趙山渡水力發(fā)電廠閘壩防雷系統(tǒng)的改造與升級

趙山渡水力發(fā)電廠閘壩防雷系統(tǒng)的改造與升級

鄭峰

(浙江珊溪經(jīng)濟發(fā)展責任有限公司趙山渡水力發(fā)電廠，浙江 溫州325311)

摘要：針對原來趙山渡電廠大壩泄洪閘防雷系統(tǒng)的建筑物接地電阻值偏大、控制系統(tǒng)接地電阻值不符合要求以及各信號端口沒有完善的防雷擊電磁脈沖防護電涌保護器等諸多缺陷，通過外部防護、過渡防護、內(nèi)部防護等核心技術(shù)的綜合應(yīng)用，對大壩泄洪閘防雷系統(tǒng)進行改造與升級，運行結(jié)果證明，防雷系統(tǒng)通過改造與升級后，PLC電源模塊、閘門開度傳感器、水位計等一系列電子元件受雷擊次數(shù)明顯減少，從而提高了泄洪閘防雷系統(tǒng)的整體安全性能.

關(guān)鍵詞：水力發(fā)電廠；泄洪閘；大壩；防雷；趙山渡

中圖分類號：TV698文獻標志碼：A

收稿日期：2015-01-23

作者簡介：鄭峰(1976-)，男,浙江溫州人,工程師,從事水利水電運行管理.

Reconstruction and Upgrading of Lightning Protection System for

Gate Dam of Zhaoshandu Hydraulic Power Plant

Zheng-feng

(Zhaoshandu Hydro-electric Power Plant, Zhejiang Shanxi Economic Development Co., Ltd, Wenzhou 325311, China)

Abstract:According to the old lightning protection system, the flood discharge gate of Zhaoshandu Power Plant exists many problems: the grounding resistance value of the buildings is too large, the grounding resistance value of the control system can not meet the requirements, and the signal ports are not equipped perfect lightning protection electromagnetic pulse surge protector and many other defects. By the adoption of core technology, such as external protection, transition protection, and internal transition, the reconstruction and upgrading is conducted to improve the lightning protection system of the dam sluice, effectively solving the problems in the original design. Three years running results prove that, after the transformation and upgrade of the lightning protection system, the lightning stroke frequency of PLC power supply module, gate opening degree sensor, water level gauge and a series of electronic components from lightning was significantly reduced, thereby improving the overall safety performance of lightning protection system in dam sluice, which provides technical reference for the same project.

Key words:hydraulic power plant; sluice; dam; lightning protection; Zhaoshandu

1工程概況

趙山渡電廠位于溫州瑞安市高樓鎮(zhèn)，距文成縣19 km，距瑞安市41 km.趙山渡引水樞紐水庫總庫容3 414萬m3，年供水總量7.3億m3，電站裝機容量20 MW.水庫大壩主要由右岸砼重力壩、右岸河床式電站廠房、泄洪閘、左岸砼重力壩以及高湖水電站等組成.其中共有16孔泄洪閘，采用弧形鋼閘門，由計算機多級控制液壓啟閉設(shè)備啟閉閘門.

趙山渡電廠地處浙西南山區(qū),境內(nèi)山地起伏,氣候四季分明,夏季多局地對流天氣,雷暴特多,7～8月發(fā)生幾率最高.年平均雷擊天數(shù)為79 d.根據(jù)地區(qū)雷暴日等級宜劃分為強雷區(qū).至下閘蓄水以來，泄洪閘PLC電源模塊、閘門開度傳感器、水位計等電子元件因雷擊，頻繁造成PLC電源模塊、

閘門開度傳感器、水位計等電子元器件的損壞.對于肩負飛云江流域防洪任務(wù)中的重要一環(huán)，每年夏季雷暴對泄洪閘的運行帶來嚴重的安全隱患.為了確保泄洪閘的安全運行，2011年決定對大壩進行防雷改造.

