王 崢

（山西省水利水電勘測設(shè)計研究院，山西 太原 030024）

1 工程概況

關(guān)河水電站是關(guān)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(guān)河水庫壩后右山側(cè)，裝機(jī)容量3×700 kW，最高年發(fā)電量535萬kW·h。工程任務(wù)是充分利用水庫的放水量及蓄水水頭，更新機(jī)組，提高發(fā)電量和年利用小時數(shù)。

眾所周知，水力發(fā)電廠大都依山傍水，處于雷擊頻繁的環(huán)境，雷擊嚴(yán)重威脅著發(fā)電廠設(shè)備的安全運(yùn)行。為達(dá)到“整體防護(hù)、綜合治理、層層設(shè)防”的防范原則，下面結(jié)合配電設(shè)備的雷擊損壞機(jī)理，就防雷技術(shù)進(jìn)行簡要闡述。

2 防雷保護(hù)

由于關(guān)河水電站建成近50年，電站防雷設(shè)備（避雷帶、避雷針）銹蝕非常嚴(yán)重，大多外露鋼材銹蝕厚度達(dá)到2 mm，在發(fā)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(jìn)行重新敷設(shè)，避雷帶采用直徑8 mm的鋼筋，引下后敷設(shè)人工接地極，并對35 kV變電站避雷針進(jìn)行更換。根據(jù)規(guī)范要求，防雷接地電阻不大于10 Ω。

小型水電站電力設(shè)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(hù)設(shè)計

直擊雷保護(hù)可采用避雷針或避雷線保護(hù)。水電站的室外配電裝置包括組合導(dǎo)線和母線廊道、磚木結(jié)構(gòu)的主廠房和屋內(nèi)配電裝置、大型變壓器修理間等建筑物及需要保護(hù)的其他設(shè)施。

設(shè)計時，首先應(yīng)確定避雷針的大致位置。充分利用山區(qū)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(hù)物高度9 m水平面處的保護(hù)半徑為30 m。最后是計算避雷針的高度。根據(jù)計算及相關(guān)經(jīng)驗可知，應(yīng)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(shè)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(dǎo)線等均在該避雷針的保護(hù)范圍內(nèi)，因此裝設(shè)單支避雷針即可滿足要求。

2.2 雷電侵入波過電壓保護(hù)設(shè)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(jī)等具有平緩伏秒特性的電氣設(shè)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(jī)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(fā)、變電站的進(jìn)出線段上，用以保護(hù)線路的絕緣或限制進(jìn)入發(fā)電站、變電所的雷電侵入波的幅值。發(fā)電站和變電所的變壓器及電氣設(shè)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(jìn)線段保護(hù)

進(jìn)線段保護(hù)主要是使雷不直接擊在導(dǎo)線上，且利用進(jìn)線段本身阻抗來限制雷電流幅值，利用導(dǎo)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(jìn)線段1～2 km長度內(nèi)進(jìn)行直擊雷保護(hù)。

2.2.3 旋轉(zhuǎn)電機(jī)保護(hù)

發(fā)電機(jī)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(jù)。沖擊系數(shù)1～1.2。為防止發(fā)電機(jī)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(fā)電機(jī)上電壓的差值。

2.2.4 其他配電裝置的保護(hù)

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(yīng)裝設(shè)閥型避雷器。該組閥型避雷器與被保護(hù)的電氣設(shè)備的電氣距離不能超過一定數(shù)值。如果超過允許值，則應(yīng)適當(dāng)增設(shè)避雷器，以使配電裝置的全部電氣設(shè)備得到保護(hù)。閥型避雷器應(yīng)以最短的接地線連接到配電裝置的總接地網(wǎng)上。

3 接地裝置設(shè)計

3.1 接地裝置特點

一是水電站建在山區(qū)河流的峽谷地區(qū)，位于堅固的巖石基礎(chǔ)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(yīng)充分利用自然接地體，必要時可采用水下接地網(wǎng)、深埋接地體等方法。二是水工建筑物和電力設(shè)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(jī)電設(shè)備經(jīng)常是分期施工安裝，需根據(jù)接地短路電流的大小，分別驗算發(fā)電初期和全部建成投產(chǎn)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(shè)水下接地網(wǎng)。

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(shè)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(shù)。

3.3 充分利用自然接地體做接地線

水電站主廠房機(jī)組間設(shè)沉下縫。沉下縫將鋼筋混凝土分成幾個獨(dú)立部分，應(yīng)在屋頂、發(fā)電機(jī)層和水輪機(jī)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(yīng)敷設(shè)補(bǔ)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(jié)構(gòu)相連。廠房尾水管的底板如有錨固用的插筋，應(yīng)敷設(shè)補(bǔ)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(jié)構(gòu)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(wǎng)時，應(yīng)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(shè)1根扁鋼作為輔助接地線，該輔助接地線一端與接地網(wǎng)相連，另一端與設(shè)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(guān)重要。在關(guān)河水電站施工過程中，施工人員錯誤地將防雷網(wǎng)的引下線直接接到工作接地網(wǎng)上，經(jīng)過接地網(wǎng)再到接地極，很容易把雷電引到室內(nèi)的高壓柜及一些帶電的設(shè)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。