幾起雷擊過電壓對(duì)水電廠二次設(shè)備的危害淺析及對(duì)策

劉朝貴

摘 要：通過對(duì)水電廠電氣控制設(shè)備遭受雷擊過電壓導(dǎo)致?lián)p壞，以及啟動(dòng)機(jī)組緊急事故回路的原因過程分析，提出防范措施及改進(jìn)建議，對(duì)類似條件及現(xiàn)象的其他企業(yè)具有借鑒意義。

關(guān)鍵詞：雷擊過電壓；二次設(shè)備；水電站水機(jī)保護(hù)；繼電器

中圖分類號(hào)：TM622 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）02-0077-02

Abstract： Based on the analysis of the cause process of the damage caused by the lightning overvoltage of the electrical control equipment in hydropower plant and the starting of the emergency circuit of the unit， the preventive measures and suggestions for improvement are put forward. It has reference significance for other enterprises with similar conditions and phenomena.

Keywords： lightning overvoltage； secondary equipment； hydropower plant protection； electric relay

1 概述

湖北黃龍灘水力發(fā)電廠位于漢江支流堵河，電廠主要設(shè)有2×85MW和2×170MW混流式水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量達(dá)到510MW。在湖北電網(wǎng)承擔(dān)調(diào)峰、調(diào)頻等重要任務(wù)。大壩上游分別設(shè)有1～4號(hào)機(jī)組引水建筑物及板式進(jìn)水閘門。壩頂有10kV電源系統(tǒng)及0.4kV配電系統(tǒng)。由于地理原因，大壩所屬區(qū)域夏季雷雨活動(dòng)頻繁且雷云較低，各種建筑物及發(fā)供電設(shè)備承受著各種風(fēng)險(xiǎn)和考驗(yàn)。

2 事件過程及分析

2.1壩頂變電所現(xiàn)地監(jiān)控屏控制電源模塊遭受雷擊過電壓損壞造成監(jiān)控系統(tǒng)不能正常工作

壩頂變電所現(xiàn)地監(jiān)控系統(tǒng)由國(guó)電南瑞水利水電有限公司生產(chǎn)，于2011年改造完畢投入使用。由于夏天雷雨季節(jié)雷電活動(dòng)頻繁，曾于2012年7月發(fā)生壩頂10kV現(xiàn)地LCU PLC模件開關(guān)電源遭受雷擊損壞，現(xiàn)場(chǎng)檢查開關(guān)電源主電路板電源輸入側(cè)壓敏電阻爆裂，電源回路元件被燒毀，電路板有明顯放電燒傷痕跡。

事件分析及處理：壩頂10kV電源系統(tǒng)及0.4kV配電系統(tǒng)安裝有防雷裝置，但現(xiàn)地監(jiān)控盤柜未裝設(shè)二次防雷裝置。發(fā)生此次事件后，對(duì)壩頂區(qū)域二次設(shè)備交、直流電源進(jìn)線回路均加裝相應(yīng)防雷裝置，并與接地網(wǎng)可靠相連接。

2.2 3號(hào)機(jī)組進(jìn)水閘門因雷擊引起水機(jī)保護(hù)誤動(dòng)作，造成3號(hào)機(jī)進(jìn)水口閘門全關(guān)

液壓?jiǎn)㈤]機(jī)現(xiàn)地控制系統(tǒng)由國(guó)電南瑞水利水電有限公司生產(chǎn)。并于2015年改造完畢，系統(tǒng)采用PLC為控制核心兼顧常規(guī)回路為輔助控制，具備“遠(yuǎn)/近”控自動(dòng)操作閘門及現(xiàn)地手動(dòng)操作閘門、閘門下滑自動(dòng)提門至全開，水機(jī)事故緊急落門保護(hù)等功能。控制系統(tǒng)改造后于2016年5月因發(fā)生雷擊造成3號(hào)機(jī)水機(jī)保護(hù)誤動(dòng)作關(guān)閉進(jìn)水口閘門。

