強(qiáng)雷暴活動(dòng)地區(qū)發(fā)電廠(chǎng)防雷接地設(shè)計(jì)方案

惠 蓓，張 媛，田 靜

（西北電力設(shè)計(jì)院有限公司，陜西西安710075）

由我國(guó)設(shè)計(jì)并總承包建設(shè)的印度尼西亞某發(fā)電廠(chǎng)工程其廠(chǎng)址區(qū)雷暴活動(dòng)強(qiáng)烈，土壤電阻率較高，電廠(chǎng)一期運(yùn)行一年多里因雷擊造成一次停機(jī)，多次全廠(chǎng)DCS通訊中斷，雷暴活動(dòng)對(duì)電廠(chǎng)的正常運(yùn)行產(chǎn)生了極大破壞。在二期工程的建設(shè)中，需要針對(duì)強(qiáng)雷暴活動(dòng)情況進(jìn)行精細(xì)設(shè)計(jì)，以提高機(jī)組運(yùn)行安全性。本文根據(jù)電廠(chǎng)廠(chǎng)區(qū)環(huán)境、氣象以及地址條件，對(duì)全廠(chǎng)防雷接地進(jìn)行深入分析，得出符合本工程實(shí)際需求的防雷接地設(shè)計(jì)方案。

1 工程概況

本工程廠(chǎng)址地處印度尼西亞南蘇門(mén)達(dá)臘省，坐落在S.Lematang河上游。電廠(chǎng)廠(chǎng)址位于煤礦區(qū)域范圍邊緣，地處次生林和灌木林區(qū)，地勢(shì)開(kāi)闊，屬起伏的丘陵地帶，系河岸低地，原場(chǎng)地標(biāo)高為18 m～40 m之間。

根據(jù)基本氣象要素統(tǒng)計(jì)，廠(chǎng)址區(qū)實(shí)際平均雷暴日數(shù)達(dá)90 day，屬于雷暴活動(dòng)強(qiáng)烈區(qū)域。平均土壤電阻率達(dá)到409.51Ω·m，不利于雷電散流。

2 接地材料選擇

本工程主接地網(wǎng)的水平接地體擬采用-80 mm×8 mm熱鍍鋅扁鋼，垂直接地體擬采用φ50 mm×4.5 mm，2.5 m長(zhǎng)鍍鋅鋼管。按下式對(duì)所選鍍鋅鋼接地體截面進(jìn)行校驗(yàn)［1］：

按照15年壽命考慮，鋼材腐蝕厚度為：0.43 mm×15年=6.45 mm。

采用-80 mm×8 mm的鍍鋅扁鋼，截面480 mm2，大于最小截面要求的303 mm2。鋼材的點(diǎn)腐蝕厚度15年為6.45 mm，-80 mm×8 mm規(guī)格滿(mǎn)足要求。

根據(jù)以上計(jì)算，本期工程可采用-80×8 mm的鍍鋅扁鋼作為水平接地體。

3 雷電破壞分析

本工程雷暴活動(dòng)強(qiáng)烈，雷電對(duì)電氣、電子設(shè)備的破壞有如下途徑：

（1）直擊雷

建（構(gòu)）筑物或者外部防雷裝置等被閃電直接擊中稱(chēng)為直擊雷。直擊雷蘊(yùn)含極大的能量，電壓峰值可達(dá)5 000 k V，會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的電效應(yīng)、熱效應(yīng)和機(jī)械力，具有極大的破壞力。

配電裝置、主廠(chǎng)房以及高聳建構(gòu)筑物容易遭受直擊雷的破壞。本工程的雷暴活動(dòng)強(qiáng)烈，輔助廠(chǎng)房區(qū)域的防雷接地也應(yīng)加強(qiáng)考慮。

（2）雷電反擊

雷電流流經(jīng)引下線(xiàn)和接地裝置入地時(shí)，在引下線(xiàn)阻抗和接地裝置阻抗上存在電壓降，其產(chǎn)生的高電位對(duì)附近的金屬物、電氣和電子系統(tǒng)線(xiàn)路可能產(chǎn)生反擊，稱(chēng)為雷電反擊。

配電裝置的構(gòu)架、煙囪等高聳建（構(gòu)）筑物上的避雷針、避雷線(xiàn)向主接地網(wǎng)引流時(shí)，如果散流情況不好，則會(huì)反擊附近的設(shè)備。

