几起雷击过电压对水电厂二次设备的危害浅析及对策

刘朝贵

摘 要：通过对水电厂电气控制设备遭受雷击过电压导致损坏，以及启动机组紧急事故回路的原因过程分析，提出防范措施及改进建议，对类似条件及现象的其他企业具有借鉴意义。

关键词：雷击过电压；二次设备；水电站水机保护；继电器

中图分类号：TM622 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）02-0077-02

Abstract： Based on the analysis of the cause process of the damage caused by the lightning overvoltage of the electrical control equipment in hydropower plant and the starting of the emergency circuit of the unit， the preventive measures and suggestions for improvement are put forward. It has reference significance for other enterprises with similar conditions and phenomena.

Keywords： lightning overvoltage； secondary equipment； hydropower plant protection； electric relay

1 概述

湖北黄龙滩水力发电厂位于汉江支流堵河，电厂主要设有2×85MW和2×170MW混流式水轮发电机组，总装机容量达到510MW。在湖北电网承担调峰、调频等重要任务。大坝上游分别设有1～4号机组引水建筑物及板式进水闸门。坝顶有10kV電源系统及0.4kV配电系统。由于地理原因，大坝所属区域夏季雷雨活动频繁且雷云较低，各种建筑物及发供电设备承受着各种风险和考验。

2 事件过程及分析

2.1坝顶变电所现地监控屏控制电源模块遭受雷击过电压损坏造成监控系统不能正常工作

坝顶变电所现地监控系统由国电南瑞水利水电有限公司生产，于2011年改造完毕投入使用。由于夏天雷雨季节雷电活动频繁，曾于2012年7月发生坝顶10kV现地LCU PLC模件开关电源遭受雷击损坏，现场检查开关电源主电路板电源输入侧压敏电阻爆裂，电源回路元件被烧毁，电路板有明显放电烧伤痕迹。

事件分析及处理：坝顶10kV电源系统及0.4kV配电系统安装有防雷装置，但现地监控盘柜未装设二次防雷装置。发生此次事件后，对坝顶区域二次设备交、直流电源进线回路均加装相应防雷装置，并与接地网可靠相连接。

2.2 3号机组进水闸门因雷击引起水机保护误动作，造成3号机进水口闸门全关

液压启闭机现地控制系统由国电南瑞水利水电有限公司生产。并于2015年改造完毕，系统采用PLC为控制核心兼顾常规回路为辅助控制，具备“远/近”控自动操作闸门及现地手动操作闸门、闸门下滑自动提门至全开，水机事故紧急落门保护等功能。控制系统改造后于2016年5月因发生雷击造成3号机水机保护误动作关闭进水口闸门。

（1）事件发生过程

事件发生前设备运行情况：3号机组“发电”态，带负荷170MW，工作闸门全开；4号机组停机检修，工作闸门全落。天气情况：雷雨天气。事件发生过程：2016年5月5日17时58分运行人员听见雷声不久3号机组运行声音异常，随后机组有功出力逐渐下降为零，导叶开度自动开至全开，蜗壳水压明显下降。在监控上位机简报信息报“新厂坝顶3#闸门远方事故落闸门动作”事故信号，但没有发现任何关于机组的事故启动源信息。运行值班人员确认进水口工作闸门紧急关闭后立即联系调度将机组与系统解列并停机。

（2）现场初步调查分析

在坝顶油泵房监控LCU人机界面查看历史记录，报文有坝顶“3#闸门远方事故落闸门动作”、“3#闸门下滑250mm动作”、“3#闸门下滑300mm动作”、“3#闸门全开位置复归”及“4#闸门正常关门操作信号动作”等简报信息。由人机交互信息可看出：“ 3号闸门远方事故落门动作信号”、 “4#闸门正常关门操作信号”同时出现，说明雷击过电压对3、4号启闭机控制系统同时产生影响，4号机组当时因为在检修，闸门已在全关位置。

2.3 综合原因分析：如图1所示

（1）3号机紧急落闸门时， 3号机组还处于发电状态，有功PID投入，上位机没有任何事故信号，当闸门下滑过程中，调速器只有增加导叶开度来增加负荷，直至导叶开度开至最大，但由于钢管水压下降导致机组有功负荷逐渐降到零。

