淺談趙山渡水力發(fā)電廠閘壩防雷系統(tǒng)的改造與升級論文
1 工程概況
趙山渡電廠位于溫州瑞安市高樓鎮(zhèn)，距文成縣19 km，距瑞安市41 km. 趙山渡引水樞紐水庫總庫容3 414 萬m3，年供水總量7. 3 億m3，電站裝機容量20 MW. 水庫大壩主要由右岸砼重力壩、右岸河床式電站廠房、泄洪閘、左岸砼重力壩以及高湖水電站等組成. 其中共有16 孔泄洪閘，采用弧形鋼閘門，由計算機多級控制液壓啟閉設備啟閉閘門.
趙山渡電廠地處浙西南山區(qū)，境內(nèi)山地起伏，氣候四季分明，夏季多局地對流天氣，雷暴特多，7～ 8 月發(fā)生幾率最高. 年平均雷擊天數(shù)為79 d. 根據(jù)地區(qū)雷暴日等級宜劃分為強雷區(qū). 至下閘蓄水以來，泄洪閘PLC 電源模塊、閘門開度傳感器、水位計等電子元件因雷擊，頻繁造成PLC 電源模塊、閘門開度傳感器、水位計等電子元器件的損壞. 對于肩負飛云江流域防洪任務中的重要一環(huán)，每年夏季雷暴對泄洪閘的運行帶來嚴重的安全隱患. 為了確保泄洪閘的安全運行，2011 年決定對大壩進行防雷改造.
2 問題描述
趙山渡電廠泄洪閘的防雷方面主要出現(xiàn)了以下幾個方面的問題.
( 1) 閘壩建筑物接地電阻值偏大
閘壩建筑物為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)建筑物，未安裝避雷帶及引下線，只在建筑物四角留有4 個檢測點，從避雷檢測點測量接地電阻值遠遠大于規(guī)范要求的10Ω.
( 2) 控制系統(tǒng)接地電阻值不符合要求
配電系統(tǒng)與閘門控制系統(tǒng)情況: 配電室和閘門控制室均位于大壩中部，電源接地制式TN-S，但接地電阻未達規(guī)范標準要求，中控室內(nèi)沒有接地匯流排和等電位處理.
( 3) 各信號端口沒有完善的防雷擊電磁脈沖防護電涌保護器
閘控現(xiàn)場內(nèi)共有閘門現(xiàn)地控制柜16 臺、閘門集中控制系統(tǒng)柜3 臺、配電柜與計量柜5 臺，共24臺電柜，每扇閘門現(xiàn)地控制柜均外連32 只閘門開度傳感器，閘門集中控制系統(tǒng)柜與閘門現(xiàn)地控制柜采用PROFIBUS 通訊，閘門集中控制系統(tǒng)柜與計算機控制中心采用以太網(wǎng)通訊，各個通訊都采用信號端口進行鏈接，但整個系統(tǒng)的信號端口沒有完善的防雷擊電磁脈沖防護電涌保護器.
3 總體設計方案
根據(jù)閘壩所處的地理、地質(zhì)、土壤、氣象、環(huán)境等條件和雷電活動規(guī)律等的基礎上，因地制宜地采取防雷措施，總體方案由三部分組成.第一部分為外部防護，由接閃器、引下線、接地體組成，主要是利用避雷針、避雷帶和避雷網(wǎng)等將雷電流沿引下線安全地流入大地，防止雷電直接擊在建筑物和設備上. 第二部分是過渡防護，由合理的設置防雷器、屏蔽、接地、布線組成，可減少入侵引入的感應雷電流. 第三部分內(nèi)部防護，由均壓等電位連接和過電壓保護組成，可均衡系統(tǒng)電位，限制過電壓幅值，以滿足設備就近接地要求.
4 核心技術
4. 1 外部防護技術
( 1) 接閃器
在閘壩屋頂安裝避雷帶沿屋角、屋背、屋檐和檐角等易受雷擊的部位敷設，采用Φ12 mm 鍍鋅圓鋼材料，避雷帶每間隔1 m 安裝長150 mmΦ12 mm鍍鋅支架，支架頂與避雷帶焊接，避雷帶表面重新涂裝銀漿作防腐處理.
