赵山渡水力发电厂闸坝防雷系统的改造与升级

赵山渡水力发电厂闸坝防雷系统的改造与升级

郑峰

(浙江珊溪经济发展责任有限公司赵山渡水力发电厂，浙江 温州325311)

摘要：针对原来赵山渡电厂大坝泄洪闸防雷系统的建筑物接地电阻值偏大、控制系统接地电阻值不符合要求以及各信号端口没有完善的防雷击电磁脉冲防护电涌保护器等诸多缺陷，通过外部防护、过渡防护、内部防护等核心技术的综合应用，对大坝泄洪闸防雷系统进行改造与升级，运行结果证明，防雷系统通过改造与升级后，PLC电源模块、闸门开度传感器、水位计等一系列电子元件受雷击次数明显减少，从而提高了泄洪闸防雷系统的整体安全性能.

关键词：水力发电厂；泄洪闸；大坝；防雷；赵山渡

中图分类号：TV698文献标志码：A

收稿日期：2015-01-23

作者简介：郑峰(1976-)，男,浙江温州人,工程师,从事水利水电运行管理.

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工程概况

赵山渡电厂位于温州瑞安市高楼镇，距文成县19 km，距瑞安市41 km.赵山渡引水枢纽水库总库容3 414万m3，年供水总量7.3亿m3，电站装机容量20 MW.水库大坝主要由右岸砼重力坝、右岸河床式电站厂房、泄洪闸、左岸砼重力坝以及高湖水电站等组成.其中共有16孔泄洪闸，采用弧形钢闸门，由计算机多级控制液压启闭设备启闭闸门.

赵山渡电厂地处浙西南山区,境内山地起伏,气候四季分明,夏季多局地对流天气,雷暴特多,7～8月发生几率最高.年平均雷击天数为79 d.根据地区雷暴日等级宜划分为强雷区.至下闸蓄水以来，泄洪闸PLC电源模块、闸门开度传感器、水位计等电子元件因雷击，频繁造成PLC电源模块、

闸门开度传感器、水位计等电子元器件的损坏.对于肩负飞云江流域防洪任务中的重要一环，每年夏季雷暴对泄洪闸的运行带来严重的安全隐患.为了确保泄洪闸的安全运行，2011年决定对大坝进行防雷改造.

2问题描述

赵山渡电厂泄洪闸的防雷方面主要出现了以下几个方面的问题.

(1)闸坝建筑物接地电阻值偏大

闸坝建筑物为钢筋混凝土结构建筑物，未安装避雷带及引下线，只在建筑物四角留有4个检测点，从避雷检测点测量接地电阻值远远大于规范要求[1]的10Ω.

(2)控制系统接地电阻值不符合要求

配电系统与闸门控制系统情况：配电室和闸门控制室均位于大坝中部，电源接地制式TN-S，但接地电阻未达规范标准要求[2]，中控室内没有接地汇流排和等电位处理.

(3)各信号端口没有完善的防雷击电磁脉冲防护电涌保护器

闸控现场内共有闸门现地控制柜16台、闸门集中控制系统柜3台、配电柜与计量柜5台，共24台电柜，每扇闸门现地控制柜均外连32只闸门开度传感器，闸门集中控制系统柜与闸门现地控制柜采用PROFIBUS通讯[3]，闸门集中控制系统柜与计算机控制中心采用以太网通讯，各个通讯都采用信号端口进行链接，但整个系统的信号端口没有完善的防雷击电磁脉冲防护电涌保护器.

3总体设计方案

根据闸坝所处的地理、地质、土壤、气象、环境等条件和雷电活动规律等的基础上，因地制宜地采取防雷措施，总体方案由三部分组成(见图1).

图1　总体方案图

由图可知，第一部分为外部防护，由接闪器、引下线、接地体组成，主要是利用避雷针、避雷带和避雷网等将雷电流沿引下线安全地流入大地，防止雷电直接击在建筑物和设备上.第二部分是过渡防护，由合理的设置防雷器、屏蔽、接地、布线组成，可减少入侵引入的感应雷电流.第三部分内部防护，由均压等电位连接和过电压保护组成，可均衡系统电位，限制过电压幅值，以满足设备就近接地要求[4].

