淺談趙山渡水力發(fā)電廠閘壩防雷系統(tǒng)的改造與升級(jí)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(kù)總庫(kù)容3 414 萬(wàn)m3，年供水總量7. 3 億m3，電站裝機(jī)容量20 MW. 水庫(kù)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(mén)，由計(jì)算機(jī)多級(jí)控制液壓?jiǎn)㈤]設(shè)備啟閉閘門(mén).
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(duì)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(jí)宜劃分為強(qiáng)雷區(qū). 至下閘蓄水以來(lái)，泄洪閘PLC 電源模塊、閘門(mén)開(kāi)度傳感器、水位計(jì)等電子元件因雷擊，頻繁造成PLC 電源模塊、閘門(mén)開(kāi)度傳感器、水位計(jì)等電子元器件的損壞. 對(duì)于肩負(fù)飛云江流域防洪任務(wù)中的重要一環(huán)，每年夏季雷暴對(duì)泄洪閘的運(yùn)行帶來(lái)嚴(yán)重的安全隱患. 為了確保泄洪閘的安全運(yùn)行，2011 年決定對(duì)大壩進(jìn)行防雷改造.
2 問(wèn)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(gè)方面的問(wèn)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(gè)檢測(cè)點(diǎn)，從避雷檢測(cè)點(diǎn)測(cè)量接地電阻值遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(mén)控制系統(tǒng)情況: 配電室和閘門(mén)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(dá)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求，中控室內(nèi)沒(méi)有接地匯流排和等電位處理.
( 3) 各信號(hào)端口沒(méi)有完善的防雷擊電磁脈沖防護(hù)電涌保護(hù)器
閘控現(xiàn)場(chǎng)內(nèi)共有閘門(mén)現(xiàn)地控制柜16 臺(tái)、閘門(mén)集中控制系統(tǒng)柜3 臺(tái)、配電柜與計(jì)量柜5 臺(tái)，共24臺(tái)電柜，每扇閘門(mén)現(xiàn)地控制柜均外連32 只閘門(mén)開(kāi)度傳感器，閘門(mén)集中控制系統(tǒng)柜與閘門(mén)現(xiàn)地控制柜采用PROFIBUS 通訊，閘門(mén)集中控制系統(tǒng)柜與計(jì)算機(jī)控制中心采用以太網(wǎng)通訊，各個(gè)通訊都采用信號(hào)端口進(jìn)行鏈接，但整個(gè)系統(tǒng)的信號(hào)端口沒(méi)有完善的防雷擊電磁脈沖防護(hù)電涌保護(hù)器.
3 總體設(shè)計(jì)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(dòng)規(guī)律等的基礎(chǔ)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(hù)，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(shè)備上. 第二部分是過(guò)渡防護(hù)，由合理的設(shè)置防雷器、屏蔽、接地、布線組成，可減少入侵引入的感應(yīng)雷電流. 第三部分內(nèi)部防護(hù)，由均壓等電位連接和過(guò)電壓保護(hù)組成，可均衡系統(tǒng)電位，限制過(guò)電壓幅值，以滿足設(shè)備就近接地要求.
4 核心技術(shù)
4. 1 外部防護(hù)技術(shù)
( 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(shè)，采用Φ12 mm 鍍鋅圓鋼材料，避雷帶每間隔1 m 安裝長(zhǎng)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(hù)，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(zhǎng)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(zhǎng)、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(rùn)，同時(shí)，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(shí)，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(guò)渡防護(hù)技術(shù)
4. 2. 1 電源系統(tǒng)浪涌保護(hù)設(shè)計(jì)
電子信息系統(tǒng)設(shè)備由TN 交流配電系統(tǒng)供電時(shí)，配電線路采用TN-S 系統(tǒng)的接地方式. 電子信息系統(tǒng)設(shè)備配電線路浪涌保護(hù)器的設(shè)計(jì).
電源系統(tǒng)浪涌保護(hù)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(yīng)安裝電源浪涌保護(hù)器，通過(guò)多級(jí)鉗位，目的是使殘壓逐步降低，以有效地抑制外來(lái)雷電波入侵和雷電電磁脈沖的危害. 根據(jù)防雷技術(shù)規(guī)范，在廠區(qū)配電柜處并聯(lián)安裝CPM-R100T浪涌保護(hù)器，進(jìn)行電源防雷保護(hù). 電源SPD 引線截面積: 電源第一級(jí)SPD 的連接相線銅導(dǎo)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(jí)SPD 的接地端連接銅導(dǎo)線截面積25 mm2，銅質(zhì)絕緣導(dǎo)線與等電位帶進(jìn)行可靠電氣連接. 用于電源線路的浪涌保護(hù)器標(biāo)稱放電電流參數(shù)值需要進(jìn)行嚴(yán)格整定，整定值參.
