魚潭水電廠戶外升壓站防直擊雷改造

趙天勝

(大唐華銀張家界水電有限公司，湖南 張家界 427000)

魚潭水電廠戶外升壓站防直擊雷改造

Improvement of direct lightning flash protection for step-up substation in Yutan Hydropower Plant

趙天勝

(大唐華銀張家界水電有限公司，湖南 張家界 427000)

魚潭水電廠地處山區，戶外升壓站經常遭受雷擊，有必要對其雷擊故障進行分析，并提供解決方案。本文結合魚潭水電廠的升壓站設備布置、地形及土壤電阻率等進行分析，探討升壓站所的防雷措施與技術手段，并嚴格按規程規范進行整改，改造效果良好，確保了水電廠設備的安全運行。

雷擊事故；避雷針 (線)；土壤電阻率；升壓站

湖南省張家界、湘西和懷化等西南地區蘊含著豐富的水資源，水力發電具有很大發展潛力，但該地區以山區為主，地形地勢復雜，雷電活動頻繁。但該地區所屬水電廠多屬小型水電廠，在建設施工時防雷設計不規范，導致該地區許多水電廠投運后雷害嚴重，頻繁引發機組因雷擊造成的跳機事件，極大地影響了供電的可靠性。文中以張家界魚潭水電廠為例，對其雷擊故障原因進行分析，并進行了實際防雷改造。該廠實施升壓站防雷改造后，機組因雷擊導致的機組跳機事件再未發生。文中提供了一種山區水電廠防雷改造方案，可以為偏遠山區水電站的雷電防護提供參考。

1 魚潭水電廠概況

1.1 魚潭電廠接線簡介

魚潭水電廠位于湖南省張家界市永定區溫塘鎮漆樹灣村澧水中游干流U型峽谷中，于1997年7月投產發電，攔河大壩采用空腹中孔重力壩，正常蓄水位250 m，壩后左右岸采用地下廠房，裝機總容量為70 MW，其中1—3號機組容量都為20 MW，4號機組容量為10 MW。魚潭水電廠的一次接線圖如圖1所示。

圖1 魚潭水電廠一次接線圖

1，2號機組與1號主變組成擴大單元接線，3號機組與2號主變組成單元接線，4號機組與3號主變組成單元接線。發電機組母線電壓為10 kV，10 kV升壓至110 kV后采用單母線接線，再通過2回110 kV架空線路與系統相連。由于地形限制，1，2號和4號主變間隔及110 kV開關站室內布置，3號主變間隔戶外布置。

1.2 升壓站防直擊雷配置簡介

漁潭電廠地處山區，雷電活動強烈。3號主變升壓間隔為戶外升壓站，該戶外升壓站處在一處山體邊坡下面，極易引發雷擊事故。為防止直擊雷侵襲，3號主變間隔高壓側構架上裝設1根避雷針，具體布置情況如圖2所示。

圖2 3號主變雷電防護配置情況

2 升壓站設備損壞原因分析

2.1 設備故障情況

1)設備故障情況

由于魚潭水電廠地勢特殊，極易遭受雷擊，自建廠以來，該廠曾發生雷擊事故造成4號機組跳閘、3號主變壓器雷擊損壞事故，其中以2003年4月1日發生的雷擊故障最為嚴重，造成3號主變A相和B相高壓線圈燒毀，導致3號主變故障停運。

2)現場查勘情況

經現場查勘，該升壓站避雷針、避雷線和避雷器的具體接地方式為:避雷針架設在3號主變間隔的 “A”型構架上，110 kV架空線路的避雷線終端連接到 “A”型構架上，避雷針及避雷線接地引線沿著構架與主接地網連接，實測該構架距3號主變外殼2.5 m，距主變接地點3.2 m。由上述測量結果可知，魚潭水電廠的接地網設計和敷設主要存在以下嚴重問題:

①接地方式與 《電力設備過電壓保護設計技術規程》規程不符:110 kV及以上的配電裝置，一般將避雷針裝在配電裝置的架構或房頂上，但在土壤電阻率大于1 000 Ω·m的地區，宜裝設獨立避雷針；否則，應通過驗算，采取降低接地電阻或加強絕緣等措施〔1〕。

②避雷針架設方式與 《交流電氣裝置的接地》要求不符:獨立避雷針接地點至變壓器接地點沿接地極的長度也不滿足不小于15 m的要求〔2〕。

2.2 原因分析

由上述試驗情況和現場測量情況可知，魚潭水電廠土壤電阻率為2 500 Ω·m，未獨立敷設避雷針，且升壓站3號避雷針的接地引下線距主變壓器接地線僅有3.2 m，與規程要求的15 m差距較大。仿真計算發現避雷針沖擊接地電阻Rc約為工頻電阻3倍，在110 kV主變 “A”型門架接地引下線雷擊時地電位會嚴重升高，極端情況下110 kV主變 “A”型門架接地引下線雷擊時反擊電壓可達600 kV，超出主變絕緣強度，從而造成主設備損壞或者保護誤動作。可見，魚潭升壓站3號避雷針不符合設計和運行規程要求，在接地阻抗偏高是造成雷擊故障的主要原因。