（2）上位机及坝顶LCU触摸屏均同时报送信息：“新厂坝顶3#闸门远方事故落闸门动作”，因24VDC落门电磁阀有远方落门反馈信号上送至上位机，220VDC落门电磁阀无落门反馈信号上送至上位机，所以初步确认雷击使24VDC落门电磁阀动作引起落门事故。

（3）根据运行人员反映，当时听见雷声后不久机组声音发生变化，即可判断雷电发生后出现紧急关闭闸门，机组出力减少，开度变大，震动变大，而3号机组现地监控LCU及上位机简报信息及事故光字没有任何关于机组的事故启动源信号，也没有启动机组事故停机流程，排除机组PLC开出落闸门的可能。

2.4 雷击过电压引起落门回路动作分析如图2

如图2所示，C0为落门中间继电器动合触点（回路自保持触点）间隙电容，C1、C2分别为坝下厂房至坝顶监控LCU现地控制单元屏控制电缆对地耦合电容，当雷击电压感应在落门回路电源24VDC正极，分析如下：

（1）由图可知正常时C1的对地电容电压为雷击电压U，endprint

如果C1两端的对地电压为零，则说明坝下厂房至坝顶监控LCU现地控制单元屏控制电缆正极绝缘破坏，结果使电源正极接地，电源故障，但不会引起保护回路动作。

（2）落门按钮两端电压为：U落=C2/（C落+C2）*U（公式1），机组LCU落门按钮布置在坝下厂房，距离雷电中心较远，按钮动合触点间隙较大（大于5mm），空气间隙被击穿导通的可能性较小。

（3）C0两端的电压为：U0=C2/（C0+C2）*U≈U（C2>>C0）（公式2），由公式可知，雷击电压大部分加在C0两端，又因落门中间继电器KA1为微型继电器，动合触点间隙极小（C2>>C0），当雷击电压大于空气间隙击穿电压时，短路电弧将落门回路导通。

（4）当雷击电压感应在落门回路电源24VDC负极，C2的对地电容电压为雷击电压U，如果C2两端的对地电压为零，则说明控制电缆负极对地绝缘破坏，结果使电源负极经落门继电器线圈接地，落门继电器动作。

（5）故障源排除：现场测试各电缆对地絕缘电阻合格，排除电缆绝缘原因引起的故障。

由以上结果可知，引起保护误动主要原因为：雷击全电压U加在24VD电源正极，微型继电器动合触点间隙极小。

2.5 采取的防范措施及改进意见

为了防止事件再次发生，已采取如下措施：

（1）检查各接线端子应紧固，控制电缆屏蔽接地应可靠。

（2）检查完善机组紧急事故流程及坝顶落闸门回路。

（3）将落门中间继电器取两对动合触点串联后与远方落门按钮并联作为回路自保持使用，以提高雷击过电压时空气间隙距离。

（4）改进落闸门回路中供电方式，将直流24V改为直流220V，增强抗干扰能力。

2.6 进一步改进及实施对策

（1）联系厂家，提高电气设备及元器件抗干扰能力；

（2）对落门电磁阀重新选型，采用更可靠的带位置自保持的电磁阀作为落门电磁阀控制，这样对落门控制就不需要自保持信号，只要控制脉冲时间大于落门电磁阀可靠动作时间即可。既取消落门自保持回路，又尽可能避免了雷电过电压对回路的危害。

（3）定期检测二次设备对接地网的接地电阻以及接地网本体的接地电阻是否满足接地要求；定期检测控制电缆对地绝缘，发现异常即使更换。

（4）定期检查防雷装置功能是否满足要求。

3 改进后效果

通过在控制系统电源输入侧加装二次防雷装置，选择具备自锁功能的落门电磁阀，取消落门继电器自保持回路，有效提高了抗雷击干扰性能。

参考文献：

[1]南瑞计算机监控系统现地LCU控制屏原理图[Z].

[2]王丽.高电压技术[M].北京：中国电力出版社，2010.

[3]李国平，王江艳，延建志.智能变电站二次设备运行维护分析[J].科技创新与应用，2014（30）：179.

[4]韩晓红.智能变电站二次设备运行维护及故障处理[J].科技创新与应用，2015（25）：206.

[5]朱林.浅谈变电站二次设备状态检修[J].科技创新与应用，2017（25）：188+190.endprint