)量，接地網(wǎng)的接地裝置（包括設(shè)備接地引下線）熱穩(wěn)定容量校驗(yàn)，抽樣開挖檢查設(shè)備接地引下線及地網(wǎng)的腐蝕情況等定期工作，進(jìn)一步防范雷擊發(fā)電設(shè)備，進(jìn)而保障發(fā)電設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行，提高供電可靠性。