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(qū)，戶外升壓站經(jīng)常遭受雷擊，有必要對其雷擊故障進(jìn)行分析，并提供解決方案。本文結(jié)合魚潭水電廠的升壓站設(shè)備布置、地形及土壤電阻率等進(jìn)行分析，探討升壓站所的防雷措施與技術(shù)手段，并嚴(yán)格按規(guī)程規(guī)范進(jìn)行整改，改造效果良好，確保了水電廠設(shè)備的安全運(yùn)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(qū)蘊(yùn)含著豐富的水資源，水力發(fā)電具有很大發(fā)展?jié)摿Γ摰貐^(qū)以山區(qū)為主，地形地勢復(fù)雜，雷電活動頻繁。但該地區(qū)所屬水電廠多屬小型水電廠，在建設(shè)施工時防雷設(shè)計不規(guī)范，導(dǎo)致該地區(qū)許多水電廠投運(yùn)后雷害嚴(yán)重，頻繁引發(fā)機(jī)組因雷擊造成的跳機(jī)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(jìn)行分析，并進(jìn)行了實(shí)際防雷改造。該廠實(shí)施升壓站防雷改造后，機(jī)組因雷擊導(dǎo)致的機(jī)組跳機(jī)事件再未發(fā)生。文中提供了一種山區(qū)水電廠防雷改造方案，可以為偏遠(yuǎn)山區(qū)水電站的雷電防護(hù)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(qū)溫塘鎮(zhèn)漆樹灣村澧水中游干流U型峽谷中，于1997年7月投產(chǎn)發(fā)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(jī)總?cè)萘繛?0 MW，其中1—3號機(jī)組容量都為20 MW，4號機(jī)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(jī)組與1號主變組成擴(kuò)大單元接線，3號機(jī)組與2號主變組成單元接線，4號機(jī)組與3號主變組成單元接線。發(fā)電機(jī)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(tǒng)相連。由于地形限制，1，2號和4號主變間隔及110 kV開關(guān)站室內(nèi)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(qū)，雷電活動強(qiáng)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(fā)雷擊事故。為防止直擊雷侵襲，3號主變間隔高壓側(cè)構(gòu)架上裝設(shè)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(hù)配置情況

2 升壓站設(shè)備損壞原因分析

2.1 設(shè)備故障情況

1)設(shè)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(fā)生雷擊事故造成4號機(jī)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(fā)生的雷擊故障最為嚴(yán)重，造成3號主變A相和B相高壓線圈燒毀，導(dǎo)致3號主變故障停運(yùn)。

2)現(xiàn)場查勘情況

經(jīng)現(xiàn)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(shè)在3號主變間隔的 “A”型構(gòu)架上，110 kV架空線路的避雷線終端連接到 “A”型構(gòu)架上，避雷針及避雷線接地引線沿著構(gòu)架與主接地網(wǎng)連接，實(shí)測該構(gòu)架距3號主變外殼2.5 m，距主變接地點(diǎn)3.2 m。由上述測量結(jié)果可知，魚潭水電廠的接地網(wǎng)設(shè)計和敷設(shè)主要存在以下嚴(yán)重問題:

①接地方式與 《電力設(shè)備過電壓保護(hù)設(shè)計技術(shù)規(guī)程》規(guī)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(gòu)或房頂上，但在土壤電阻率大于1 000 Ω·m的地區(qū)，宜裝設(shè)獨(dú)立避雷針；否則，應(yīng)通過驗(yàn)算，采取降低接地電阻或加強(qiáng)絕緣等措施〔1〕。

②避雷針架設(shè)方式與 《交流電氣裝置的接地》要求不符:獨(dú)立避雷針接地點(diǎn)至變壓器接地點(diǎn)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(yàn)情況和現(xiàn)場測量情況可知，魚潭水電廠土壤電阻率為2 500 Ω·m，未獨(dú)立敷設(shè)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(guī)程要求的15 m差距較大。仿真計算發(fā)現(xiàn)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(yán)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(dá)600 kV，超出主變絕緣強(qiáng)度，從而造成主設(shè)備損壞或者保護(hù)誤動作?？梢姡~潭升壓站3號避雷針不符合設(shè)計和運(yùn)行規(guī)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(yīng)用效果