2問題描述

趙山渡電廠泄洪閘的防雷方面主要出現(xiàn)了以下幾個方面的問題.

(1)閘壩建筑物接地電阻值偏大

閘壩建筑物為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)建筑物，未安裝避雷帶及引下線，只在建筑物四角留有4個檢測點，從避雷檢測點測量接地電阻值遠遠大于規(guī)范要求[1]的10Ω.

(2)控制系統(tǒng)接地電阻值不符合要求

配電系統(tǒng)與閘門控制系統(tǒng)情況：配電室和閘門控制室均位于大壩中部，電源接地制式TN-S，但接地電阻未達規(guī)范標準要求[2]，中控室內(nèi)沒有接地匯流排和等電位處理.

(3)各信號端口沒有完善的防雷擊電磁脈沖防護電涌保護器

閘控現(xiàn)場內(nèi)共有閘門現(xiàn)地控制柜16臺、閘門集中控制系統(tǒng)柜3臺、配電柜與計量柜5臺，共24臺電柜，每扇閘門現(xiàn)地控制柜均外連32只閘門開度傳感器，閘門集中控制系統(tǒng)柜與閘門現(xiàn)地控制柜采用PROFIBUS通訊[3]，閘門集中控制系統(tǒng)柜與計算機控制中心采用以太網(wǎng)通訊，各個通訊都采用信號端口進行鏈接，但整個系統(tǒng)的信號端口沒有完善的防雷擊電磁脈沖防護電涌保護器.

3總體設(shè)計方案

根據(jù)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，因地制宜地采取防雷措施，總體方案由三部分組成(見圖1).

圖1　總體方案圖

由圖可知，第一部分為外部防護，由接閃器、引下線、接地體組成，主要是利用避雷針、避雷帶和避雷網(wǎng)等將雷電流沿引下線安全地流入大地，防止雷電直接擊在建筑物和設(shè)備上.第二部分是過渡防護，由合理的設(shè)置防雷器、屏蔽、接地、布線組成，可減少入侵引入的感應(yīng)雷電流.第三部分內(nèi)部防護，由均壓等電位連接和過電壓保護組成，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核心技術(shù)

4.1外部防護技術(shù)

(1)接閃器

在閘壩屋頂安裝避雷帶沿屋角、屋背、屋檐和檐角等易受雷擊的部位敷設(shè),采用Φ12 mm鍍鋅圓鋼材料，避雷帶每間隔1 m安裝長150 mmΦ12 mm鍍鋅支架，支架頂與避雷帶焊接，避雷帶表面重新涂裝銀漿作防腐處理.

(2)接地

在建筑物外沿四周明裝14條引下線，引下線采用Φ12 mm鍍鋅圓鋼，支架與墻面固定，引下線上套Φ25 PVC管做絕緣防護，防止人身接觸和損壞.每條引下線采用40 mm×4 mm扁鋼與人工接地體連接，加裝1組(每組2塊)CPD2000接地極,與扁鋼做可靠連接，接地極水平橫向成一字形擺放.在建筑物外做人工接地體，根據(jù)周圍環(huán)境，在室外，挖深度為1.4 m，長度為4 m正方形的坑.將40 mm×4 mm鍍鋅鋼排用電焊做成網(wǎng)狀，置于坑中，并在溝底將1.5 m長、25 mm的16根鍍鋅圓鋼垂直打入地下，且與接地網(wǎng)焊接，在坑底用5～10 cm左右墊物墊平、澆水將坑底土壤濕潤，同時，在接地溝邊置一灰斗，將降阻劑干粉倒于其中，澆水(水必須澆透)并攪拌均勻，然后將攪拌成糊狀降阻劑均勻連續(xù)地澆灌在接地體周圍，待降阻劑凝固后先將好的土壤覆蓋接地體，然后再加添原土夯實，用40 mm×4 mm雙層熱鍍鋅扁鋼在地下互相焊接并引出地面，作為接地裝置；用40 mm×4 mm扁鋼排與等電位均壓環(huán)相連.