( 2) 接地
在建筑物外沿四周明裝14 條引下線，引下線采用Φ12 mm 鍍鋅圓鋼，支架與墻面固定，引下線上套Φ25 PVC 管做絕緣防護，防止人身接觸和損壞. 每條引下線采用40 mm × 4 mm 扁鋼與人工接地體連接，加裝1 組( 每組2 塊) CPD2000 接地極，與扁鋼做可靠連接，接地極水平橫向成一字形擺放.在建筑物外做人工接地體，根據(jù)周圍環(huán)境，在室外，挖深度為1. 4 m，長度為4 m 正方形的坑. 將40 mm× 4 mm鍍鋅鋼排用電焊做成網(wǎng)狀，置于坑中，并在溝底將1. 5 m 長、25 mm 的16 根鍍鋅圓鋼垂直打入地下，且與接地網(wǎng)焊接，在坑底用5 ～ 10 cm 左右墊物墊平、澆水將坑底土壤濕潤，同時，在接地溝邊置一灰斗，將降阻劑干粉倒于其中，澆水( 水必須澆透) 并攪拌均勻，然后將攪拌成糊狀降阻劑均勻連續(xù)地澆灌在接地體周圍，待降阻劑凝固后先將好的土壤覆蓋接地體，然后再加添原土夯實，用40 mm ×4 mm雙層熱鍍鋅扁鋼在地下互相焊接并引出地面，作為接地裝置; 用40 mm × 4 mm 扁鋼排與等電位均壓環(huán)相連.
4. 2 過渡防護技術
4. 2. 1 電源系統(tǒng)浪涌保護設計
電子信息系統(tǒng)設備由TN 交流配電系統(tǒng)供電時，配電線路采用TN-S 系統(tǒng)的接地方式. 電子信息系統(tǒng)設備配電線路浪涌保護器的設計.
電源系統(tǒng)浪涌保護器的布置原則. 在LPZ0 和LPZ1、LPZ1 和LPZ2、LPZ2 和LPZ3各區(qū)之間的交界處相應安裝電源浪涌保護器，通過多級鉗位，目的是使殘壓逐步降低，以有效地抑制外來雷電波入侵和雷電電磁脈沖的危害. 根據(jù)防雷技術規(guī)范，在廠區(qū)配電柜處并聯(lián)安裝CPM-R100T浪涌保護器，進行電源防雷保護. 電源SPD 引線截面積: 電源第一級SPD 的連接相線銅導線截面積16 mm2 . 電源SPD 接地連接線截面積及連接位置:電源第一級SPD 的接地端連接銅導線截面積25 mm2，銅質(zhì)絕緣導線與等電位帶進行可靠電氣連接. 用于電源線路的浪涌保護器標稱放電電流參數(shù)值需要進行嚴格整定，整定值參.
4. 2. 2 閘壩監(jiān)控系統(tǒng)及水文測報系統(tǒng)防雷解決方案
趙山渡閘壩監(jiān)控系統(tǒng)及水文測報系統(tǒng)遭受雷電的影響有多方面的，既有直接雷擊，又有從電源線路、信號線路等侵入的雷電電磁脈沖，還有在建筑物附近落雷形成的電磁場感應，以及接閃器接閃后由接地裝置引起的地電位反擊. 在進行防雷設計時，不僅要考慮防直接雷擊，還要防雷電電磁脈沖、雷電電磁感應和地電位反擊等，因此，必須進行綜合防護，才能達到預期的防雷效果.
( 1) 趙山渡閘壩內(nèi)的防雷設計
趙山渡閘壩內(nèi)的各種線路，在建筑物直擊雷非防護區(qū)( LPZ0A) 或直擊雷防護區(qū)( LPZ0B) 與第一防護區(qū)( LPZ1) 交界處應裝設線路適配的浪涌保護器.系統(tǒng)中央控制室內(nèi)基本采用S 型星型結(jié)構(gòu)連接，即工作室內(nèi)所有設備的金屬外殼、防靜電地板、信號地、PE 線和SPD 接地線、屏蔽金屬管和屏蔽線纜的'金屬外護層均就近與等電位連接板進行了電氣連接. 改造后的中央控制室內(nèi)的地網(wǎng)、廊道地網(wǎng)基本采用了共用接地系統(tǒng). 邏輯信號接地極與防雷接地極通過等電位均壓環(huán)進行連接. 接地干線采用截面不小于16 mm2 的銅芯絕緣導線，并穿管敷設接至就近的等電位接地端子板.