（3）感應(yīng)雷

感應(yīng)雷指雷云放電在附近的導(dǎo)體上產(chǎn)生閃電靜電感應(yīng)和閃電電磁感應(yīng)。

在發(fā)電廠(chǎng)內(nèi)為防止靜電對(duì)易燃油、天然氣貯罐和管道等的危險(xiǎn)作用，通常要采用金屬線(xiàn)將管道、貯罐等跨接后可靠接地。

（4）電涌侵入

閃電擊于防雷裝置或線(xiàn)路上，以及由于閃電靜電感應(yīng)或雷擊電磁脈沖，會(huì)產(chǎn)生過(guò)電壓、過(guò)電流的瞬態(tài)波，稱(chēng)為閃電電涌。電涌可通過(guò)室外電源線(xiàn)路和通信線(xiàn)路傳至建筑物內(nèi)，損壞電氣設(shè)備。

DCS這類(lèi)的弱電系統(tǒng)在雷暴活動(dòng)后產(chǎn)生的卡件損壞就是雷電電涌造成的。

本工程防雷接地的任務(wù)就是針對(duì)上述的雷電現(xiàn)象，采用有力的措施防止破壞，以保護(hù)人身和設(shè)備安全。

4 防雷接地措施

4.1 防直擊雷措施

通常采用避雷針和避雷線(xiàn)進(jìn)行直擊雷防護(hù)。避雷針、線(xiàn)將雷電引向自身，通過(guò)引下線(xiàn)將雷電流引入大地，從而保護(hù)電氣設(shè)備免遭雷擊。

本工程擬在主廠(chǎng)房A排柱及配電裝置設(shè)置避雷針來(lái)保護(hù)A排外及配電裝置電氣設(shè)備。在貯油庫(kù)、制氫站、化水等區(qū)域設(shè)置避雷針保護(hù)貯油罐、制氫設(shè)備、電氣設(shè)備以及各類(lèi)儀表。

在煙囪頂部設(shè)置避雷針。根據(jù)GB 50057-2010《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》，高于60 m的建筑物應(yīng)防側(cè)擊雷。為防止側(cè)擊雷害，煙囪筒身設(shè)置多處環(huán)狀均壓避雷帶［2］。

考慮到本工程廠(chǎng)址區(qū)域的雷暴活動(dòng)強(qiáng)烈，對(duì)主廠(chǎng)房設(shè)置屋面避雷帶。對(duì)全廠(chǎng)輔助廠(chǎng)房，進(jìn)行建筑物年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)計(jì)算，對(duì)于超過(guò)限值的輔助廠(chǎng)房設(shè)置防直擊雷措施。

對(duì)煤倉(cāng)間、轉(zhuǎn)運(yùn)站、機(jī)力通風(fēng)冷卻塔等高聳建筑物設(shè)置避雷帶，多點(diǎn)引下至主接地網(wǎng)，并采取加強(qiáng)散流措施。

4.2 防雷電反擊措施

雷電反擊的原因是在引下線(xiàn)和接地裝置的阻抗上存在電壓降，所以應(yīng)采取減小接地阻抗的措施。

首先應(yīng)保證所有的電氣設(shè)備與主接地網(wǎng)可靠連接。對(duì)重要的電氣設(shè)備還應(yīng)加強(qiáng)散流，可增加接地極或采用集中接地裝置。故在A(yíng)排外區(qū)域及配電裝置中，通過(guò)增加主接地網(wǎng)網(wǎng)格密度和垂直接地極的密度來(lái)降低接地電阻［3］。

對(duì)避雷器每相設(shè)置專(zhuān)用的集中接地裝置，以加強(qiáng)散流。

針對(duì)本工程的高土壤電阻率，在配電裝置區(qū)域內(nèi)沿接地干線(xiàn)全長(zhǎng)，以接地干線(xiàn)為中心的φ500 mm區(qū)域內(nèi)土壤電阻率不大于60Ω.m，不滿(mǎn)足此要求的土應(yīng)置換為土壤電阻率不大于60Ω.m的回填細(xì)粘土。并在最終施工地坪表面覆蓋一層150 mm厚的土壤電阻率為3 000Ω.m的砂石層。

