维普资讯 http://www.cqvip.com 第３１卷第３期 气象与环境科学 Ｖ０１．３ｌ Ｎｏ．３ ２００８年８月 Ｍｅｔｅｏｒｏｌｏｇｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ Ａｕｇ．２００８ 抽水蓄能电站综合防雷设计探讨 马 刚 ，郑绍勋 ，田金华 ，张玉伟 （１．南阳市防雷中心，河南南阳４７３０５５；２．河南省防雷中心，郑州４５０００３ ３．南阳回龙抽水蓄能发电厂，河南南阳４７３０５５） 摘 要：雷电是严重威胁电站安全的最大自然灾害，通过研究南阳回龙抽水蓄能电站雷电发生规律和发展过 程，并对电站多次雷击进行分析，判定发电设备雷击的原因，经理论计算，提出发电设施综合防雷设计方案，以达到 电站管理控制系统和设备安全防雷的目的。 关键词：电站；控制系统；综合防雷；防护方案 中图分类号：ＴＭ８６３ 文献标识码：Ａ 文章编号 １６７３—７１４８（２００８）０３—００９０—０４ 引 言 用落差发电，来调节电网的峰谷差。由于电厂的特 殊性，上下库区落差４００多米，库区水面积较大，有 雷电是严重威胁电站安全的最大自然灾害。本 充足的水汽，上库周围山包叠连，无高大山头遮挡。 文通过对南阳回龙抽水蓄能电站雷电发生规律和发 该电站上库区位于两座大山峡谷之间，成东 展过程的分析，判定发电设备雷击的原因，并通过理 南一西北走向，大坝东西走向全长约２２０ ｍ，坝高５３ 论计算，提出发电设施综合防雷设计方案，以期为电 ｍ，大坝两侧各有一问大坝观测室，室内有光端机， 站管理控制系统和设备安全防雷提供参考。 光缆在架空高压线下直接在铁塔引入，是上库水位 ｌ 抽水蓄能电站区域雷电的活动规律 观测系统、闭路监控系统、大坝沉降观测系统、闸门 控制和通信系统的汇集点。观测室前有２０ ｍ高的 南阳回龙抽水蓄能电站位于南召的长江、淮河 １０ ｋＶ高压线塔，高压架空线路由山下引来，接引入 分水岭，伏牛山脊背之上，南邻县城，北接石人山，西 上库变压器控制柜，库区所有用电均由该柜引出。 连栾川，三面环山，是一个相对独立的地理单元。典 闸门下有４３０ ｍ垂直竖井，竖井到下库在山洞连接 型的“Ｕ”型地理特征，是雷暴生成的最适宜地形。 之间，为地下发电厂房，有２台水泵水轮机组。下库 该地区平均雷暴日数在３９天以上，最多可达到 区与上库区结构基本相似。在地下厂房出口处是生 ５０天，为多雷暴活动区。自建站以来，每年都有因 产调度楼，各系统由值班室控制。 雷击造成上库设备损坏、对机组正常运行造成威胁 电站工程包括４部分，即上库、下库、地下厂房 的事件发生。该区域雷暴活动的季节性特点较强， 和引水隧洞。上库在２０ ｍ高的高压线塔上，安装有 一年四季均可出现，但集中出现在夏季。夏季雷暴 ３只高压氧化锌避雷器，接地阻值３．２ Ｑ，高压变电 日数占全年雷暴日数的６０％以上；其次出现在春季 柜内无浪涌保护器（ＳＰＤ），接地与线塔相连。室内 和秋季，约占年雷暴日数的２０％和１０％；冬季出现 专线光缆及交换机无接地和防雷设施。在大坝沉降 雷暴的几率较小。雷暴结束时间一般在９—１０月。 观测系统信号接收器上安有２４口信号ＳＰＤ。控制 ２ 电站及设备控制系统防雷设施情况 闸门房顶安有１．５ ｍ高避雷针１只，保护范围不够。 水位控制和闭路监控系统无防雷措施。整个库区设 抽水蓄能电站是利用特殊的地理地形，在山顶 有等电位，接地阻值３．１ Ｑ。下库与上库防雷设施 和山下建两个大型水库，在电网用电低谷时把下库 一样。地下厂房在双回路高压线出、入端安装有６ 的水抽到上库库盆储存起来；在电网用电高峰时，利 只高压氧化锌避雷器，与上、下库联接的交换机安有 收稿日期：２００７一ｌ２—２８；修订日期：２００８—０４—２２ 作者简介：马刚（１９７ｌ一），男，河南南阳人，工程师，学士，主要从事雷电防护研究．Ｅ－ｍａｉｌ：ｍａｇａｎｇ６６８８＠ｔｏｍ．ｔｏｍ 维普资讯 http://www.cqvip.com 第３期 马 刚等：抽水蓄能电站综合防雷设计探讨 ９１ ＲＳ２３２接口信号ＳＰＤ ４只，厂房接地阻值３．８ Ｑ，其 他设备无防雷设施。