李勛東,別華斌,張仁貢
(1.深圳能源集團(tuán)深能水電浙江分區(qū),浙江 麗水 323000;2.安吉老石坎水庫(kù)管理所,浙江 安吉 313300;3.浙江禹潤(rùn)水利水電科技研究院,浙江 杭州 310000)
五里亭水電站位于甌江中游,水電站裝有3臺(tái)14 MW的燈泡貫流式水輪機(jī)組,額定水頭7.1 m,額定流量225 m3/s。五里亭水電站閘壩全長(zhǎng)502.5 m,其中18孔泄洪閘全長(zhǎng)276.0 m,14孔淺灘區(qū),閘底板高程28 m,4孔深槽區(qū),閘底板高程26 m;1孔船閘總寬25 m,船閘通航標(biāo)準(zhǔn)500 t級(jí)。擋水壩段總長(zhǎng)84.45 m;右岸接頭壩長(zhǎng)56.5 m,最大壩高24.4 m;擋水壩左岸布置60.55 m長(zhǎng)的高噴砼防滲墻。2016年,五里亭水電站開(kāi)展了閘門(mén)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的技術(shù)改造,實(shí)現(xiàn)了閘門(mén)的遠(yuǎn)程集中監(jiān)控,壩區(qū)建設(shè)了現(xiàn)地監(jiān)控房,在廠(chǎng)房區(qū)建設(shè)了閘門(mén)遠(yuǎn)程監(jiān)控中心。安裝了18套PLC系統(tǒng)和人機(jī)界面,4套光纖通信服務(wù)器,2臺(tái)工業(yè)級(jí)集中控制機(jī)以及包含800 m光纖的通信系統(tǒng)。
水電站大壩屬于雷區(qū),隨著電氣設(shè)備、控制柜、集控中心設(shè)備的大量增加,防雷安全問(wèn)題成為重要問(wèn)題,需要對(duì)閘壩綜合防雷體系進(jìn)行深入研究。防雷系統(tǒng)問(wèn)題主要表現(xiàn)在:
(1)閘壩建筑物外部防雷不符合要求。隨著閘壩自動(dòng)化系統(tǒng)的安裝,接地電阻的規(guī)范要求必須滿(mǎn)足電氣自動(dòng)化設(shè)備的防雷要求[1],即接地電阻值要小于10 Ω,但是原來(lái)監(jiān)測(cè)點(diǎn)檢測(cè)的接地電阻值遠(yuǎn)大于10 Ω,且未安裝避雷帶型接閃器以及引下線(xiàn),接地體的數(shù)目偏少[2]。
(2)感知體系與控制房之間的防雷過(guò)渡防護(hù)非常薄弱。閘控現(xiàn)場(chǎng)內(nèi)共安裝了18套PLC系統(tǒng)和人機(jī)界面,4套光纖通信服務(wù)器,2臺(tái)工業(yè)級(jí)集中控制計(jì)算機(jī)以及包含800 m光纖的通信系統(tǒng)。每扇閘門(mén)的現(xiàn)地控制柜內(nèi)都外連有若干傳感器。閘門(mén)集中控制系統(tǒng)采用了總線(xiàn)系統(tǒng),閘門(mén)遠(yuǎn)程集中監(jiān)控中心采用工業(yè)以太網(wǎng)通信系統(tǒng),各個(gè)通信信號(hào)端口采用電氣鏈接。但是目前通信系統(tǒng)尚無(wú)防雷屏蔽,信號(hào)端口尚都沒(méi)有安裝防雷擊的電磁脈沖浪涌保護(hù)器,過(guò)渡防護(hù)尚且非常薄弱。