4.2過渡防護技術(shù)

4.2.1電源系統(tǒng)浪涌保護設(shè)計

電子信息系統(tǒng)設(shè)備由TN交流配電系統(tǒng)供電時，配電線路采用TN-S系統(tǒng)的接地方式.電子信息系統(tǒng)設(shè)備配電線路浪涌保護器的設(shè)計(見圖2).

圖2　電源系統(tǒng)浪涌保護設(shè)計圖

由圖2可知，電源系統(tǒng)浪涌保護器的布置原則[5].在LPZ0和LPZ1、LPZ1和LPZ2、LPZ2和LPZ3各區(qū)之間的交界處相應(yīng)安裝電源浪涌保護器，通過多級鉗位，目的是使殘壓逐步降低，以有效地抑制外來雷電波入侵和雷電電磁脈沖的危害.根據(jù)防雷技術(shù)規(guī)范，在廠區(qū)配電柜處并聯(lián)安裝CPM-R100T浪涌保護器，進行電源防雷保護.電源SPD引線截面積：電源第一級SPD的連接相線銅導線截面積16 mm2.電源SPD接地連接線截面積及連接位置：電源第一級SPD的接地端連接銅導線截面積25 mm2，銅質(zhì)絕緣導線與等電位帶進行可靠電氣連接.用于電源線路的浪涌保護器標稱放電電流參數(shù)值需要進行嚴格整定，整定值參(見表1).

表1　電源線路浪涌保護器標稱放電電流參數(shù)值

4.2.2閘壩監(jiān)控系統(tǒng)及水文測報系統(tǒng)防雷解決方案

趙山渡閘壩監(jiān)控系統(tǒng)及水文測報系統(tǒng)遭受雷電的影響有多方面的，既有直接雷擊，又有從電源線路、信號線路等侵入的雷電電磁脈沖，還有在建筑物附近落雷形成的電磁場感應(yīng)，以及接閃器接閃后由接地裝置引起的地電位反擊.在進行防雷設(shè)計時，不僅要考慮防直接雷擊，還要防雷電電磁脈沖、雷電電磁感應(yīng)和地電位反擊等，因此，必須進行綜合防護，才能達到預期的防雷效果.

(1)趙山渡閘壩內(nèi)的防雷設(shè)計

趙山渡閘壩內(nèi)的各種線路，在建筑物直擊雷非防護區(qū)(LPZ0A)或直擊雷防護區(qū)(LPZ0B)與第一防護區(qū)(LPZ1)交界處應(yīng)裝設(shè)線路適配的浪涌保護器.系統(tǒng)中央控制室內(nèi)基本采用S型星型結(jié)構(gòu)連接[6]，即工作室內(nèi)所有設(shè)備的金屬外殼、防靜電地板、信號地、PE線和SPD接地線、屏蔽金屬管和屏蔽線纜的金屬外護層均就近與等電位連接板進行了電氣連接.改造后的中央控制室內(nèi)的地網(wǎng)、廊道地網(wǎng)基本采用了共用接地系統(tǒng).邏輯信號接地極與防雷接地極通過等電位均壓環(huán)進行連接.接地干線采用截面不小于16 mm2的銅芯絕緣導線，并穿管敷設(shè)接至就近的等電位接地端子板.

(2)趙山渡閘門監(jiān)控設(shè)備信號端防雷

在廊道外直接引入SSI端口處安裝信號防雷器，串聯(lián)安裝在進入信號線路上，防止從信號線路進入閘控現(xiàn)地操作箱的浪涌.對閘門現(xiàn)地操作箱與集中控制柜PROFIBUS通訊總線上安裝信號防雷器[7]，串聯(lián)安裝在進入信號線路上，防止從信號線路進入集中控制柜的浪涌.集中控制柜與計算機集控中心以太網(wǎng)總線上安裝信號防雷器，串聯(lián)安裝在進入信號線路上，防止從信號線路進入計算機集控中心的浪涌.而監(jiān)控及信號控制線應(yīng)考慮采取兩端安裝防雷裝置，就近接接入地下環(huán)網(wǎng)，中控機房內(nèi)，對設(shè)備加裝SPD(浪涌保護器).

