水力發(fā)電站智慧防雷措施與檢測(cè)

李三雁，楊昊東，鄧 勇

(四川大學(xué)錦城學(xué)院，四川 成都 611731)

0 引 言

雷擊及雷電是自然界大氣中超長(zhǎng)的放電過(guò)程，產(chǎn)生一種強(qiáng)烈光電混合現(xiàn)象，具有強(qiáng)大的電流和超高溫度，伴隨著強(qiáng)大的沖擊波、強(qiáng)烈的電磁輻射以及感應(yīng)電流瞬間聚積產(chǎn)生巨大的破壞力，嚴(yán)重威脅社會(huì)公共安全和人民生命財(cái)產(chǎn)安全[1]。

我國(guó)多數(shù)水力發(fā)電站都建設(shè)在高山峽谷型河流上，地勢(shì)險(xiǎn)峻、水流湍急，水力發(fā)電站儲(chǔ)水大壩的潮濕氣候在冷熱氣流交換過(guò)程中冷空氣下降，熱空氣上升，這就使得水力發(fā)電站成了雷云形成的高發(fā)地帶，使大壩體、閘門口、大堤、中央控制室、輸水管、發(fā)電機(jī)、水輪機(jī)等所有這些建筑物和設(shè)備容易受到雷擊破壞，給水力發(fā)電站及庫(kù)區(qū)造成重大的安全隱患和經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失[2-3]。

為保證水力發(fā)電站安全運(yùn)行，應(yīng)做到預(yù)防為主，進(jìn)行合理可靠的科學(xué)技術(shù)防范，本文提出水力發(fā)電站的智慧防雷措施與檢測(cè)。

1 雷電防護(hù)檢測(cè)一般原則和常用方法

1.1 水力發(fā)電站防雷重點(diǎn)檢測(cè)部位

水力發(fā)電站建筑物內(nèi)部防雷系統(tǒng)環(huán)境比較復(fù)雜，在實(shí)際工程建筑物內(nèi)的防雷布局和設(shè)施可能發(fā)生多項(xiàng)破壞，有些隱蔽工程不易發(fā)現(xiàn)（如大壩、發(fā)電設(shè)備、廠房等），如圖1所示。重點(diǎn)部位防止雷電破壞，首先要保證重點(diǎn)部位有效接地電阻、波動(dòng)電磁符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)對(duì)物體、機(jī)房等多處避雷針設(shè)計(jì)要高于大壩、發(fā)電設(shè)備，使雷電從被保護(hù)物體轉(zhuǎn)移到地面[4-5]。

圖1 大壩檢測(cè)示意圖

1.2 防雷檢測(cè)的主要檢測(cè)參數(shù)

建筑體防雷檢測(cè)，必須嚴(yán)格按照國(guó)家和地方相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范執(zhí)行。我國(guó)現(xiàn)行建筑物防雷檢測(cè)執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)是GB /T 21431－2015《建筑物防雷裝置檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》[6]和GB/T 32938-2016《防雷裝置檢測(cè)服務(wù)規(guī)范》[7]等。根據(jù)其要求，建筑物防雷裝置的主要檢測(cè)參數(shù)如表1所示。具體的檢測(cè)參數(shù)，需考慮設(shè)計(jì)文件、首次檢測(cè)或定期檢測(cè)等綜合因素來(lái)確定。

1.3 電位降壓法用于接地點(diǎn)位測(cè)試

在防護(hù)水力發(fā)電站雷電破壞過(guò)程中，首先要定期檢測(cè)測(cè)試機(jī)組、大壩體接地零線是否獨(dú)立接到零線上，決不能斷線。為阻止雷擊頻率可多移動(dòng)，重復(fù)將零線接地。做到庫(kù)區(qū)發(fā)電系統(tǒng)智能大數(shù)據(jù)全面跟蹤，了解掌握庫(kù)區(qū)發(fā)電系統(tǒng)雷暴出現(xiàn)高發(fā)期和接地零線的電位差。利用歐姆定律，一般多采用電位降壓法，測(cè)試電流與接地極和電位極間的電位差Ug，如圖2 所示。

表1 建筑物防雷裝置的主要檢測(cè)參數(shù)

圖2 接地點(diǎn)位測(cè)試

將接地導(dǎo)體接入地極瞬間，使電位差達(dá)到零電位差和用歐姆定律兩端的電位差Ug來(lái)檢測(cè)防雷基本原則，同時(shí)對(duì)接地電阻波動(dòng)電磁要做評(píng)價(jià)，即R≤10 Ω。

