水力發電站智慧防雷措施與檢測

李三雁，楊昊東，鄧 勇

(四川大學錦城學院，四川 成都 611731)

0 引 言

雷擊及雷電是自然界大氣中超長的放電過程，產生一種強烈光電混合現象，具有強大的電流和超高溫度，伴隨著強大的沖擊波、強烈的電磁輻射以及感應電流瞬間聚積產生巨大的破壞力，嚴重威脅社會公共安全和人民生命財產安全[1]。

我國多數水力發電站都建設在高山峽谷型河流上，地勢險峻、水流湍急，水力發電站儲水大壩的潮濕氣候在冷熱氣流交換過程中冷空氣下降，熱空氣上升，這就使得水力發電站成了雷云形成的高發地帶，使大壩體、閘門口、大堤、中央控制室、輸水管、發電機、水輪機等所有這些建筑物和設備容易受到雷擊破壞，給水力發電站及庫區造成重大的安全隱患和經濟財產損失[2-3]。

為保證水力發電站安全運行，應做到預防為主，進行合理可靠的科學技術防范，本文提出水力發電站的智慧防雷措施與檢測。

1 雷電防護檢測一般原則和常用方法

1.1 水力發電站防雷重點檢測部位

水力發電站建筑物內部防雷系統環境比較復雜，在實際工程建筑物內的防雷布局和設施可能發生多項破壞，有些隱蔽工程不易發現（如大壩、發電設備、廠房等），如圖1所示。重點部位防止雷電破壞，首先要保證重點部位有效接地電阻、波動電磁符合國家標準，同時對物體、機房等多處避雷針設計要高于大壩、發電設備，使雷電從被保護物體轉移到地面[4-5]。

圖1 大壩檢測示意圖

1.2 防雷檢測的主要檢測參數

建筑體防雷檢測，必須嚴格按照國家和地方相關標準規范執行。我國現行建筑物防雷檢測執行的標準是GB /T 21431－2015《建筑物防雷裝置檢測技術規范》[6]和GB/T 32938-2016《防雷裝置檢測服務規范》[7]等。根據其要求，建筑物防雷裝置的主要檢測參數如表1所示。具體的檢測參數，需考慮設計文件、首次檢測或定期檢測等綜合因素來確定。

1.3 電位降壓法用于接地點位測試

在防護水力發電站雷電破壞過程中，首先要定期檢測測試機組、大壩體接地零線是否獨立接到零線上，決不能斷線。為阻止雷擊頻率可多移動，重復將零線接地。做到庫區發電系統智能大數據全面跟蹤，了解掌握庫區發電系統雷暴出現高發期和接地零線的電位差。利用歐姆定律，一般多采用電位降壓法，測試電流與接地極和電位極間的電位差Ug，如圖2 所示。

表1 建筑物防雷裝置的主要檢測參數

圖2 接地點位測試

將接地導體接入地極瞬間，使電位差達到零電位差和用歐姆定律兩端的電位差Ug來檢測防雷基本原則，同時對接地電阻波動電磁要做評價，即R≤10 Ω。

1.4 利用電磁屏蔽法檢測水利發電站安全性

屏蔽是減少雷擊、雷電破壞的重要環節，根據不同的季節、地段采用不同防雷措施，用電磁兼容屏蔽雷電破壞。

發電設備、電子設備、建筑物中的鋼筋和鋼架等都是電擊要點。首先要接地導電，同時可采用無金屬結構的建筑物，如磷混合物對電磁波有一定的屏蔽作用（約9.5 dB）。重要部位要進行圍格式、架空式屏蔽，在建筑物周圍用避雷針和鋼筋混凝土物體進行屏蔽，使接地點導路通暢。

一般建筑物的鋼架和鋼筋屬開放性屏蔽結構，而專用屏蔽室如重要控制室和高電壓機房等一般呈非開放性屏蔽，都采用厚2～3 mm實體鋼板構成，兩種屏蔽效果測量基本原理相同，檢測、測試操作有區別。

無金屬結構的建筑物，電磁波屏蔽功能應在9.5 dB。可形成架空接閃網進行雷擊接地，架空網的距離x=30 m，如圖3所示。平面地網的使用一般在水庫大壩的建筑物中使用，做到壩體自行引電防雷，如圖4所示。防雷電除了防直擊雷外，還應該防止感應雷產生電磁感應和靜電感應，參考GB50343-2012《建筑物電子信息系統防雷技術規范》[8]。