4.3內(nèi)部防護技術(shù)

(1)趙山渡閘壩內(nèi)沿廊道內(nèi)側(cè)做接地環(huán)網(wǎng)，放置CPD2000接地極18組.接地極水平橫向連于扁鋼，用焊接方式與40 mm×4 mm雙層熱鍍鋅扁鋼形成可靠電氣連接，放置完成后，選用低電阻率土壤回填并分層夯實.扁鋼引入配電柜內(nèi)，沿墻均勻分布安裝等電位聯(lián)結(jié)端子箱18個，用于以后擴容.

(2)趙山渡閘壩的配電柜位于廠房內(nèi)，環(huán)網(wǎng)扁鋼直接接入配電柜，在每個配電柜電源輸入端并聯(lián)安裝一組CPM-R100T浪涌保護器，采用BVRSS25 mm2與環(huán)網(wǎng)扁鋼做可靠連接.其中8號配電柜在廠房外單獨做接地處理，采用1組(每組6塊)CPD2000接地模塊,與40*4mm扁鋼做可靠連接，人工接地體距建筑物出入口或人行道不應(yīng)小于3 m[8].

5運行效果

趙山渡閘壩通過防雷改造后至今已近3年時間，從實際運行結(jié)果來看，閘壩各系統(tǒng)運行良好，防雷效果明顯，地阻測試符合規(guī)范要求，基本達到了預期的效果.特別是在改造前，經(jīng)常因雷擊使閘控系統(tǒng)及水文測報系統(tǒng)電子元器件的損壞，造成系統(tǒng)不能正常工作.在實施防雷改造后，閘壩閘控系統(tǒng)及水文測報系統(tǒng)未出現(xiàn)因雷擊造成系統(tǒng)重要電子元器件的損壞.2013年6月8日，閘壩變壓器遭直擊雷雷擊，雷電流強度很大，高壓線上三個高壓跌落保險跌落，一個跌落熔絲靜觸頭燒焦，兩個擊穿一個孔洞，閘壩主電源停電.在備用電源投入后，檢查閘壩各系統(tǒng)均工作正常，設(shè)備運行正常.這充分表明，這項綜合性的防雷改造是非常有效的，雷電防護設(shè)計方案值得同行學習借鑒.

6結(jié)語

雷電防護工作是一項系統(tǒng)工程，它包括防止直擊雷、防止和抑制雷電電磁脈沖干擾的各種傳輸形式造成的危害.除了安裝防直接雷擊的優(yōu)化避雷針、避雷帶和避雷網(wǎng)；又要在雷電感應(yīng)可能進入的通道，如：天饋線、信號線、電源線等一些關(guān)鍵部位安裝相應(yīng)可靠的、優(yōu)質(zhì)的浪涌保護器，將所有可能雷電入侵的渠道全部切斷泄放入地；同時，在每年雷雨季節(jié)前，必須對各設(shè)備的接地進行全面檢查和測試，檢查連接是否緊固、接觸是否良好、接地引下線是否銹蝕、接地體附近地面有無異常，接地電阻要滿足規(guī)范要求，必要時應(yīng)挖開地面抽查地下隱蔽部分銹蝕情況，如果發(fā)現(xiàn)問題，及時整改，確保防雷體系的完好.總之，趙山渡閘壩防雷改造之所以成功，主要依靠外部防護、過渡防護、內(nèi)部防護等技術(shù)的綜合應(yīng)用.同時，筆者將通過運行實踐，與國內(nèi)同行一起，繼續(xù)探索雷電防護技術(shù)及應(yīng)用.

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