4核心技术

4.1外部防护技术

(1)接闪器

在闸坝屋顶安装避雷带沿屋角、屋背、屋檐和檐角等易受雷击的部位敷设,采用Φ12 mm镀锌圆钢材料，避雷带每间隔1 m安装长150 mmΦ12 mm镀锌支架，支架顶与避雷带焊接，避雷带表面重新涂装银浆作防腐处理.

(2)接地

在建筑物外沿四周明装14条引下线，引下线采用Φ12 mm镀锌圆钢，支架与墙面固定，引下线上套Φ25 PVC管做绝缘防护，防止人身接触和损坏.每条引下线采用40 mm×4 mm扁钢与人工接地体连接，加装1组(每组2块)CPD2000接地极,与扁钢做可靠连接，接地极水平横向成一字形摆放.在建筑物外做人工接地体，根据周围环境，在室外，挖深度为1.4 m，长度为4 m正方形的坑.将40 mm×4 mm镀锌钢排用电焊做成网状，置于坑中，并在沟底将1.5 m长、25 mm的16根镀锌圆钢垂直打入地下，且与接地网焊接，在坑底用5～10 cm左右垫物垫平、浇水将坑底土壤湿润，同时，在接地沟边置一灰斗，将降阻剂干粉倒于其中，浇水(水必须浇透)并搅拌均匀，然后将搅拌成糊状降阻剂均匀连续地浇灌在接地体周围，待降阻剂凝固后先将好的土壤覆盖接地体，然后再加添原土夯实，用40 mm×4 mm双层热镀锌扁钢在地下互相焊接并引出地面，作为接地装置；用40 mm×4 mm扁钢排与等电位均压环相连.

4.2过渡防护技术

4.2.1电源系统浪涌保护设计

电子信息系统设备由TN交流配电系统供电时，配电线路采用TN-S系统的接地方式.电子信息系统设备配电线路浪涌保护器的设计(见图2).

图2　电源系统浪涌保护设计图

由图2可知，电源系统浪涌保护器的布置原则[5].在LPZ0和LPZ1、LPZ1和LPZ2、LPZ2和LPZ3各区之间的交界处相应安装电源浪涌保护器，通过多级钳位，目的是使残压逐步降低，以有效地抑制外来雷电波入侵和雷电电磁脉冲的危害.根据防雷技术规范，在厂区配电柜处并联安装CPM-R100T浪涌保护器，进行电源防雷保护.电源SPD引线截面积：电源第一级SPD的连接相线铜导线截面积16 mm2.电源SPD接地连接线截面积及连接位置：电源第一级SPD的接地端连接铜导线截面积25 mm2，铜质绝缘导线与等电位带进行可靠电气连接.用于电源线路的浪涌保护器标称放电电流参数值需要进行严格整定，整定值参(见表1).

表1　电源线路浪涌保护器标称放电电流参数值

4.2.2闸坝监控系统及水文测报系统防雷解决方案

赵山渡闸坝监控系统及水文测报系统遭受雷电的影响有多方面的，既有直接雷击，又有从电源线路、信号线路等侵入的雷电电磁脉冲，还有在建筑物附近落雷形成的电磁场感应，以及接闪器接闪后由接地装置引起的地电位反击.在进行防雷设计时，不仅要考虑防直接雷击，还要防雷电电磁脉冲、雷电电磁感应和地电位反击等，因此，必须进行综合防护，才能达到预期的防雷效果.

(1)赵山渡闸坝内的防雷设计

赵山渡闸坝内的各种线路，在建筑物直击雷非防护区(LPZ0A)或直击雷防护区(LPZ0B)与第一防护区(LPZ1)交界处应装设线路适配的浪涌保护器.系统中央控制室内基本采用S型星型结构连接[6]，即工作室内所有设备的金属外壳、防静电地板、信号地、PE线和SPD接地线、屏蔽金属管和屏蔽线缆的金属外护层均就近与等电位连接板进行了电气连接.改造后的中央控制室内的地网、廊道地网基本采用了共用接地系统.逻辑信号接地极与防雷接地极通过等电位均压环进行连接.接地干线采用截面不小于16 mm2的铜芯绝缘导线，并穿管敷设接至就近的等电位接地端子板.