（1）事件發(fā)生過程

事件發(fā)生前設(shè)備運(yùn)行情況：3號(hào)機(jī)組“發(fā)電”態(tài)，帶負(fù)荷170MW，工作閘門全開；4號(hào)機(jī)組停機(jī)檢修，工作閘門全落。天氣情況：雷雨天氣。事件發(fā)生過程：2016年5月5日17時(shí)58分運(yùn)行人員聽見雷聲不久3號(hào)機(jī)組運(yùn)行聲音異常，隨后機(jī)組有功出力逐漸下降為零，導(dǎo)葉開度自動(dòng)開至全開，蝸殼水壓明顯下降。在監(jiān)控上位機(jī)簡(jiǎn)報(bào)信息報(bào)“新廠壩頂3#閘門遠(yuǎn)方事故落閘門動(dòng)作”事故信號(hào)，但沒有發(fā)現(xiàn)任何關(guān)于機(jī)組的事故啟動(dòng)源信息。運(yùn)行值班人員確認(rèn)進(jìn)水口工作閘門緊急關(guān)閉后立即聯(lián)系調(diào)度將機(jī)組與系統(tǒng)解列并停機(jī)。

（2）現(xiàn)場(chǎng)初步調(diào)查分析

在壩頂油泵房監(jiān)控LCU人機(jī)界面查看歷史記錄，報(bào)文有壩頂“3#閘門遠(yuǎn)方事故落閘門動(dòng)作”、“3#閘門下滑250mm動(dòng)作”、“3#閘門下滑300mm動(dòng)作”、“3#閘門全開位置復(fù)歸”及“4#閘門正常關(guān)門操作信號(hào)動(dòng)作”等簡(jiǎn)報(bào)信息。由人機(jī)交互信息可看出：“ 3號(hào)閘門遠(yuǎn)方事故落門動(dòng)作信號(hào)”、 “4#閘門正常關(guān)門操作信號(hào)”同時(shí)出現(xiàn)，說明雷擊過電壓對(duì)3、4號(hào)啟閉機(jī)控制系統(tǒng)同時(shí)產(chǎn)生影響，4號(hào)機(jī)組當(dāng)時(shí)因?yàn)樵跈z修，閘門已在全關(guān)位置。

2.3 綜合原因分析：如圖1所示

（1）3號(hào)機(jī)緊急落閘門時(shí)， 3號(hào)機(jī)組還處于發(fā)電狀態(tài)，有功PID投入，上位機(jī)沒有任何事故信號(hào)，當(dāng)閘門下滑過程中，調(diào)速器只有增加導(dǎo)葉開度來增加負(fù)荷，直至導(dǎo)葉開度開至最大，但由于鋼管水壓下降導(dǎo)致機(jī)組有功負(fù)荷逐漸降到零。

（2）上位機(jī)及壩頂LCU觸摸屏均同時(shí)報(bào)送信息：“新廠壩頂3#閘門遠(yuǎn)方事故落閘門動(dòng)作”，因24VDC落門電磁閥有遠(yuǎn)方落門反饋信號(hào)上送至上位機(jī)，220VDC落門電磁閥無落門反饋信號(hào)上送至上位機(jī)，所以初步確認(rèn)雷擊使24VDC落門電磁閥動(dòng)作引起落門事故。

（3）根據(jù)運(yùn)行人員反映，當(dāng)時(shí)聽見雷聲后不久機(jī)組聲音發(fā)生變化，即可判斷雷電發(fā)生后出現(xiàn)緊急關(guān)閉閘門，機(jī)組出力減少，開度變大，震動(dòng)變大，而3號(hào)機(jī)組現(xiàn)地監(jiān)控LCU及上位機(jī)簡(jiǎn)報(bào)信息及事故光字沒有任何關(guān)于機(jī)組的事故啟動(dòng)源信號(hào)，也沒有啟動(dòng)機(jī)組事故停機(jī)流程，排除機(jī)組PLC開出落閘門的可能。

2.4 雷擊過電壓引起落門回路動(dòng)作分析如圖2

如圖2所示，C0為落門中間繼電器動(dòng)合觸點(diǎn)（回路自保持觸點(diǎn)）間隙電容，C1、C2分別為壩下廠房至壩頂監(jiān)控LCU現(xiàn)地控制單元屏控制電纜對(duì)地耦合電容，當(dāng)雷擊電壓感應(yīng)在落門回路電源24VDC正極，分析如下：