3.1 改造方案選取

魚潭水電廠地處山區(qū)，土壤電阻率較高，根據(jù)規(guī)程 〔3〕要求:在高土壤電阻率地區(qū)，接地裝置的接地電阻很難達(dá)到要求時，采用外擴(kuò)接地網(wǎng)、敷設(shè)水下接地網(wǎng)、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(wěn)定、低阻的良好狀態(tài)，結(jié)合土壤、環(huán)境等情況，采用新增敷設(shè)水下接地網(wǎng)、人工開挖地溝敷設(shè)接地體的方式使本站的整個接地網(wǎng)滿足設(shè)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(shè)備防雷要求，因?yàn)橹苯永讚暨^電壓不僅與雷電流的大小和陡度有關(guān)，且與引下線和接地裝置的電阻和電感有關(guān)。因此，只有對避雷針、避雷線位置及接地引線進(jìn)行改造，才能徹底規(guī)避升壓站電氣設(shè)備雷擊風(fēng)險。

經(jīng)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(gòu)架進(jìn)戶線避雷線和主變“A”型構(gòu)架上避雷針，異地新建避雷針防止升壓站電氣設(shè)備和架空進(jìn)戶線的直擊雷，且避雷針接地引下線與主接地網(wǎng)連接處距主設(shè)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(chǔ)高度 h2＝277.74，避雷針高度 h3＝20 mm，“A”型構(gòu)架高度h4＝267.99 m，終端塔高度h5＝264.26 m；避雷針與 “A” 型構(gòu)架最遠(yuǎn)端l1＝22 m，距110 kV線路終端塔l2＝27 m。

單根避雷針的保護(hù)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(shù)。

由式 (2)可計算高度影響系數(shù)p，避雷針相對升壓站實(shí)際高度為:

則高度影響系數(shù)為:p＝0.83

根據(jù)文獻(xiàn) 〔4〕，坡地上的避雷針，由于地形、地質(zhì)、氣象及雷電活動影響，保護(hù)范圍有所縮小，計算結(jié)果乘0.75系數(shù)。對其保護(hù)范圍最高和最遠(yuǎn)“A”構(gòu)架和終端塔進(jìn)行校核。

1)“A”型構(gòu)架校核

相對高度:hx＝h4－h(huán)1＝14.11 m，則 hx＜h/2；則保護(hù)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－h(huán)1＝10.38 m，則 hx＜h/2；則保護(hù)半徑rx＝ (1.5h－2hx)0.75p＝28 m＞23 m，滿足要求。

3.3 應(yīng)用效果

自改造以來，魚潭水電廠升壓站再未發(fā)生因引起防雷保護(hù)裝置誤動作和發(fā)生設(shè)備雷擊事故，拆除升壓站中避雷針和避雷線，新建獨(dú)立避雷針，解決了雷電壓對升壓站電氣設(shè)備產(chǎn)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(jìn)一步驗(yàn)證了嚴(yán)格執(zhí)行規(guī)程規(guī)范正確性，為解決山區(qū)水電廠、變電站土壤電阻率高的防雷問題提供參考。

4 結(jié)論

山區(qū)水電廠由于土壤電阻率高，土質(zhì)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(jìn)行山區(qū)水電廠的改造時要對現(xiàn)場地形、地勢及土壤電阻率等現(xiàn)場條件進(jìn)行綜合分析，通過認(rèn)真的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，對水電廠的防雷措施進(jìn)行綜合對比分析，以保證水電廠的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

〔1〕中華人民共和國電力工業(yè)部.DL/T 620—1997交流電氣裝置的過電壓保護(hù)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(yè)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(yàn)收規(guī)范〔S〕.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006.

〔4〕中國航空工業(yè)規(guī)劃設(shè)計院.工業(yè)與民用配電設(shè)計手冊〔S〕.2005.

10.3969/j.issn.1008-0198.2015.01.019

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

2014-06-24 改日期:2015-02-02