關河水電站防雷保護與接地設計簡述

王 崢

（山西省水利水電勘測設計研究院，山西 太原 030024）

1 工程概況

關河水電站是關河水庫的重要組成部分，該電站位于濁漳河的支流上，水電站屬壩后式，座落于關河水庫壩后右山側，裝機容量3×700 kW，最高年發電量535萬kW·h。工程任務是充分利用水庫的放水量及蓄水水頭，更新機組，提高發電量和年利用小時數。

眾所周知，水力發電廠大都依山傍水，處于雷擊頻繁的環境，雷擊嚴重威脅著發電廠設備的安全運行。為達到“整體防護、綜合治理、層層設防”的防范原則，下面結合配電設備的雷擊損壞機理，就防雷技術進行簡要闡述。

2 防雷保護

由于關河水電站建成近50年，電站防雷設備（避雷帶、避雷針）銹蝕非常嚴重，大多外露鋼材銹蝕厚度達到2 mm，在發生直擊雷時很難保證真正起到避雷作用。因此要對主、副廠房屋頂避雷帶進行重新敷設，避雷帶采用直徑8 mm的鋼筋，引下后敷設人工接地極，并對35 kV變電站避雷針進行更換。根據規范要求，防雷接地電阻不大于10 Ω。

小型水電站電力設備的絕緣水平主要由大氣電壓即雷電過電壓決定。

2.1 直擊雷過電壓保護設計

直擊雷保護可采用避雷針或避雷線保護。水電站的室外配電裝置包括組合導線和母線廊道、磚木結構的主廠房和屋內配電裝置、大型變壓器修理間等建筑物及需要保護的其他設施。

設計時，首先應確定避雷針的大致位置。充分利用山區地形條件，將避雷針布置在35 kV變電站旁的高臺上，距離道路不小于3 m，與建筑物接地部分的空中距離不小于5 m。其次要估算避雷針在保護物高度9 m水平面處的保護半徑為30 m。最后是計算避雷針的高度。根據計算及相關經驗可知，應在高程964.7 m，距離道路不小于3 m，與建筑物接地部分的空中距離不小于5 m的高臺上裝設一支高度26.5 m的避雷針。

由于主副廠房、戶外廠用變壓器、戶外主變壓器、屋外架空導線等均在該避雷針的保護范圍內，因此裝設單支避雷針即可滿足要求。

2.2 雷電侵入波過電壓保護設計

2.2.1 避雷器的選擇

避雷器可分為管型避雷器和閥型避雷器兩大類。管型避雷器伏秒特性較陡，不易與變壓器或電機等具有平緩伏秒特性的電氣設備相配合。同時，由于管型避雷器動作后，會造成變壓器或電機繞組的匝間甚至相間擊穿，因此管型避雷器適合安裝在線路的絕緣薄弱處或發、變電站的進出線段上，用以保護線路的絕緣或限制進入發電站、變電所的雷電侵入波的幅值。發電站和變電所的變壓器及電氣設備需用閥型避雷器，閥型避雷器的伏秒特性比較平緩。

2.2.2 進線段保護

進線段保護主要是使雷不直接擊在導線上，且利用進線段本身阻抗來限制雷電流幅值，利用導線的電暈衰耗來降低雷電波陡度。全線無避雷線的35～110 kV架空送電線路，在變電所進線段1～2 km長度內進行直擊雷保護。

2.2.3 旋轉電機保護

發電機絕緣水平較低，且其絕緣容易老化，通常采用磁吹閥型避雷器。其殘壓以通過3 kA沖擊電流為依據。沖擊系數1～1.2。為防止發電機匝間絕緣的損壞，必須將雷電侵入波的陡度限制在5 kV/μs以下，同時降低避雷器殘壓與發電機上電壓的差值。

2.2.4 其他配電裝置的保護

其他配電裝置的閥型避雷器一般都連接在母線上，分段母線的每段都應裝設閥型避雷器。該組閥型避雷器與被保護的電氣設備的電氣距離不能超過一定數值。如果超過允許值，則應適當增設避雷器，以使配電裝置的全部電氣設備得到保護。閥型避雷器應以最短的接地線連接到配電裝置的總接地網上。

3 接地裝置設計

3.1 接地裝置特點

一是水電站建在山區河流的峽谷地區，位于堅固的巖石基礎上。接地一方面要受地形的限制，另一方面由于地電阻率極高，應充分利用自然接地體，必要時可采用水下接地網、深埋接地體等方法。二是水工建筑物和電力設備的布置范圍較廣，接地范圍及接地計算難度較大。三是水工建筑物和機電設備經常是分期施工安裝，需根據接地短路電流的大小，分別驗算發電初期和全部建成投產后接地電阻的允許值。四是水電站有較多的自然接地體可以利用，如與水或潮濕土壤接觸的鋼筋混凝土、金屬門槽、攔污柵等，將這些接地體與人工接地體連成良好的電路整體，可有效降低接地電阻。五是水電站有可利用的低電阻水源，用來敷設水下接地網。

3.2 人工接地體的工頻接地電阻

垂直接地體的接地電阻Rc可用下式計算：

式中：Rc——垂直接地體的接地電阻，Ω；

ρ——土壤電阻率，Ω·m；

l——垂直接地體長度，m；

d——接地體直徑，m。

不同形狀水平接地體的接地電阻Rp可用下式計算：

式中：Rp——水平接地體的接地電阻，Ω；

hp——水平接地體的埋設深度，m；

l——水平接地體長度，m；

d——水平接地體的直徑或等值直徑，m；

A——水平接地體的形狀系數。

3.3 充分利用自然接地體做接地線

水電站主廠房機組間設沉下縫。沉下縫將鋼筋混凝土分成幾個獨立部分，應在屋頂、發電機層和水輪機層的上下游各用“U”型扁鋼將斷開的鋼筋焊接起來。

廠房排架和廠房水下混凝土中的鋼筋應敷設補充的接地帶，將排架中的鋼筋與水下混凝土中的鋼筋和其他金屬結構相連。廠房尾水管的底板如有錨固用的插筋，應敷設補充的接地帶，把這些插筋連接起來，并與水下混凝土中的鋼筋和金屬結構物相連。

利用鋼筋混凝土引水管中的鋼筋連接壩前水下接地網時，應選擇不少于2根鋼筋焊接成通路。利用電纜金屬外皮作接地線時，至少要2根，若只有1根，可平行電纜敷設1根扁鋼作為輔助接地線，該輔助接地線一端與接地網相連，另一端與設備外殼焊接。

4 建議

由于防雷接地工程涉及到實際操作人員的安全問題，因此其施工至關重要。在關河水電站施工過程中，施工人員錯誤地將防雷網的引下線直接接到工作接地網上，經過接地網再到接地極，很容易把雷電引到室內的高壓柜及一些帶電的設備，危害正在操作的工作人員。為此建議，條件允許的地方，可把工作接地與防雷接地分開。如條件不允許，可增加一些防雷措施，把防雷引下線引到接地極。