1.4 利用電磁屏蔽法檢測(cè)水利發(fā)電站安全性

屏蔽是減少雷擊、雷電破壞的重要環(huán)節(jié)，根據(jù)不同的季節(jié)、地段采用不同防雷措施，用電磁兼容屏蔽雷電破壞。

發(fā)電設(shè)備、電子設(shè)備、建筑物中的鋼筋和鋼架等都是電擊要點(diǎn)。首先要接地導(dǎo)電，同時(shí)可采用無(wú)金屬結(jié)構(gòu)的建筑物，如磷混合物對(duì)電磁波有一定的屏蔽作用（約9.5 dB）。重要部位要進(jìn)行圍格式、架空式屏蔽，在建筑物周圍用避雷針和鋼筋混凝土物體進(jìn)行屏蔽，使接地點(diǎn)導(dǎo)路通暢。

一般建筑物的鋼架和鋼筋屬開(kāi)放性屏蔽結(jié)構(gòu)，而專用屏蔽室如重要控制室和高電壓機(jī)房等一般呈非開(kāi)放性屏蔽，都采用厚2～3 mm實(shí)體鋼板構(gòu)成，兩種屏蔽效果測(cè)量基本原理相同，檢測(cè)、測(cè)試操作有區(qū)別。

無(wú)金屬結(jié)構(gòu)的建筑物，電磁波屏蔽功能應(yīng)在9.5 dB?？尚纬杉芸战娱W網(wǎng)進(jìn)行雷擊接地，架空網(wǎng)的距離x=30 m，如圖3所示。平面地網(wǎng)的使用一般在水庫(kù)大壩的建筑物中使用，做到壩體自行引電防雷，如圖4所示。防雷電除了防直擊雷外，還應(yīng)該防止感應(yīng)雷產(chǎn)生電磁感應(yīng)和靜電感應(yīng)，參考GB50343-2012《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》[8]。

圖3 防雷電架空接地線纜網(wǎng)示意圖

圖4 平面接地網(wǎng)布局設(shè)計(jì)

2 水力發(fā)電站庫(kù)區(qū)防雷布局設(shè)計(jì)要求

要建立水力發(fā)電站智能安全防雷布局，監(jiān)控管理各子系統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)正常運(yùn)行，如圖5所示。

圖5 防雷布局組織圖

對(duì)防雷監(jiān)控系統(tǒng)要定期檢查，特別以上6個(gè)重點(diǎn)布防部位要對(duì)功能、信息、環(huán)境條件進(jìn)行排查。遠(yuǎn)程多點(diǎn)數(shù)據(jù)采集、傳遞，做到智能化系統(tǒng)防雷電入侵措施。當(dāng)線路采用地埋電纜引入時(shí)將電纜金屬外皮與接地裝置相連；采用架空電纜直接引入時(shí)應(yīng)在入口處設(shè)置SPD電涌保護(hù)裝置，將電纜剝皮與接地裝置接上[9]。

3 防雷具體措施

3.1 發(fā)電系統(tǒng)

發(fā)電機(jī)房、水輪機(jī)及系統(tǒng)電力部分、中央控制室電線和電纜盡量用鋼管地埋方式敷沒(méi)在相聚25 m左右增加接地電極。接地材料一般采用1.5 m長(zhǎng)、1～3 cm寬的鍍鋅鋼管，半端形成鈍角，入地一段要進(jìn)行防腐處理。如果管線的接地電阻能夠滿足接地要求＜4 Ω，接地管線可以作為接地電極；如果電極接地電阻不能滿足要求，可以同時(shí)并連接地電極達(dá)到防雷要求[10-11]。

3.2 中央控制室

中央控制室應(yīng)做到系統(tǒng)防雷要求，中控室防雷主要指系統(tǒng)中控室線路防雷。防雷最好方法是在設(shè)備及線路上采用光電隔離模塊。根據(jù)要求選擇不同的光電隔離模塊，在中控室計(jì)算機(jī)接口采用485光電隔離模塊在無(wú)線與終端之間需要加高頻饋線防雷器將有效保護(hù)終端設(shè)備。中控室線路設(shè)計(jì)盡量采用光電布置、采用地埋式，這樣可以使中控室安全、暢通、可靠，減少雷擊對(duì)中控室的破壞和干擾。電源系統(tǒng)在安裝過(guò)程中應(yīng)有電源防雷箱，然后再將電源接到室內(nèi)電盤。在每個(gè)輸送電纜控制接口上都要安裝光電隔離模塊和避雷器。避雷器與避雷箱要求接在接地電極上，接地電極電阻要≤4 Ω。接地體應(yīng)在空地周圍50～100 m的地方，用銅包電極或者石墨電極圍繞防雷區(qū)可形成一字型接地體、接地極。

