水力发电站智慧防雷措施与检测

李三雁，杨昊东，邓 勇

(四川大学锦城学院，四川 成都 611731)

0 引 言

雷击及雷电是自然界大气中超长的放电过程，产生一种强烈光电混合现象，具有强大的电流和超高温度，伴随着强大的冲击波、强烈的电磁辐射以及感应电流瞬间聚积产生巨大的破坏力，严重威胁社会公共安全和人民生命财产安全[1]。

我国多数水力发电站都建设在高山峡谷型河流上，地势险峻、水流湍急，水力发电站储水大坝的潮湿气候在冷热气流交换过程中冷空气下降，热空气上升，这就使得水力发电站成了雷云形成的高发地带，使大坝体、闸门口、大堤、中央控制室、输水管、发电机、水轮机等所有这些建筑物和设备容易受到雷击破坏，给水力发电站及库区造成重大的安全隐患和经济财产损失[2-3]。

为保证水力发电站安全运行，应做到预防为主，进行合理可靠的科学技术防范，本文提出水力发电站的智慧防雷措施与检测。

1 雷电防护检测一般原则和常用方法

1.1 水力发电站防雷重点检测部位

水力发电站建筑物内部防雷系统环境比较复杂，在实际工程建筑物内的防雷布局和设施可能发生多项破坏，有些隐蔽工程不易发现（如大坝、发电设备、厂房等），如图1所示。重点部位防止雷电破坏，首先要保证重点部位有效接地电阻、波动电磁符合国家标准，同时对物体、机房等多处避雷针设计要高于大坝、发电设备，使雷电从被保护物体转移到地面[4-5]。

图1 大坝检测示意图

1.2 防雷检测的主要检测参数

建筑体防雷检测，必须严格按照国家和地方相关标准规范执行。我国现行建筑物防雷检测执行的标准是GB /T 21431－2015《建筑物防雷装置检测技术规范》[6]和GB/T 32938-2016《防雷装置检测服务规范》[7]等。根据其要求，建筑物防雷装置的主要检测参数如表1所示。具体的检测参数，需考虑设计文件、首次检测或定期检测等综合因素来确定。

1.3 电位降压法用于接地点位测试

在防护水力发电站雷电破坏过程中，首先要定期检测测试机组、大坝体接地零线是否独立接到零线上，决不能断线。为阻止雷击频率可多移动，重复将零线接地。做到库区发电系统智能大数据全面跟踪，了解掌握库区发电系统雷暴出现高发期和接地零线的电位差。利用欧姆定律，一般多采用电位降压法，测试电流与接地极和电位极间的电位差Ug，如图2 所示。

表1 建筑物防雷装置的主要检测参数

图2 接地点位测试

将接地导体接入地极瞬间，使电位差达到零电位差和用欧姆定律两端的电位差Ug来检测防雷基本原则，同时对接地电阻波动电磁要做评价，即R≤10 Ω。

1.4 利用电磁屏蔽法检测水利发电站安全性

屏蔽是减少雷击、雷电破坏的重要环节，根据不同的季节、地段采用不同防雷措施，用电磁兼容屏蔽雷电破坏。

发电设备、电子设备、建筑物中的钢筋和钢架等都是电击要点。首先要接地导电，同时可采用无金属结构的建筑物，如磷混合物对电磁波有一定的屏蔽作用（约9.5 dB）。重要部位要进行围格式、架空式屏蔽，在建筑物周围用避雷针和钢筋混凝土物体进行屏蔽，使接地点导路通畅。

一般建筑物的钢架和钢筋属开放性屏蔽结构，而专用屏蔽室如重要控制室和高电压机房等一般呈非开放性屏蔽，都采用厚2～3 mm实体钢板构成，两种屏蔽效果测量基本原理相同，检测、测试操作有区别。

无金属结构的建筑物，电磁波屏蔽功能应在9.5 dB。可形成架空接闪网进行雷击接地，架空网的距离x=30 m，如图3所示。平面地网的使用一般在水库大坝的建筑物中使用，做到坝体自行引电防雷，如图4所示。防雷电除了防直击雷外，还应该防止感应雷产生电磁感应和静电感应，参考GB50343-2012《建筑物电子信息系统防雷技术规范》[8]。