（1）由圖可知正常時(shí)C1的對(duì)地電容電壓為雷擊電壓U，endprint

如果C1兩端的對(duì)地電壓為零，則說明壩下廠房至壩頂監(jiān)控LCU現(xiàn)地控制單元屏控制電纜正極絕緣破壞，結(jié)果使電源正極接地，電源故障，但不會(huì)引起保護(hù)回路動(dòng)作。

（2）落門按鈕兩端電壓為：U落=C2/（C落+C2）*U（公式1），機(jī)組LCU落門按鈕布置在壩下廠房，距離雷電中心較遠(yuǎn)，按鈕動(dòng)合觸點(diǎn)間隙較大（大于5mm），空氣間隙被擊穿導(dǎo)通的可能性較小。

（3）C0兩端的電壓為：U0=C2/（C0+C2）*U≈U（C2>>C0）（公式2），由公式可知，雷擊電壓大部分加在C0兩端，又因落門中間繼電器KA1為微型繼電器，動(dòng)合觸點(diǎn)間隙極小（C2>>C0），當(dāng)雷擊電壓大于空氣間隙擊穿電壓時(shí)，短路電弧將落門回路導(dǎo)通。

（4）當(dāng)雷擊電壓感應(yīng)在落門回路電源24VDC負(fù)極，C2的對(duì)地電容電壓為雷擊電壓U，如果C2兩端的對(duì)地電壓為零，則說明控制電纜負(fù)極對(duì)地絕緣破壞，結(jié)果使電源負(fù)極經(jīng)落門繼電器線圈接地，落門繼電器動(dòng)作。

（5）故障源排除：現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試各電纜對(duì)地絕緣電阻合格，排除電纜絕緣原因引起的故障。

由以上結(jié)果可知，引起保護(hù)誤動(dòng)主要原因?yàn)椋豪讚羧妷篣加在24VD電源正極，微型繼電器動(dòng)合觸點(diǎn)間隙極小。

2.5 采取的防范措施及改進(jìn)意見

為了防止事件再次發(fā)生，已采取如下措施：

（1）檢查各接線端子應(yīng)緊固，控制電纜屏蔽接地應(yīng)可靠。

（2）檢查完善機(jī)組緊急事故流程及壩頂落閘門回路。

（3）將落門中間繼電器取兩對(duì)動(dòng)合觸點(diǎn)串聯(lián)后與遠(yuǎn)方落門按鈕并聯(lián)作為回路自保持使用，以提高雷擊過電壓時(shí)空氣間隙距離。

（4）改進(jìn)落閘門回路中供電方式，將直流24V改為直流220V，增強(qiáng)抗干擾能力。

2.6 進(jìn)一步改進(jìn)及實(shí)施對(duì)策

（1）聯(lián)系廠家，提高電氣設(shè)備及元器件抗干擾能力；

（2）對(duì)落門電磁閥重新選型，采用更可靠的帶位置自保持的電磁閥作為落門電磁閥控制，這樣對(duì)落門控制就不需要自保持信號(hào)，只要控制脈沖時(shí)間大于落門電磁閥可靠動(dòng)作時(shí)間即可。既取消落門自保持回路，又盡可能避免了雷電過電壓對(duì)回路的危害。

（3）定期檢測(cè)二次設(shè)備對(duì)接地網(wǎng)的接地電阻以及接地網(wǎng)本體的接地電阻是否滿足接地要求；定期檢測(cè)控制電纜對(duì)地絕緣，發(fā)現(xiàn)異常即使更換。

（4）定期檢查防雷裝置功能是否滿足要求。

3 改進(jìn)后效果

通過在控制系統(tǒng)電源輸入側(cè)加裝二次防雷裝置，選擇具備自鎖功能的落門電磁閥，取消落門繼電器自保持回路，有效提高了抗雷擊干擾性能。

參考文獻(xiàn)：

[1]南瑞計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)地LCU控制屏原理圖[Z].

[2]王麗.高電壓技術(shù)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2010.

[3]李國(guó)平，王江艷，延建志.智能變電站二次設(shè)備運(yùn)行維護(hù)分析[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2014（30）：179.

[4]韓曉紅.智能變電站二次設(shè)備運(yùn)行維護(hù)及故障處理[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2015（25）：206.

[5]朱林.淺談變電站二次設(shè)備狀態(tài)檢修[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2017（25）：188+190.endprint