( 2) 趙山渡閘門監(jiān)控設備信號端防雷
在廊道外直接引入SSI 端口處安裝信號防雷器，串聯(lián)安裝在進入信號線路上，防止從信號線路進入閘控現(xiàn)地操作箱的浪涌. 對閘門現(xiàn)地操作箱與集中控制柜PROFIBUS 通訊總線上安裝信號防雷器，串聯(lián)安裝在進入信號線路上，防止從信號線路進入集中控制柜的浪涌. 集中控制柜與計算機集控中心以太網(wǎng)總線上安裝信號防雷器，串聯(lián)安裝在進入信號線路上，防止從信號線路進入計算機集控中心的浪涌. 而監(jiān)控及信號控制線應考慮采取兩端安裝防雷裝置，就近接接入地下環(huán)網(wǎng)，中控機房內(nèi)，對設備加裝SPD( 浪涌保護器) .
4. 3 內(nèi)部防護技術
( 1) 趙山渡閘壩內(nèi)沿廊道內(nèi)側(cè)做接地環(huán)網(wǎng)，放置CPD2000 接地極18 組. 接地極水平橫向連于扁鋼，用焊接方式與40 mm × 4 mm 雙層熱鍍鋅扁鋼形成可靠電氣連接，放置完成后，選用低電阻率土壤回填并分層夯實. 扁鋼引入配電柜內(nèi)，沿墻均勻分布安裝等電位聯(lián)結(jié)端子箱18 個，用于以后擴容.
( 2) 趙山渡閘壩的配電柜位于廠房內(nèi)，環(huán)網(wǎng)扁鋼直接接入配電柜，在每個配電柜電源輸入端并聯(lián)安裝一組CPM-R100T 浪涌保護器，采用BVRSS25 mm2 與環(huán)網(wǎng)扁鋼做可靠連接. 其中8 號配電柜在廠房外單獨做接地處理，采用1 組( 每組6 塊) CPD2000 接地模塊，與40* 4mm 扁鋼做可靠連接，人工接地體距建筑物出入口或人行道不應小于3 m.
5 運行效果
趙山渡閘壩通過防雷改造后至今已近3 年時間，從實際運行結(jié)果來看，閘壩各系統(tǒng)運行良好，防雷效果明顯，地阻測試符合規(guī)范要求，基本達到了預期的效果. 特別是在改造前，經(jīng)常因雷擊使閘控系統(tǒng)及水文測報系統(tǒng)電子元器件的損壞，造成系統(tǒng)不能正常工作. 在實施防雷改造后，閘壩閘控系統(tǒng)及水文測報系統(tǒng)未出現(xiàn)因雷擊造成系統(tǒng)重要電子元器件的損壞. 2013 年6 月8 日，閘壩變壓器遭直擊雷雷擊，雷電流強度很大，高壓線上三個高壓跌落保險跌落，一個跌落熔絲靜觸頭燒焦，兩個擊穿一個孔洞，閘壩主電源停電. 在備用電源投入后，檢查閘壩各系統(tǒng)均工作正常，設備運行正常. 這充分表明，這項綜合性的防雷改造是非常有效的，雷電防護設計方案值得同行學習借鑒.
6 結(jié)語
雷電防護工作是一項系統(tǒng)工程，它包括防止直擊雷、防止和抑制雷電電磁脈沖干擾的各種傳輸形式造成的危害. 除了安裝防直接雷擊的優(yōu)化避雷針、避雷帶和避雷網(wǎng); 又要在雷電感應可能進入的通道，如: 天饋線、信號線、電源線等一些關鍵部位安裝相應可靠的、優(yōu)質(zhì)的浪涌保護器，將所有可能雷電入侵的渠道全部切斷泄放入地; 同時，在每年雷雨季節(jié)前，必須對各設備的接地進行全面檢查和測試，檢查連接是否緊固、接觸是否良好、接地引下線是否銹蝕、接地體附近地面有無異常，接地電阻要滿足規(guī)范要求，必要時應挖開地面抽查地下隱蔽部分銹蝕情況，如果發(fā)現(xiàn)問題，及時整改，確保防雷體系的完好. 總之，趙山渡閘壩防雷改造之所以成功，主要依靠外部防護、過渡防護、內(nèi)部防護等技術的綜合應用. 同時，筆者將通過運行實踐，與國內(nèi)同行一起，繼續(xù)探索雷電防護技術及應用.
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