图3 防雷电架空接地线缆网示意图

图4 平面接地网布局设计

2 水力发电站库区防雷布局设计要求

要建立水力发电站智能安全防雷布局，监控管理各子系统监控系统正常运行，如图5所示。

图5 防雷布局组织图

对防雷监控系统要定期检查，特别以上6个重点布防部位要对功能、信息、环境条件进行排查。远程多点数据采集、传递，做到智能化系统防雷电入侵措施。当线路采用地埋电缆引入时将电缆金属外皮与接地装置相连；采用架空电缆直接引入时应在入口处设置SPD电涌保护装置，将电缆剥皮与接地装置接上[9]。

3 防雷具体措施

3.1 发电系统

发电机房、水轮机及系统电力部分、中央控制室电线和电缆尽量用钢管地埋方式敷没在相聚25 m左右增加接地电极。接地材料一般采用1.5 m长、1～3 cm宽的镀锌钢管，半端形成钝角，入地一段要进行防腐处理。如果管线的接地电阻能够满足接地要求＜4 Ω，接地管线可以作为接地电极；如果电极接地电阻不能满足要求，可以同时并连接地电极达到防雷要求[10-11]。

3.2 中央控制室

中央控制室应做到系统防雷要求，中控室防雷主要指系统中控室线路防雷。防雷最好方法是在设备及线路上采用光电隔离模块。根据要求选择不同的光电隔离模块，在中控室计算机接口采用485光电隔离模块在无线与终端之间需要加高频馈线防雷器将有效保护终端设备。中控室线路设计尽量采用光电布置、采用地埋式，这样可以使中控室安全、畅通、可靠，减少雷击对中控室的破坏和干扰。电源系统在安装过程中应有电源防雷箱，然后再将电源接到室内电盘。在每个输送电缆控制接口上都要安装光电隔离模块和避雷器。避雷器与避雷箱要求接在接地电极上，接地电极电阻要≤4 Ω。接地体应在空地周围50～100 m的地方，用铜包电极或者石墨电极围绕防雷区可形成一字型接地体、接地极。

3.3 信号防雷

信号防雷在水力发电站尤为重要，并且比较广泛，种类较多，有电信号、电压信号、电阻信号、视频信号、传真信号等。根据不同的设备原理，造取不同的避雷器，用各种传感器在防雷区域通过信号线将传感器收集的信号及时收集到数据库中，通过大数据分析，采取相应的措施在信号输送过程中增加信号避雷装置，以保护信号单元防雷电，提高系统的可靠性和安全性，达到防雷电的效果。

3.4 水库大坝

水库大坝防雷系统，应在内部进行渗流测试，根据大坝情况进行多处设制DAU数据采集单元、多个水位传感装置，在库区全部布置地埋镀锌钢管系统，在线路的沿线每隔30～50 m左右设有接地机构，以提高防雷系统的接地效果。布线全部采用RVVSP信号电缆，要有抗干扰特性；水位传感系统应配S24信号避雷装置。数据采集系统DAV端接处要有MTA-20多信号避雷装置系统与中心控制室采用地埋光缆通讯设备与计算机通过MOXA带有多串口卡连接，以便系统电源信号、布线上都能做到防雷要求。

3.5 避雷针与铁塔

在水力发电站防雷就需要建立相应保护设备和多个防直击雷的避雷针与铁塔。假如避雷针处在建筑物为等腰三角形的顶点上，这时避雷针高度高应满足避雷高度 覆盖铁塔布局。求出避雷针高度满足铁塔防雷高度，在实际制作下避雷针可以略加高于 1～1.5 m。

3.6 电源设计防雷

在系统电源中一般从机库到中控室引入电源线应尽量采用穿线钢管地埋法没埋，并在相距25 m左右增加地极点。接地地级一般采用1.5 m，1.5～2.5 cm镀锌离板和镀锌钢管与管线焊接在一起。焊点处要做防腐处理，防止腐蚀脱落，保证导雷电效果，在电源的接入处应接电源避雷箱，电源回路的接地电阻应＜4 Ω，同时管线可以作为接地电极。如果管线的接地电阻不能满足要求，就需要在管线上多焊接接地体与避雷箱连接。现场设备电源也要接入电源避雷设备，接地接在钢管口，这样电源的两端都到达了防雷装置的要求，有利于保护设备建筑物体。

4 结束语

水力发电站防雷智慧措施检测是一项复杂工程，维护工作必须根据设备、物体的设计要求及实际所处的地理环境对水力发电站所有部位进行定期与不定期测量接地电阻，保障防雷设施完好无损，确保雷电不会给水力发电站带来雷电灾害，做到设备建筑物的零损失；同时在电站设计初期就必须要重视系统防雷电措施设计，做好大坝、中控室、电源、通信信号等建筑的防雷设计，避免系统二次改造造成损失。