关河水电站防雷保护与接地设计简述

王 峥

（山西省水利水电勘测设计研究院，山西 太原 030024）

1 工程概况

关河水电站是关河水库的重要组成部分，该电站位于浊漳河的支流上，水电站属坝后式，座落于关河水库坝后右山侧，装机容量3×700 kW，最高年发电量535万kW·h。工程任务是充分利用水库的放水量及蓄水水头，更新机组，提高发电量和年利用小时数。

众所周知，水力发电厂大都依山傍水，处于雷击频繁的环境，雷击严重威胁着发电厂设备的安全运行。为达到“整体防护、综合治理、层层设防”的防范原则，下面结合配电设备的雷击损坏机理，就防雷技术进行简要阐述。

2 防雷保护

由于关河水电站建成近50年，电站防雷设备（避雷带、避雷针）锈蚀非常严重，大多外露钢材锈蚀厚度达到2 mm，在发生直击雷时很难保证真正起到避雷作用。因此要对主、副厂房屋顶避雷带进行重新敷设，避雷带采用直径8 mm的钢筋，引下后敷设人工接地极，并对35 kV变电站避雷针进行更换。根据规范要求，防雷接地电阻不大于10 Ω。

小型水电站电力设备的绝缘水平主要由大气电压即雷电过电压决定。

2.1 直击雷过电压保护设计

直击雷保护可采用避雷针或避雷线保护。水电站的室外配电装置包括组合导线和母线廊道、砖木结构的主厂房和屋内配电装置、大型变压器修理间等建筑物及需要保护的其他设施。

设计时，首先应确定避雷针的大致位置。充分利用山区地形条件，将避雷针布置在35 kV变电站旁的高台上，距离道路不小于3 m，与建筑物接地部分的空中距离不小于5 m。其次要估算避雷针在保护物高度9 m水平面处的保护半径为30 m。最后是计算避雷针的高度。根据计算及相关经验可知，应在高程964.7 m，距离道路不小于3 m，与建筑物接地部分的空中距离不小于5 m的高台上装设一支高度26.5 m的避雷针。

由于主副厂房、户外厂用变压器、户外主变压器、屋外架空导线等均在该避雷针的保护范围内，因此装设单支避雷针即可满足要求。

2.2 雷电侵入波过电压保护设计

2.2.1 避雷器的选择

避雷器可分为管型避雷器和阀型避雷器两大类。管型避雷器伏秒特性较陡，不易与变压器或电机等具有平缓伏秒特性的电气设备相配合。同时，由于管型避雷器动作后，会造成变压器或电机绕组的匝间甚至相间击穿，因此管型避雷器适合安装在线路的绝缘薄弱处或发、变电站的进出线段上，用以保护线路的绝缘或限制进入发电站、变电所的雷电侵入波的幅值。发电站和变电所的变压器及电气设备需用阀型避雷器，阀型避雷器的伏秒特性比较平缓。

2.2.2 进线段保护

进线段保护主要是使雷不直接击在导线上，且利用进线段本身阻抗来限制雷电流幅值，利用导线的电晕衰耗来降低雷电波陡度。全线无避雷线的35～110 kV架空送电线路，在变电所进线段1～2 km长度内进行直击雷保护。

2.2.3 旋转电机保护

发电机绝缘水平较低，且其绝缘容易老化，通常采用磁吹阀型避雷器。其残压以通过3 kA冲击电流为依据。冲击系数1～1.2。为防止发电机匝间绝缘的损坏，必须将雷电侵入波的陡度限制在5 kV/μs以下，同时降低避雷器残压与发电机上电压的差值。

2.2.4 其他配电装置的保护

其他配电装置的阀型避雷器一般都连接在母线上，分段母线的每段都应装设阀型避雷器。该组阀型避雷器与被保护的电气设备的电气距离不能超过一定数值。如果超过允许值，则应适当增设避雷器，以使配电装置的全部电气设备得到保护。阀型避雷器应以最短的接地线连接到配电装置的总接地网上。

3 接地装置设计

3.1 接地装置特点

一是水电站建在山区河流的峡谷地区，位于坚固的岩石基础上。接地一方面要受地形的限制，另一方面由于地电阻率极高，应充分利用自然接地体，必要时可采用水下接地网、深埋接地体等方法。二是水工建筑物和电力设备的布置范围较广，接地范围及接地计算难度较大。三是水工建筑物和机电设备经常是分期施工安装，需根据接地短路电流的大小，分别验算发电初期和全部建成投产后接地电阻的允许值。四是水电站有较多的自然接地体可以利用，如与水或潮湿土壤接触的钢筋混凝土、金属门槽、拦污栅等，将这些接地体与人工接地体连成良好的电路整体，可有效降低接地电阻。五是水电站有可利用的低电阻水源，用来敷设水下接地网。

3.2 人工接地体的工频接地电阻

垂直接地体的接地电阻Rc可用下式计算：

式中：Rc——垂直接地体的接地电阻，Ω；

ρ——土壤电阻率，Ω·m；

l——垂直接地体长度，m；

d——接地体直径，m。

不同形状水平接地体的接地电阻Rp可用下式计算：

式中：Rp——水平接地体的接地电阻，Ω；

hp——水平接地体的埋设深度，m；

l——水平接地体长度，m；

d——水平接地体的直径或等值直径，m；

A——水平接地体的形状系数。

3.3 充分利用自然接地体做接地线

水电站主厂房机组间设沉下缝。沉下缝将钢筋混凝土分成几个独立部分，应在屋顶、发电机层和水轮机层的上下游各用“U”型扁钢将断开的钢筋焊接起来。

厂房排架和厂房水下混凝土中的钢筋应敷设补充的接地带，将排架中的钢筋与水下混凝土中的钢筋和其他金属结构相连。厂房尾水管的底板如有锚固用的插筋，应敷设补充的接地带，把这些插筋连接起来，并与水下混凝土中的钢筋和金属结构物相连。

利用钢筋混凝土引水管中的钢筋连接坝前水下接地网时，应选择不少于2根钢筋焊接成通路。利用电缆金属外皮作接地线时，至少要2根，若只有1根，可平行电缆敷设1根扁钢作为辅助接地线，该辅助接地线一端与接地网相连，另一端与设备外壳焊接。

4 建议

由于防雷接地工程涉及到实际操作人员的安全问题，因此其施工至关重要。在关河水电站施工过程中，施工人员错误地将防雷网的引下线直接接到工作接地网上，经过接地网再到接地极，很容易把雷电引到室内的高压柜及一些带电的设备，危害正在操作的工作人员。为此建议，条件允许的地方，可把工作接地与防雷接地分开。如条件不允许，可增加一些防雷措施，把防雷引下线引到接地极。