水电站微机监控二次系统防雷改造

周红开

（浏阳市工务局 长沙市 410300）

张蓉辉 张 钰

（浏阳市株树桥水库管理局 长沙市 410102）

1 概况

浏阳市株树桥水电站装机容量为3台8 000 kW机组，发电机出口电压等级为6.3 kV，主变为三相三线圈变压器，电压等级分别为6 kV、35 kV、110 kV，电站通过15 km 110 kV输电线路并入大电网，厂用变出线三回，供枢纽工程、生活区等用电。本电站地处湘东山区，山高林密，年平均雷暴日均在45天以上，最多年份达70余天，属典型多雷区，雷电给当地社会经济带来巨大危害和损失。株树桥水电站的高压输电线路绝大部分穿越山区，电站遭受雷击的情况多有发生，电站运行中曾多次发生雷击损坏设备事故，特别进行微机综合自动化监控改造后，雷电引起的过电压使二次设备损坏机率增加，二次设备的维护和修理费用增加，严重影响主设备的运行，造成发电量减少。更为严重的是二次设备的损坏可能造成发电机、变压器保护失灵，发生主设备事故，造成巨大经济损失。

2 雷击事故情况

株树桥水电站于2001年12月完成第一期1#发电机组及公用LCU系统计算机监控改造，2003年12月完成第二期2#、3#发电机组LCU系统计算机监控改造。改造时，对二次设备的防过电压措施考虑不周，除公用LCU和1#机LCU中输入输出有隔离设备外，其它部分均无过电压保护，雷击引起的过电压会对综合自动化设备产生严重干扰，它会导致计算或逻辑错误、通讯中断、甚至造成元件损坏。电站先后多次因雷击造成二次设备损坏事故，具体如下：

（1）厂用电的电压变送器损坏。输入AC（0～120）V，输出 （4～20）mA模拟量到 PLC， 精确级0.5%工作电源AC220 V，损坏后无输出。

（2）2#发电机组转速继电器的测量板损坏，工作电源是AC220V，接于EUPS回路中。

（3）调速器压力变送器：JZ-160-A，工作电源DC220 V，输出（4～20）mA模拟量到PLC，烧坏直流电源板。

（4）EUPS逆变控制板损坏。

（5）直接接于厂用电400 V的2#机励磁调节器电源回路损坏。

（6）公用PLC模拟量模块损坏，接有电压变送器输出的（4～20）mA 模拟量。

这些设备的损坏严重威胁着水电站的安全运行，特别是2010年因雷击产生过电压造成发电机励磁电源板损坏，造成1#、2#发电机组各停运4天的事故，造成较大的经济损失。以上事故均是在雷雨天气下发生的，且是在雷击最猛然时段出现的，由此可确定引发事故的主要原因是雷击。

3 问题分析

雷击对设备的造成损害的形式主要有三种：即直击雷、雷电反击和感应雷电过电压。电站厂房内设备均在2根独立避雷针的配合保护范围之内，经测量各避雷针的接地阻值均在10 Ω以下，电厂内电气设备接地点与避雷针引下线接接点的距离18 m，符合规程规范。110 kV和35 kV输电线路均按规范要求装设了避雷线，避雷线接地符合规范要求。变压器各侧、6.3 kV母线侧及厂用电母线均按规范装设了避雷器，接地符合规程规范要求。采取上述措施后基本上可以排除设备损坏是受直击雷和雷电反击引起的事故，感应雷电过电压是造成事故的主要原因。

雷电波的侵入二次设备过程：雷电波通常是架空高压线路侵入6 kV母线，再经过6 kV厂用变压器高、低压绕组间的静电和电磁耦合，闯入低压出线，途中经过了母线避雷器和厂用变避雷器削峰，再经过厂用变低压侧出线的平波作用，电压幅值大为下降。但由于雷电波的电压、能量极高，且避雷器等设备技术上局限性，虽然绝大部分的雷电能量都能在到达设备之前得以消除，但雷电波仍可能以幅值相对很高，作用时间很短的低能量尖峰脉冲的形式，通过厂用变压器的低压出线，入侵到电站内所有的低压交、直流回路中。电站原有常规的电磁式测控保护装置的元器件多为单元件的电阻、电容和电感线圈等，耐热容量大，对尖峰脉冲的耐受能力也比较强，所以能安全度过低能量、高电压的冲击暂态过程。随着2001年计算机监控改造的进行，大量的自动化元件及微电子设备在株树桥电站采用，形成大规模集成电路，其运行电压只有几十伏，甚至数伏，微机综合自动化二次系统的耐过电压水平要比常规测控保护系统小的多，二次系统改造后的防雷设施不完善，雷电波入侵时就不一定能经受得住，这就是造成微机装置损坏的关键原因。株树桥水电站二次设备损害有如下方面原因：

（1）电站交流电源回路在雷击时产生的过电压。

电压变送器、转速继电器、励磁调节器等微机监控设备工作电源为交流220 V，雷电波的侵入时使得变压器、电压互感器的二次侧电压值瞬间大大升高，超过设备工作电源安全范围，损坏设备的电源回路。

（2）直流电源回路在雷击时产生的浪涌电压。

压力变送器、PLC工作电源回路等，均为直流220 V电源，直流电源回路在雷击时引起的浪涌电压超过安全值时，直流回路上所接设备有可能损坏。

4 解决措施

为了更好地保护二次回路免受雷电过电压的危害，对电站内的计算机监控二次设备回路防雷击措施，根据控制对象、电压传输、交直流电源等所有微电子设备的不同功能、不同受保护程度确定防护要点和保护方法，我们采用了如下防雷电过电压方案：

（1）在厂用变的低压侧母线段安装击穿电压510 V、放电电流20 kA氧化锌避雷器，避雷器在低压母线侧的雷电侵入波侵入到低压交流电源回路时可靠动作，并呈现低电阻，使低压母线回路中性点接近直接接地，从而降低低压交流电源过电压幅值，保护低压电源回路的安全，防止厂用电源对电压变送器、转速继电器、励磁调节器等微机监控设备的损坏。

（2）在直流充电屏输入交流电源处并联SPD-12Z防浪踊保护器，防止整流设备的损坏和防止直流电源的畸变。

（3）在3 kVA的EUPS输入直流电源处安装单相SPD浪涌保护器，防止雷击损害。

（4）在每块机组LCU屏的直流总电源处并联2.5 uF电容进行滤波。

（5）在刹车电磁阀等主要直流电磁线圈处反并一个MIC，IN5408二极管，防止操作时的反击过电压。

5 结语

上述措施在株树桥电站安装后，通过加强对各避雷设施的周期预防性试验和运行维护管理，保证各避雷设施的完好和正常运行，弥补了水电站二次系统的防过电压缺陷，到目前为止，取得良好的效果，因雷击和过电压造成设备损坏的故障率大大下降，降低了雷击对设备的损害程度和几率，从而对电站电力生产的正常进行起到了保障作用。