4.3 防感應(yīng)雷措施

感應(yīng)雷會(huì)產(chǎn)生靜電，可能使金屬部件之間產(chǎn)生火花放電，這對(duì)于易燃油、天然氣貯罐和管道非常危險(xiǎn)。為防止這樣的危險(xiǎn)，本工程應(yīng)采取防感應(yīng)雷措施，如在制氫站入口處適當(dāng)位置布置接地銅板用以卸放人體攜帶靜電，并應(yīng)與主接地網(wǎng)可靠連接，對(duì)管道應(yīng)間隔一定距離進(jìn)行跨接，易燃易爆貯罐應(yīng)設(shè)置環(huán)形接地體等。

4.4 防止電涌侵入措施

一方面應(yīng)防止電涌過(guò)電壓的產(chǎn)生；另一方面應(yīng)在電涌過(guò)電壓后消除或減少其有害效應(yīng)?？赏ㄟ^(guò)分流、接地、等電位聯(lián)結(jié)、屏蔽等方法防止電涌過(guò)電壓；可在電源以及信號(hào)線(xiàn)路上安裝過(guò)電壓保護(hù)設(shè)備，包括避雷器以及電涌保護(hù)器（簡(jiǎn)稱(chēng)SPD）。當(dāng)線(xiàn)路上出現(xiàn)這種過(guò)電壓后可以泄放雷電電涌能量和降低過(guò)電壓幅度。

（1）分流、接地

利用接閃裝置及引下線(xiàn)將雷電流泄入大地，利用接地網(wǎng)、集中接地裝置等可靠接地并加強(qiáng)散流。

（2）等電位連接

在主控室、保護(hù)室、敷設(shè)二次電纜的溝道、配電裝置的接地端子箱及保護(hù)用結(jié)合濾波器等處，敷設(shè)等電位接地網(wǎng)。在電子設(shè)備間下層的電纜室內(nèi)敷設(shè)專(zhuān)用銅纜，將該專(zhuān)用銅纜首末端連接，形成集中控制室內(nèi)的等電位接地網(wǎng)。在電子設(shè)備間里，將電氣盤(pán)柜接至等電位接地網(wǎng)。

DCS系統(tǒng)采用等電位邏輯接地，接地線(xiàn)匯流后與主接地網(wǎng)在某一點(diǎn)單點(diǎn)接地。電子設(shè)備間里的DCS設(shè)備的接地統(tǒng)一接至DCS接地箱（每臺(tái)機(jī)1面），接地箱與主接地網(wǎng)兩點(diǎn)連接。輔助廠(chǎng)房?jī)?nèi)DCS設(shè)備采用匯流導(dǎo)體聯(lián)通后單點(diǎn)接地。

（3）屏蔽

可將線(xiàn)纜穿金屬管屏蔽，或使用屏蔽線(xiàn)纜?；蚺浜辖ㄖ锏慕ㄔO(shè)使用金屬材料讓房間處于一個(gè)屏蔽籠內(nèi)。

（4）過(guò)電壓保護(hù)

發(fā)電機(jī)出口、主變進(jìn)線(xiàn)、起動(dòng)／備用變高壓側(cè)、配電裝置各出線(xiàn)均裝設(shè)避雷器以防止雷電侵入波對(duì)設(shè)備的損壞。

主廠(chǎng)房?jī)?nèi)中壓PC開(kāi)關(guān)柜裝設(shè)避雷器限制雷電過(guò)電壓。主廠(chǎng)房?jī)?nèi)中壓（10 k V或6 k V）配電室屬于LPZ1區(qū)，一般中壓采用真空斷路器保護(hù)，設(shè)置有避雷器或過(guò)電壓保護(hù)器作為真空斷路器的操作過(guò)電壓的保護(hù)，而且在中壓母線(xiàn)和進(jìn)線(xiàn)側(cè)設(shè)置有避雷器［1］。