圖3 防雷電架空接地線纜網示意圖

圖4 平面接地網布局設計

2 水力發電站庫區防雷布局設計要求

要建立水力發電站智能安全防雷布局，監控管理各子系統監控系統正常運行，如圖5所示。

圖5 防雷布局組織圖

對防雷監控系統要定期檢查，特別以上6個重點布防部位要對功能、信息、環境條件進行排查。遠程多點數據采集、傳遞，做到智能化系統防雷電入侵措施。當線路采用地埋電纜引入時將電纜金屬外皮與接地裝置相連；采用架空電纜直接引入時應在入口處設置SPD電涌保護裝置，將電纜剝皮與接地裝置接上[9]。

3 防雷具體措施

3.1 發電系統

發電機房、水輪機及系統電力部分、中央控制室電線和電纜盡量用鋼管地埋方式敷沒在相聚25 m左右增加接地電極。接地材料一般采用1.5 m長、1～3 cm寬的鍍鋅鋼管，半端形成鈍角，入地一段要進行防腐處理。如果管線的接地電阻能夠滿足接地要求＜4 Ω，接地管線可以作為接地電極；如果電極接地電阻不能滿足要求，可以同時并連接地電極達到防雷要求[10-11]。

3.2 中央控制室

中央控制室應做到系統防雷要求，中控室防雷主要指系統中控室線路防雷。防雷最好方法是在設備及線路上采用光電隔離模塊。根據要求選擇不同的光電隔離模塊，在中控室計算機接口采用485光電隔離模塊在無線與終端之間需要加高頻饋線防雷器將有效保護終端設備。中控室線路設計盡量采用光電布置、采用地埋式，這樣可以使中控室安全、暢通、可靠，減少雷擊對中控室的破壞和干擾。電源系統在安裝過程中應有電源防雷箱，然后再將電源接到室內電盤。在每個輸送電纜控制接口上都要安裝光電隔離模塊和避雷器。避雷器與避雷箱要求接在接地電極上，接地電極電阻要≤4 Ω。接地體應在空地周圍50～100 m的地方，用銅包電極或者石墨電極圍繞防雷區可形成一字型接地體、接地極。

3.3 信號防雷

信號防雷在水力發電站尤為重要，并且比較廣泛，種類較多，有電信號、電壓信號、電阻信號、視頻信號、傳真信號等。根據不同的設備原理，造取不同的避雷器，用各種傳感器在防雷區域通過信號線將傳感器收集的信號及時收集到數據庫中，通過大數據分析，采取相應的措施在信號輸送過程中增加信號避雷裝置，以保護信號單元防雷電，提高系統的可靠性和安全性，達到防雷電的效果。

3.4 水庫大壩

水庫大壩防雷系統，應在內部進行滲流測試，根據大壩情況進行多處設制DAU數據采集單元、多個水位傳感裝置，在庫區全部布置地埋鍍鋅鋼管系統，在線路的沿線每隔30～50 m左右設有接地機構，以提高防雷系統的接地效果。布線全部采用RVVSP信號電纜，要有抗干擾特性；水位傳感系統應配S24信號避雷裝置。數據采集系統DAV端接處要有MTA-20多信號避雷裝置系統與中心控制室采用地埋光纜通訊設備與計算機通過MOXA帶有多串口卡連接，以便系統電源信號、布線上都能做到防雷要求。

3.5 避雷針與鐵塔

在水力發電站防雷就需要建立相應保護設備和多個防直擊雷的避雷針與鐵塔。假如避雷針處在建筑物為等腰三角形的頂點上，這時避雷針高度高應滿足避雷高度 覆蓋鐵塔布局。求出避雷針高度滿足鐵塔防雷高度，在實際制作下避雷針可以略加高于 1～1.5 m。

3.6 電源設計防雷

在系統電源中一般從機庫到中控室引入電源線應盡量采用穿線鋼管地埋法沒埋，并在相距25 m左右增加地極點。接地地級一般采用1.5 m，1.5～2.5 cm鍍鋅離板和鍍鋅鋼管與管線焊接在一起。焊點處要做防腐處理，防止腐蝕脫落，保證導雷電效果，在電源的接入處應接電源避雷箱，電源回路的接地電阻應＜4 Ω，同時管線可以作為接地電極。如果管線的接地電阻不能滿足要求，就需要在管線上多焊接接地體與避雷箱連接。現場設備電源也要接入電源避雷設備，接地接在鋼管口，這樣電源的兩端都到達了防雷裝置的要求，有利于保護設備建筑物體。

4 結束語

水力發電站防雷智慧措施檢測是一項復雜工程，維護工作必須根據設備、物體的設計要求及實際所處的地理環境對水力發電站所有部位進行定期與不定期測量接地電阻，保障防雷設施完好無損，確保雷電不會給水力發電站帶來雷電災害，做到設備建筑物的零損失；同時在電站設計初期就必須要重視系統防雷電措施設計，做好大壩、中控室、電源、通信信號等建筑的防雷設計，避免系統二次改造造成損失。