鱼潭水电厂户外升压站防直击雷改造

赵天胜

(大唐华银张家界水电有限公司，湖南 张家界 427000)

鱼潭水电厂户外升压站防直击雷改造

Improvement of direct lightning flash protection for step-up substation in Yutan Hydropower Plant

赵天胜

(大唐华银张家界水电有限公司，湖南 张家界 427000)

鱼潭水电厂地处山区，户外升压站经常遭受雷击，有必要对其雷击故障进行分析，并提供解决方案。本文结合鱼潭水电厂的升压站设备布置、地形及土壤电阻率等进行分析，探讨升压站所的防雷措施与技术手段，并严格按规程规范进行整改，改造效果良好，确保了水电厂设备的安全运行。

雷击事故；避雷针 (线)；土壤电阻率；升压站

湖南省张家界、湘西和怀化等西南地区蕴含着丰富的水资源，水力发电具有很大发展潜力，但该地区以山区为主，地形地势复杂，雷电活动频繁。但该地区所属水电厂多属小型水电厂，在建设施工时防雷设计不规范，导致该地区许多水电厂投运后雷害严重，频繁引发机组因雷击造成的跳机事件，极大地影响了供电的可靠性。文中以张家界鱼潭水电厂为例，对其雷击故障原因进行分析，并进行了实际防雷改造。该厂实施升压站防雷改造后，机组因雷击导致的机组跳机事件再未发生。文中提供了一种山区水电厂防雷改造方案，可以为偏远山区水电站的雷电防护提供参考。

1 鱼潭水电厂概况

1.1 鱼潭电厂接线简介

鱼潭水电厂位于湖南省张家界市永定区温塘镇漆树湾村澧水中游干流U型峡谷中，于1997年7月投产发电，拦河大坝采用空腹中孔重力坝，正常蓄水位250 m，坝后左右岸采用地下厂房，装机总容量为70 MW，其中1—3号机组容量都为20 MW，4号机组容量为10 MW。鱼潭水电厂的一次接线图如图1所示。

图1 鱼潭水电厂一次接线图

1，2号机组与1号主变组成扩大单元接线，3号机组与2号主变组成单元接线，4号机组与3号主变组成单元接线。发电机组母线电压为10 kV，10 kV升压至110 kV后采用单母线接线，再通过2回110 kV架空线路与系统相连。由于地形限制，1，2号和4号主变间隔及110 kV开关站室内布置，3号主变间隔户外布置。

1.2 升压站防直击雷配置简介

渔潭电厂地处山区，雷电活动强烈。3号主变升压间隔为户外升压站，该户外升压站处在一处山体边坡下面，极易引发雷击事故。为防止直击雷侵袭，3号主变间隔高压侧构架上装设1根避雷针，具体布置情况如图2所示。

图2 3号主变雷电防护配置情况

2 升压站设备损坏原因分析

2.1 设备故障情况

1)设备故障情况

由于鱼潭水电厂地势特殊，极易遭受雷击，自建厂以来，该厂曾发生雷击事故造成4号机组跳闸、3号主变压器雷击损坏事故，其中以2003年4月1日发生的雷击故障最为严重，造成3号主变A相和B相高压线圈烧毁，导致3号主变故障停运。

2)现场查勘情况

经现场查勘，该升压站避雷针、避雷线和避雷器的具体接地方式为:避雷针架设在3号主变间隔的 “A”型构架上，110 kV架空线路的避雷线终端连接到 “A”型构架上，避雷针及避雷线接地引线沿着构架与主接地网连接，实测该构架距3号主变外壳2.5 m，距主变接地点3.2 m。由上述测量结果可知，鱼潭水电厂的接地网设计和敷设主要存在以下严重问题:

①接地方式与 《电力设备过电压保护设计技术规程》规程不符:110 kV及以上的配电装置，一般将避雷针装在配电装置的架构或房顶上，但在土壤电阻率大于1 000 Ω·m的地区，宜装设独立避雷针；否则，应通过验算，采取降低接地电阻或加强绝缘等措施〔1〕。

②避雷针架设方式与 《交流电气装置的接地》要求不符:独立避雷针接地点至变压器接地点沿接地极的长度也不满足不小于15 m的要求〔2〕。

2.2 原因分析

由上述试验情况和现场测量情况可知，鱼潭水电厂土壤电阻率为2 500 Ω·m，未独立敷设避雷针，且升压站3号避雷针的接地引下线距主变压器接地线仅有3.2 m，与规程要求的15 m差距较大。仿真计算发现避雷针冲击接地电阻Rc约为工频电阻3倍，在110 kV主变 “A”型门架接地引下线雷击时地电位会严重升高，极端情况下110 kV主变 “A”型门架接地引下线雷击时反击电压可达600 kV，超出主变绝缘强度，从而造成主设备损坏或者保护误动作。可见，鱼潭升压站3号避雷针不符合设计和运行规程要求，在接地阻抗偏高是造成雷击故障的主要原因。