(3)現(xiàn)地控制系統(tǒng)和遠(yuǎn)程集控中心尚無(wú)內(nèi)部防護(hù)。閘門(mén)控制系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)等需要諸多配電設(shè)備,設(shè)置配電室和閘門(mén)控制室于大壩之上,電源接地制式為T(mén)N-S,遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到配電設(shè)備防雷的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求[3],且中控室內(nèi)尚沒(méi)有配置匯流排和均勻等電位連接體。
依據(jù)五里亭水電站閘壩的實(shí)際情況,結(jié)合當(dāng)?shù)氐臍庀?、環(huán)境條件、地理位置等情況,參考當(dāng)?shù)囟嗄昀纂娀顒?dòng)規(guī)律,設(shè)計(jì)五里亭水電站閘壩的防雷體系。
五里亭水電站閘壩的防雷體系由三部分組成,即外部防護(hù)模塊、過(guò)渡防護(hù)模塊和內(nèi)部防護(hù)模塊。
(1)外部防護(hù)模塊。該模塊由接閃器、引下線(xiàn)和接地體等組成,其原理是通過(guò)接閃器將雷電流沿引下線(xiàn)安全地引流入大地接地體,主要防止雷電直接擊在建筑物和設(shè)備上。
(2)過(guò)渡防護(hù)模塊。該模塊由若干防雷器、屏蔽、接地、布線(xiàn)等組成,是一個(gè)綜合型的防護(hù)體系。
(3)內(nèi)部防護(hù)模塊。該模塊由均壓等電位連接體和過(guò)電壓保護(hù)元件等組成,可均衡系統(tǒng)電位,限制過(guò)電壓幅值,以滿(mǎn)足設(shè)備就近接地要求[4]。
自從2016年五里亭水電站完成了閘門(mén)遠(yuǎn)傳系統(tǒng)及控制中心的自動(dòng)化技術(shù)改造和升級(jí)[5],諸多自動(dòng)化控制設(shè)備如工控主機(jī)、顯示器、光纖服務(wù)器、光纖通信系統(tǒng)、泄洪閘監(jiān)控屏、PLC、HMI、閘門(mén)控制儀、編碼器、不間斷電源以及配件等需要進(jìn)行防雷防護(hù)。五里亭閘壩綜合防雷防護(hù)體系原理圖如圖1所示。
圖1 五里亭閘壩綜合防雷防護(hù)體系原理圖
從圖2可知,該體系的優(yōu)點(diǎn)在于:①模塊化。該系統(tǒng)由三個(gè)模塊組成,各個(gè)模塊集成為一個(gè)整體,相互配合,以滿(mǎn)足水利閘壩的復(fù)雜防雷應(yīng)用。②通用性。該系統(tǒng)可以結(jié)合水利閘壩的實(shí)際情況,如閘壩所處的地理、地質(zhì)、土壤、氣象、環(huán)境等條件和雷電活動(dòng)規(guī)律等的基礎(chǔ)上,可以自由組合各個(gè)模塊的數(shù)量和安裝方便,具有很強(qiáng)適應(yīng)性和通用性。③經(jīng)濟(jì)性。本系統(tǒng)可以依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況,以最大保護(hù)范圍的原件模塊數(shù)量的選擇和恰當(dāng)組合,節(jié)約固定式防護(hù)裝置的不必要浪費(fèi),經(jīng)濟(jì)性好。
(1)接閃器的安裝
在五里亭水電站的閘壩控制室和配電室的房頂安裝避雷帶型接閃器,同時(shí)在房子的四個(gè)角落、房子的背脊處和房子的檐角處布置避雷帶型接閃器,各個(gè)避雷帶型接閃器采用Φ12 mm鍍鋅圓鋼鏈接,避雷帶型接閃器安裝在鍍鋅支架上,該支架為150 mm高,采用Φ12 mm鍍鋅扁鋼構(gòu)架,每隔1 m安裝1個(gè)。最后將避雷帶型接閃器表面涂裝銀漿,以便防腐。