3.3 信號(hào)防雷

信號(hào)防雷在水力發(fā)電站尤為重要，并且比較廣泛，種類較多，有電信號(hào)、電壓信號(hào)、電阻信號(hào)、視頻信號(hào)、傳真信號(hào)等。根據(jù)不同的設(shè)備原理，造取不同的避雷器，用各種傳感器在防雷區(qū)域通過(guò)信號(hào)線將傳感器收集的信號(hào)及時(shí)收集到數(shù)據(jù)庫(kù)中，通過(guò)大數(shù)據(jù)分析，采取相應(yīng)的措施在信號(hào)輸送過(guò)程中增加信號(hào)避雷裝置，以保護(hù)信號(hào)單元防雷電，提高系統(tǒng)的可靠性和安全性，達(dá)到防雷電的效果。

3.4 水庫(kù)大壩

水庫(kù)大壩防雷系統(tǒng)，應(yīng)在內(nèi)部進(jìn)行滲流測(cè)試，根據(jù)大壩情況進(jìn)行多處設(shè)制DAU數(shù)據(jù)采集單元、多個(gè)水位傳感裝置，在庫(kù)區(qū)全部布置地埋鍍鋅鋼管系統(tǒng)，在線路的沿線每隔30～50 m左右設(shè)有接地機(jī)構(gòu)，以提高防雷系統(tǒng)的接地效果。布線全部采用RVVSP信號(hào)電纜，要有抗干擾特性；水位傳感系統(tǒng)應(yīng)配S24信號(hào)避雷裝置。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)DAV端接處要有MTA-20多信號(hào)避雷裝置系統(tǒng)與中心控制室采用地埋光纜通訊設(shè)備與計(jì)算機(jī)通過(guò)MOXA帶有多串口卡連接，以便系統(tǒng)電源信號(hào)、布線上都能做到防雷要求。

3.5 避雷針與鐵塔

在水力發(fā)電站防雷就需要建立相應(yīng)保護(hù)設(shè)備和多個(gè)防直擊雷的避雷針與鐵塔。假如避雷針處在建筑物為等腰三角形的頂點(diǎn)上，這時(shí)避雷針高度高應(yīng)滿足避雷高度 覆蓋鐵塔布局。求出避雷針高度滿足鐵塔防雷高度，在實(shí)際制作下避雷針可以略加高于 1～1.5 m。

3.6 電源設(shè)計(jì)防雷

在系統(tǒng)電源中一般從機(jī)庫(kù)到中控室引入電源線應(yīng)盡量采用穿線鋼管地埋法沒(méi)埋，并在相距25 m左右增加地極點(diǎn)。接地地級(jí)一般采用1.5 m，1.5～2.5 cm鍍鋅離板和鍍鋅鋼管與管線焊接在一起。焊點(diǎn)處要做防腐處理，防止腐蝕脫落，保證導(dǎo)雷電效果，在電源的接入處應(yīng)接電源避雷箱，電源回路的接地電阻應(yīng)＜4 Ω，同時(shí)管線可以作為接地電極。如果管線的接地電阻不能滿足要求，就需要在管線上多焊接接地體與避雷箱連接?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備電源也要接入電源避雷設(shè)備，接地接在鋼管口，這樣電源的兩端都到達(dá)了防雷裝置的要求，有利于保護(hù)設(shè)備建筑物體。

4 結(jié)束語(yǔ)

水力發(fā)電站防雷智慧措施檢測(cè)是一項(xiàng)復(fù)雜工程，維護(hù)工作必須根據(jù)設(shè)備、物體的設(shè)計(jì)要求及實(shí)際所處的地理環(huán)境對(duì)水力發(fā)電站所有部位進(jìn)行定期與不定期測(cè)量接地電阻，保障防雷設(shè)施完好無(wú)損，確保雷電不會(huì)給水力發(fā)電站帶來(lái)雷電災(zāi)害，做到設(shè)備建筑物的零損失；同時(shí)在電站設(shè)計(jì)初期就必須要重視系統(tǒng)防雷電措施設(shè)計(jì)，做好大壩、中控室、電源、通信信號(hào)等建筑的防雷設(shè)計(jì)，避免系統(tǒng)二次改造造成損失。