3 防直击雷改造及应用效果

3.1 改造方案选取

鱼潭水电厂地处山区，土壤电阻率较高，根据规程 〔3〕要求:在高土壤电阻率地区，接地装置的接地电阻很难达到要求时，采用外扩接地网、敷设水下接地网、或电解离子接地极等措施来降低接地电阻。

为使水电厂接地装置的接地电阻长期处于一种稳定、低阻的良好状态，结合土壤、环境等情况，采用新增敷设水下接地网、人工开挖地沟敷设接地体的方式使本站的整个接地网满足设计要求，但是该方案造价100万元以上，对防雷接地有所改善，但不能满足和代替户外升压站电气设备防雷要求，因为直接雷击过电压不仅与雷电流的大小和陡度有关，且与引下线和接地装置的电阻和电感有关。因此，只有对避雷针、避雷线位置及接地引线进行改造，才能彻底规避升压站电气设备雷击风险。

经过综合对比分析，改造方案为:拆除线路终端塔至主变 “A”型构架进户线避雷线和主变“A”型构架上避雷针，异地新建避雷针防止升压站电气设备和架空进户线的直击雷，且避雷针接地引下线与主接地网连接处距主设备接地距离大于15 m。

3.2 防雷校核

图3 改造后避雷针情况

改造后的避雷针相对升压站的位置情况如图3所示。其中3号主变间隔升压站的高度h1＝253.88 m，避雷针基础高度 h2＝277.74，避雷针高度 h3＝20 mm，“A”型构架高度h4＝267.99 m，终端塔高度h5＝264.26 m；避雷针与 “A” 型构架最远端l1＝22 m，距110 kV线路终端塔l2＝27 m。

单根避雷针的保护范围计算公式为:

式中 h为避雷针的高度 (m)；p为高度影响系数。

由式 (2)可计算高度影响系数p，避雷针相对升压站实际高度为:

则高度影响系数为:p＝0.83

根据文献 〔4〕，坡地上的避雷针，由于地形、地质、气象及雷电活动影响，保护范围有所缩小，计算结果乘0.75系数。对其保护范围最高和最远“A”构架和终端塔进行校核。

1)“A”型构架校核

相对高度:hx＝h4－h1＝14.11 m，则 hx＜h/2；则保护半径rx＝ (1.5h－2hx)0.75p＝23.38 m＞22 m，满足要求。

2)110 kV出线终端塔

相对高度:hx＝h4－h1＝10.38 m，则 hx＜h/2；则保护半径rx＝ (1.5h－2hx)0.75p＝28 m＞23 m，满足要求。

3.3 应用效果

自改造以来，鱼潭水电厂升压站再未发生因引起防雷保护装置误动作和发生设备雷击事故，拆除升压站中避雷针和避雷线，新建独立避雷针，解决了雷电压对升压站电气设备产生反击过电压，彻底消除了3号升压站雷击事故安全隐患，进一步验证了严格执行规程规范正确性，为解决山区水电厂、变电站土壤电阻率高的防雷问题提供参考。

4 结论

山区水电厂由于土壤电阻率高，土质差，土层薄，接地体埋深不够，地势特殊，容易遭受雷击。因而在进行山区水电厂的改造时要对现场地形、地势及土壤电阻率等现场条件进行综合分析，通过认真的技术经济分析，对水电厂的防雷措施进行综合对比分析，以保证水电厂的安全稳定运行。

〔1〕中华人民共和国电力工业部.DL/T 620—1997交流电气装置的过电压保护和绝缘配合 〔S〕.北京:中国电力出版社，1997.

〔2〕中华人民共和国电力工业部.DL/T621—1997交流电气装置的接地 〔S〕.北京:中国电力出版社，1997.

〔3〕GB50169—2006电气装置安装工程接地装置施工及验收规范〔S〕.北京:中国标准出版社，2006.

〔4〕中国航空工业规划设计院.工业与民用配电设计手册〔S〕.2005.

10.3969/j.issn.1008-0198.2015.01.019

TM862.1

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赵天胜 (1964)，男，土家族，本科毕业，从事水电站勘测设计、安装和管理，研究方向水电厂安全运行。

2014-06-24 改日期:2015-02-02