4. 2. 2 閘壩監(jiān)控系統(tǒng)及水文測(cè)報(bào)系統(tǒng)防雷解決方案
趙山渡閘壩監(jiān)控系統(tǒng)及水文測(cè)報(bào)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(hào)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(chǎng)感應(yīng)，以及接閃器接閃后由接地裝置引起的地電位反擊. 在進(jìn)行防雷設(shè)計(jì)時(shí)，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(yīng)和地電位反擊等，因此，必須進(jìn)行綜合防護(hù)，才能達(dá)到預(yù)期的防雷效果.
( 1) 趙山渡閘壩內(nèi)的防雷設(shè)計(jì)
趙山渡閘壩內(nèi)的各種線路，在建筑物直擊雷非防護(hù)區(qū)( LPZ0A) 或直擊雷防護(hù)區(qū)( LPZ0B) 與第一防護(hù)區(qū)( LPZ1) 交界處應(yīng)裝設(shè)線路適配的浪涌保護(hù)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(shè)備的金屬外殼、防靜電地板、信號(hào)地、PE 線和SPD 接地線、屏蔽金屬管和屏蔽線纜的'金屬外護(hù)層均就近與等電位連接板進(jìn)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(hào)接地極與防雷接地極通過(guò)等電位均壓環(huán)進(jìn)行連接. 接地干線采用截面不小于16 mm2 的銅芯絕緣導(dǎo)線，并穿管敷設(shè)接至就近的等電位接地端子板.
( 2) 趙山渡閘門(mén)監(jiān)控設(shè)備信號(hào)端防雷
在廊道外直接引入SSI 端口處安裝信號(hào)防雷器，串聯(lián)安裝在進(jìn)入信號(hào)線路上，防止從信號(hào)線路進(jìn)入閘控現(xiàn)地操作箱的浪涌. 對(duì)閘門(mén)現(xiàn)地操作箱與集中控制柜PROFIBUS 通訊總線上安裝信號(hào)防雷器，串聯(lián)安裝在進(jìn)入信號(hào)線路上，防止從信號(hào)線路進(jìn)入集中控制柜的浪涌. 集中控制柜與計(jì)算機(jī)集控中心以太網(wǎng)總線上安裝信號(hào)防雷器，串聯(lián)安裝在進(jìn)入信號(hào)線路上，防止從信號(hào)線路進(jìn)入計(jì)算機(jī)集控中心的浪涌. 而監(jiān)控及信號(hào)控制線應(yīng)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(jī)房?jī)?nèi)，對(duì)設(shè)備加裝SPD( 浪涌保護(hù)器) .
4. 3 內(nèi)部防護(hù)技術(shù)
( 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(shí). 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(gè)，用于以后擴(kuò)容.
( 2) 趙山渡閘壩的配電柜位于廠房?jī)?nèi)，環(huán)網(wǎng)扁鋼直接接入配電柜，在每個(gè)配電柜電源輸入端并聯(lián)安裝一組CPM-R100T 浪涌保護(hù)器，采用BVRSS25 mm2 與環(huán)網(wǎng)扁鋼做可靠連接. 其中8 號(hào)配電柜在廠房外單獨(dú)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(yīng)小于3 m.
5 運(yùn)行效果
趙山渡閘壩通過(guò)防雷改造后至今已近3 年時(shí)間，從實(shí)際運(yùn)行結(jié)果來(lái)看，閘壩各系統(tǒng)運(yùn)行良好，防雷效果明顯，地阻測(cè)試符合規(guī)范要求，基本達(dá)到了預(yù)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(cè)報(bào)系統(tǒng)電子元器件的損壞，造成系統(tǒng)不能正常工作. 在實(shí)施防雷改造后，閘壩閘控系統(tǒng)及水文測(cè)報(bào)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(qiáng)度很大，高壓線上三個(gè)高壓跌落保險(xiǎn)跌落，一個(gè)跌落熔絲靜觸頭燒焦，兩個(gè)擊穿一個(gè)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(shè)備運(yùn)行正常. 這充分表明，這項(xiàng)綜合性的防雷改造是非常有效的，雷電防護(hù)設(shè)計(jì)方案值得同行學(xué)習(xí)借鑒.
6 結(jié)語(yǔ)
雷電防護(hù)工作是一項(xiàng)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(yīng)可能進(jìn)入的通道，如: 天饋線、信號(hào)線、電源線等一些關(guān)鍵部位安裝相應(yīng)可靠的、優(yōu)質(zhì)的浪涌保護(hù)器，將所有可能雷電入侵的渠道全部切斷泄放入地; 同時(shí)，在每年雷雨季節(jié)前，必須對(duì)各設(shè)備的接地進(jìn)行全面檢查和測(cè)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(wú)異常，接地電阻要滿足規(guī)范要求，必要時(shí)應(yīng)挖開(kāi)地面抽查地下隱蔽部分銹蝕情況，如果發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，及時(shí)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(hù)、過(guò)渡防護(hù)、內(nèi)部防護(hù)等技術(shù)的綜合應(yīng)用. 同時(shí)，筆者將通過(guò)運(yùn)行實(shí)踐，與國(guó)內(nèi)同行一起，繼續(xù)探索雷電防護(hù)技術(shù)及應(yīng)用.
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