(2)引下線(xiàn)的安裝
沿五里亭水電站閘壩的外側(cè)背水面和對(duì)水面分別均勻間隔安裝20條引下線(xiàn),引下線(xiàn)采用Φ12 mm鍍鋅圓鋼,上套Φ25 mm絕緣防護(hù)型PVC管,具有絕緣和防損壞作用。引下線(xiàn)采用支架固定,支架基座安裝在閘壩墻體內(nèi)。
(3)接地體的安裝
在每個(gè)引下線(xiàn)接地下需要安裝1組CPD2000型接地體,每組為2塊,水平橫向成一字形擺放,通過(guò)40 mm×4 mm扁鋼與引下線(xiàn)可靠焊接。在閘壩外側(cè)再加裝人工接地體,先挖一個(gè)正方形的坑,邊長(zhǎng)4 m,深1.4 m。然后,將40 mm×4 mm扁鋼焊接成網(wǎng)狀放置在坑底,并將16根長(zhǎng)1.5 m、寬25 mm的鍍鋅扁鋼從坑底垂直打入地下,并接地網(wǎng)焊接,在坑底用約5~10 cm絕緣皮質(zhì)物墊平,將坑底土壤澆水濕潤(rùn)。接著,在接地坑邊置一個(gè)灰斗,倒降阻劑干粉于灰斗中,加水均勻攪拌成糊狀,連續(xù)均勻地澆灌在接地體周?chē)?,待降阻劑凝固后添加原土夯?shí),在地下用40 mm×4 mm雙層熱鍍鋅扁鋼交叉焊接并引出地面,再用40 mm×4 mm扁鋼排與均壓等電位連接體相連,引出地面部分作為接地裝置。
(1)浪涌保護(hù)器(SPD)
將防雷防護(hù)的 LPZ0、LPZ1、、LPZ2、LPZ3四個(gè)不同等級(jí)的區(qū)域交界處安裝浪涌保護(hù)器,采用通過(guò)多級(jí)鉗位使殘壓逐步降低的原理,來(lái)抑制外部雷電波和雷電電磁脈沖的入侵。五里亭水電站閘壩監(jiān)控系統(tǒng)[6]的電子電氣設(shè)備由TN交流系統(tǒng)配電供電,配電系統(tǒng)的線(xiàn)路采用TN-S型接地方式,按照該特點(diǎn),結(jié)合防雷技術(shù)規(guī)范和實(shí)踐情況,進(jìn)行浪涌保護(hù)設(shè)計(jì),如圖2所示。
圖2 浪涌保護(hù)設(shè)計(jì)圖
實(shí)踐應(yīng)用中,在五里亭水電站閘壩配電房?jī)?nèi)并聯(lián)安裝5組CPM-R100T型浪涌保護(hù)器,第一級(jí)浪涌保護(hù)器電源采用16 mm2銅導(dǎo)線(xiàn)連接相線(xiàn),第二級(jí)浪涌保護(hù)器電源采用25 mm2銅導(dǎo)線(xiàn)連接相線(xiàn)。同時(shí)采用銅質(zhì)絕緣導(dǎo)線(xiàn)與均壓等電位連接體進(jìn)行可靠電氣連接。
(2)閘壩內(nèi)部屏蔽保護(hù)
五里亭水電站閘壩內(nèi)部安裝有壩體自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的各種設(shè)備及通信系統(tǒng),這些設(shè)備可能會(huì)受到直擊雷、感應(yīng)雷、脈沖雷以及地電位反擊等。直擊雷的概率相對(duì)較小,大部分是感應(yīng)雷、脈沖雷以及地電位反擊。感應(yīng)雷來(lái)源于閘壩附近落雷形成的電磁場(chǎng)感應(yīng),脈沖雷來(lái)源于從電源線(xiàn)路和信號(hào)線(xiàn)路侵入的雷電電磁脈沖,地電位反擊來(lái)源于由接閃器接閃后的接地裝置引起的地電位反擊。