對(duì)全廠(chǎng)低壓PC開(kāi)關(guān)柜母線(xiàn)上設(shè)置I級(jí)試驗(yàn)的電涌防護(hù)裝置，即開(kāi)關(guān)型電涌保護(hù)器（PC應(yīng)采用JLSPA25），MCC設(shè)置II級(jí)試驗(yàn)的電涌防護(hù)裝置，即限壓型（MCC可以采用JLSP-400／80／4P）。主廠(chǎng)房?jī)?nèi)低壓配電間屬于LPZ1或LPZ2區(qū)，一般低壓采用電纜進(jìn)線(xiàn)，避免了低壓側(cè)瞬態(tài)過(guò)電壓，根據(jù)GB16895.22-2004《建筑物電氣裝置》，低壓電源側(cè)可以采用不裝設(shè)SPD的方案。輔助廠(chǎng)房的電源均引自主廠(chǎng)房，采用鋼帶鎧裝電纜沿綜合管架電纜橋架或電纜溝電纜支架進(jìn)行敷設(shè)，電纜橋架和電纜支架沿線(xiàn)均采用電氣接地與全廠(chǎng)主接地網(wǎng)相連，保護(hù)和控制電纜均采用屏蔽電纜，故低壓電源側(cè)可以采用不裝設(shè)SPD的方案；但從本工程雷暴活動(dòng)強(qiáng)烈的實(shí)際情況考慮，裝設(shè)SPD可以有效防止直接雷擊或在建筑物鄰近處被雷擊引起的瞬態(tài)過(guò)電壓，故本工程對(duì)全廠(chǎng)低壓PC和MCC設(shè)置電涌防護(hù)裝置。

5 針對(duì)強(qiáng)雷暴活動(dòng)的特殊措施

對(duì)于向廠(chǎng)外供電的線(xiàn)路，例如至煤礦、水源地等的電源線(xiàn)路，當(dāng)采用架空線(xiàn)路時(shí)應(yīng)設(shè)置隔離變壓器。避免線(xiàn)路在遭受雷擊時(shí)可能引起的6 k V配電裝置跳閘或損壞，甚至引起機(jī)組停機(jī)的嚴(yán)重事故。

化水區(qū)域水箱液位計(jì)安裝位置高于各水箱，中和水池、生水蓄水池、生活水池等液位計(jì)位于戶(hù)外敞開(kāi)處較高位置，在雷暴中存在被直擊雷擊中的可能性，從而造成液位計(jì)損壞并導(dǎo)致化水DCS系統(tǒng)遠(yuǎn)程IO柜相應(yīng)卡件損壞。在化水區(qū)域設(shè)置避雷針，將各液位計(jì)納入避雷針保護(hù)范圍。

煙囪采用獨(dú)立的接地裝置，該接地裝置不應(yīng)與主接地網(wǎng)相連。引風(fēng)機(jī)接地引下線(xiàn)距煙囪獨(dú)立接地裝置的距離需滿(mǎn)足15米的地中距離要求，引風(fēng)機(jī)本體及外殼均可靠接地，并對(duì)引風(fēng)機(jī)電機(jī)設(shè)置集中接地裝置。

針對(duì)雷電電涌，對(duì)電廠(chǎng)低壓PC開(kāi)關(guān)柜母線(xiàn)上設(shè)置I級(jí)試驗(yàn)的電涌防護(hù)裝置，即開(kāi)關(guān)型浪涌保護(hù)器JLSP-A25，MCC設(shè)置II級(jí)試驗(yàn)的電涌防護(hù)裝置，即限壓型JLSP-400／80／4P。

6 結(jié) 論

本文以具體工程為出發(fā)點(diǎn)，闡述了強(qiáng)雷暴活動(dòng)地區(qū)發(fā)電廠(chǎng)的防雷接地設(shè)計(jì)要點(diǎn)。首先應(yīng)選取合適的接地材料。同時(shí)采用避雷針、避雷帶防止直擊雷破壞；采取可靠接地、加強(qiáng)散流措施防止反擊雷和感應(yīng)雷；采取等電位連接、屏蔽、裝設(shè)避雷器、裝設(shè)電涌保護(hù)器等防止電泳侵入。通過(guò)上述技術(shù)手段，可以有力地抵抗強(qiáng)烈雷暴活動(dòng)，保障電廠(chǎng)運(yùn)行安全。

［1］GB50065-2011.交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范 ［S］.北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2011.

［2］GB 50057-2010.建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2011.

［3］謝偉民.變電站電氣接地技術(shù)分析［J］.中國(guó)高新技術(shù)企業(yè)，2010，（3）：31-32.

［4］GB 16895.22-2004.建筑物電氣裝置 ［S］.北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2011.