(2)赵山渡闸门监控设备信号端防雷

在廊道外直接引入SSI端口处安装信号防雷器，串联安装在进入信号线路上，防止从信号线路进入闸控现地操作箱的浪涌.对闸门现地操作箱与集中控制柜PROFIBUS通讯总线上安装信号防雷器[7]，串联安装在进入信号线路上，防止从信号线路进入集中控制柜的浪涌.集中控制柜与计算机集控中心以太网总线上安装信号防雷器，串联安装在进入信号线路上，防止从信号线路进入计算机集控中心的浪涌.而监控及信号控制线应考虑采取两端安装防雷装置，就近接接入地下环网，中控机房内，对设备加装SPD(浪涌保护器).

4.3内部防护技术

(1)赵山渡闸坝内沿廊道内侧做接地环网，放置CPD2000接地极18组.接地极水平横向连于扁钢，用焊接方式与40 mm×4 mm双层热镀锌扁钢形成可靠电气连接，放置完成后，选用低电阻率土壤回填并分层夯实.扁钢引入配电柜内，沿墙均匀分布安装等电位联结端子箱18个，用于以后扩容.

(2)赵山渡闸坝的配电柜位于厂房内，环网扁钢直接接入配电柜，在每个配电柜电源输入端并联安装一组CPM-R100T浪涌保护器，采用BVRSS25 mm2与环网扁钢做可靠连接.其中8号配电柜在厂房外单独做接地处理，采用1组(每组6块)CPD2000接地模块,与40*4mm扁钢做可靠连接，人工接地体距建筑物出入口或人行道不应小于3 m[8].

5运行效果

赵山渡闸坝通过防雷改造后至今已近3年时间，从实际运行结果来看，闸坝各系统运行良好，防雷效果明显，地阻测试符合规范要求，基本达到了预期的效果.特别是在改造前，经常因雷击使闸控系统及水文测报系统电子元器件的损坏，造成系统不能正常工作.在实施防雷改造后，闸坝闸控系统及水文测报系统未出现因雷击造成系统重要电子元器件的损坏.2013年6月8日，闸坝变压器遭直击雷雷击，雷电流强度很大，高压线上三个高压跌落保险跌落，一个跌落熔丝静触头烧焦，两个击穿一个孔洞，闸坝主电源停电.在备用电源投入后，检查闸坝各系统均工作正常，设备运行正常.这充分表明，这项综合性的防雷改造是非常有效的，雷电防护设计方案值得同行学习借鉴.

6结语

雷电防护工作是一项系统工程，它包括防止直击雷、防止和抑制雷电电磁脉冲干扰的各种传输形式造成的危害.除了安装防直接雷击的优化避雷针、避雷带和避雷网；又要在雷电感应可能进入的通道，如：天馈线、信号线、电源线等一些关键部位安装相应可靠的、优质的浪涌保护器，将所有可能雷电入侵的渠道全部切断泄放入地；同时，在每年雷雨季节前，必须对各设备的接地进行全面检查和测试，检查连接是否紧固、接触是否良好、接地引下线是否锈蚀、接地体附近地面有无异常，接地电阻要满足规范要求，必要时应挖开地面抽查地下隐蔽部分锈蚀情况，如果发现问题，及时整改，确保防雷体系的完好.总之，赵山渡闸坝防雷改造之所以成功，主要依靠外部防护、过渡防护、内部防护等技术的综合应用.同时，笔者将通过运行实践，与国内同行一起，继续探索雷电防护技术及应用.

参考文献：

[1]中国气象局.QX30-2004自动气象站场室防雷技术规范[S].北京，中国标准出版社，2004.

[2]国家技术监督局，中华人民共和国建设部.GB 50057-94队建筑物防雷设计规范[S].北京，中国计划出版社，2000.

[3]中华人民共和国建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB 50343-2004建筑物电子信息系统防雷技术规范[S].北京：中国建设工业出版社，2004.

[4]张仁贡.水电站动力特性分析数据库系统的研究与应用[J]．水力发电学报,2010,29(4)：240-244．

[5]张仁贡.农村水电站电能生产动态不确定性优化调度模型[J]．农业工程学报，2011，27(5):275-278．

[6]徐金寿，张仁贡.水电站计算机监控技术与应用[M]．杭州：浙江大学出版社，2010.

[7]张仁贡.发电厂综合技能实训[M].杭州：浙江大学出版社，2012.

[8]中华人民共和国电力工业部.DL/T620-1997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.