針對(duì)直擊雷,在非防護(hù)區(qū)(LPZ0A)、直擊雷防護(hù)區(qū)(LPZ0B)、第一防護(hù)區(qū)(LPZ1)的交界處安裝了前述的浪涌保護(hù)器。針對(duì)感應(yīng)雷,閘壩內(nèi)部的所有傳感設(shè)備通信設(shè)備,它們的金屬外殼、信號(hào)線(xiàn)、防靜電地板、SPD接地線(xiàn)、PE線(xiàn)、屏蔽線(xiàn)纜和屏蔽金屬管全部與均壓等電位連接體就近進(jìn)行電氣連接。針對(duì)脈沖雷,閘壩內(nèi)部的地網(wǎng)和廊道地網(wǎng)基本采用了共用一個(gè)接地系統(tǒng)。針對(duì)地電位反擊,接地干線(xiàn)采用銅芯絕緣導(dǎo)線(xiàn),截面積不小于16 mm2,穿管就近敷設(shè)至均壓等電位接地端子板。
(3)閘門(mén)監(jiān)控設(shè)備信號(hào)端防雷保護(hù)
五里亭水電站閘壩的閘門(mén)監(jiān)控現(xiàn)地設(shè)備,采用MODBUS現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)與壩上現(xiàn)地控制房鏈接,現(xiàn)地控制房控制柜通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)與集控中心鏈接。工業(yè)以太網(wǎng)采用光纖,無(wú)需防雷[7]。但MODBUS現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的信號(hào)端口都要進(jìn)行防雷防護(hù)。在傳感器引入總線(xiàn)的SSI端口處串聯(lián)安裝信號(hào)防雷器,防止通過(guò)信號(hào)線(xiàn)進(jìn)入現(xiàn)地控制柜的雷電浪潮。在現(xiàn)地控制房?jī)?nèi),重要的監(jiān)控設(shè)備,如PLC、單片機(jī)采集器等,加裝浪涌保護(hù)器。對(duì)閘門(mén)監(jiān)控線(xiàn)路的監(jiān)測(cè)與控制兩端加裝防雷裝置。
(1)五里亭水電站閘壩內(nèi)部沿廊道內(nèi)側(cè)安裝CPD2000接地極20組,形成接地環(huán)網(wǎng),水平焊接40 mm×4 mm雙層熱鍍鋅扁鋼,低電阻率土壤分層回填夯實(shí),在配電柜內(nèi)側(cè)沿墻均勻安裝等電位聯(lián)結(jié)端子箱20個(gè),便于以后擴(kuò)充。
(2)五里亭水電站閘壩廠(chǎng)房?jī)?nèi)的配電柜,采用40 mm×4 mm扁鋼接入,配電柜電源輸入端并聯(lián)安裝一組CPM-R100T浪涌保護(hù)器,加裝1組(每組6塊)CPD2000接地板。
五里亭水電站閘壩經(jīng)過(guò)綜合防雷體系的設(shè)計(jì),取得了很好的運(yùn)行效果。目前已經(jīng)運(yùn)行三年,接地電阻測(cè)試符合規(guī)范要求,各類(lèi)系統(tǒng)的防雷效果良好,電子元器件的損壞率明顯降低。2018年7月2日在閘壩變壓器遭直擊雷而停電的情況下,經(jīng)過(guò)檢查各類(lèi)監(jiān)控設(shè)備與通信系統(tǒng),均工作正常,設(shè)備運(yùn)行正常。各類(lèi)檢查充分表明,這項(xiàng)綜合性的防雷改造是非常有效的,雷電防護(hù)綜合設(shè)計(jì)方案值得水電站同行學(xué)習(xí)借鑒。同時(shí),通過(guò)研究和運(yùn)行實(shí)踐,筆者將與國(guó)內(nèi)同行一起,繼續(xù)研究和探索雷電防護(hù)技術(shù)體系和應(yīng)用。