3 防直擊雷改造及應用效果

3.1 改造方案選取

魚潭水電廠地處山區，土壤電阻率較高，根據規程 〔3〕要求:在高土壤電阻率地區，接地裝置的接地電阻很難達到要求時，采用外擴接地網、敷設水下接地網、或電解離子接地極等措施來降低接地電阻。

為使水電廠接地裝置的接地電阻長期處于一種穩定、低阻的良好狀態，結合土壤、環境等情況，采用新增敷設水下接地網、人工開挖地溝敷設接地體的方式使本站的整個接地網滿足設計要求，但是該方案造價100萬元以上，對防雷接地有所改善，但不能滿足和代替戶外升壓站電氣設備防雷要求，因為直接雷擊過電壓不僅與雷電流的大小和陡度有關，且與引下線和接地裝置的電阻和電感有關。因此，只有對避雷針、避雷線位置及接地引線進行改造，才能徹底規避升壓站電氣設備雷擊風險。

經過綜合對比分析，改造方案為:拆除線路終端塔至主變 “A”型構架進戶線避雷線和主變“A”型構架上避雷針，異地新建避雷針防止升壓站電氣設備和架空進戶線的直擊雷，且避雷針接地引下線與主接地網連接處距主設備接地距離大于15 m。

3.2 防雷校核

圖3 改造后避雷針情況

改造后的避雷針相對升壓站的位置情況如圖3所示。其中3號主變間隔升壓站的高度h1＝253.88 m，避雷針基礎高度 h2＝277.74，避雷針高度 h3＝20 mm，“A”型構架高度h4＝267.99 m，終端塔高度h5＝264.26 m；避雷針與 “A” 型構架最遠端l1＝22 m，距110 kV線路終端塔l2＝27 m。

單根避雷針的保護范圍計算公式為:

式中 h為避雷針的高度 (m)；p為高度影響系數。

由式 (2)可計算高度影響系數p，避雷針相對升壓站實際高度為:

則高度影響系數為:p＝0.83

根據文獻 〔4〕，坡地上的避雷針，由于地形、地質、氣象及雷電活動影響，保護范圍有所縮小，計算結果乘0.75系數。對其保護范圍最高和最遠“A”構架和終端塔進行校核。

1)“A”型構架校核

相對高度:hx＝h4－h1＝14.11 m，則 hx＜h/2；則保護半徑rx＝ (1.5h－2hx)0.75p＝23.38 m＞22 m，滿足要求。

2)110 kV出線終端塔

相對高度:hx＝h4－h1＝10.38 m，則 hx＜h/2；則保護半徑rx＝ (1.5h－2hx)0.75p＝28 m＞23 m，滿足要求。

3.3 應用效果

自改造以來，魚潭水電廠升壓站再未發生因引起防雷保護裝置誤動作和發生設備雷擊事故，拆除升壓站中避雷針和避雷線，新建獨立避雷針，解決了雷電壓對升壓站電氣設備產生反擊過電壓，徹底消除了3號升壓站雷擊事故安全隱患，進一步驗證了嚴格執行規程規范正確性，為解決山區水電廠、變電站土壤電阻率高的防雷問題提供參考。

4 結論

山區水電廠由于土壤電阻率高，土質差，土層薄，接地體埋深不夠，地勢特殊，容易遭受雷擊。因而在進行山區水電廠的改造時要對現場地形、地勢及土壤電阻率等現場條件進行綜合分析，通過認真的技術經濟分析，對水電廠的防雷措施進行綜合對比分析，以保證水電廠的安全穩定運行。

〔1〕中華人民共和國電力工業部.DL/T 620—1997交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合 〔S〕.北京:中國電力出版社，1997.

〔2〕中華人民共和國電力工業部.DL/T621—1997交流電氣裝置的接地 〔S〕.北京:中國電力出版社，1997.

〔3〕GB50169—2006電氣裝置安裝工程接地裝置施工及驗收規范〔S〕.北京:中國標準出版社，2006.

〔4〕中國航空工業規劃設計院.工業與民用配電設計手冊〔S〕.2005.

10.3969/j.issn.1008-0198.2015.01.019

TM862.1

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1008-0198(2015)01-0068-03

趙天勝 (1964)，男，土家族，本科畢業，從事水電站勘測設計、安裝和管理，研究方向水電廠安全運行。

2014-06-24 改日期:2015-02-02