控制楼位于山坡底部，楼高４ 层，机房在２楼，屋顶未设防直击雷设施，机房接地 阻值４．０ Ｑ，所有进线通过一楼埋地进入。 放电避雷针能较好地改变周围电磁环境，并设置单 独的接地装置，接地点与道路和竖井的安全距离为 ３ ｍ。避雷针采用截面为正三角形的热镀锌圆钢结 构避雷塔，高度为３５ ｍ，接地电阻应≤１０ Ｑ。 ３ 雷击事故隐患分析 该电站自２００４年投入运行以来，频繁发生雷击 事件。据电站资料显示，上库１０ ｋＶ线路及水位计 垂直接地体选用铸铜接地棒，外径５０ ｍｍ，每根 长１．２ ｍ，水平接地体采用３０×３扁铜带，设计敷设 垂直接地体８根，间距２．４ ｍ，水平接地体埋深０．６ ｍ，在垂直接地体和水平接地体周围使用降阻剂，如 探头、大坝沉降观测探头、闭路监控和通信系统都多 次遭受雷击，上库水位计至今不能正常使用；上库值 班室每次出现雷暴天气，设备和交换机就出现强烈 的火花和劈啪的响声，设备没有接地；大坝沉降观测 设备主板多次遭受雷击，闭路监控和通信系统每年 都有雷击的记录。 一般来说，雷击电磁脉冲没有直击雷那么猛烈， 但它发生的几率比直击雷高得多，危害越来越突出。 因为直击雷只有发生雷云对地闪击时才会对地面上 的物体或人造成危害，而雷电感应不论雷云内闪击， 还是雷云与雷云之间发生闪击，都可能发生并造成 灾害。在架空线路附近有雷云时，虽然雷云没有直 接击中线路，但在导线上会感应出大量的与雷云极 性相反的电荷，一旦雷云对某目标放电后，雷云上的 电荷便瞬间消失而导线上的大量电荷依然存在，这 些感应电荷就会因失去雷云电荷的束缚，以波的形 式向导线两端传播经设备入地，从而引起设备损坏。 此外，直击雷袭击的范围较小，而一次雷闪可以 在比较大的范围内多个小局部同时发生感应高电压 现象，并且这种感应高电压可以通过电力线、电话 线、各种馈线及信号线等金属导线传输到设备终端， 致使雷灾范围扩大。 根据现场情况分析，造成该电站多次雷击的原 因，一是地理环境特殊（上库库盆有１００多万立方 米的水），处于雷击频繁的环境…；二是防雷设施不 完善，高压线路直接沿山坡架空直上，终端未采取屏 蔽埋地措施，在山间的铁塔线杆接地阻值偏大，低压 电器设备未安装ＳＰＤ，雷云在库区发生放电现象后 产生强大的电磁耦合到进出机房的金属线路上，从 而损坏设备。 ４综合防雷设计方案 ４．１直击雷防护措施 根据实际情况计算，需要在上库起闭机房西北 ３０ ｍ大坝西的岩石上安装独立提前放电式避雷针。 该坝处于山顶，空气湿度大，属强雷暴区，安装提前 达不到要求，应增加垂直接地体和水平接地体。 在上库安装３０ ｍ的镀锌圆钢避雷塔，塔顶安装 提前放电式避雷针，保护范围包括上库变压器室和 变压器旁的金属电杆，设单独接地网，接地电阻≤１０ Ｑ，其保护范围见图１ 。 在上、下库进出水口闸门室、泄洪闸门室上，设 置避雷带防护直击雷。 ＿／ 平面的上截保护面 范围 图１ 独立避雷针保护范围 ４．２等电位连接 等电位连接是为了使各金属导体间的电势平 衡，避免导体间过电压造成的闪击。规定接地装置 的接地电阻值应不大于４ Ｑ 。 在上、下库区，以大坝接地为基础，向四周延伸， 大坝沉降观测系统、库区变压器、水位控制探头、闭 路监控和通信系统全部采用等电位连接，用４０×４ 镀锌扁铁连接，保证接地阻值≤４ Ｑ 。 闸门室、沉降观测室和光端机柜室的所有门窗， 保证有两处与等电位连接排相连，所有室内金属物 全部接地 。 进、出建筑物的信号线缆，所有有金属屏蔽层的 电缆，埋地敷设在ＬＰＺ０与ＬＰＺ１两个不同防护分区 的交界处，即线缆进入建筑物的交界处。电缆金属 屏蔽层做等电位连接并接地。 维普资讯 http://www.cqvip.com ９２ 气象与环境科学 第３１卷 在控制楼，利用建筑物自然接地体和增加的人 作电压、负载电流与系统回路匹配问题，其最大连续 工接地体，用３０×３铜排连接，在机房四周设置４个 工作电压应略大于回路最大正常工作电压，负载电 等电位连接端子，设置Ｍ型等电位连接网络。 流应大于回路最大正常工作电流。 电气和电子设备的金属外壳、机柜、机架、金属 根据文献［５］与文献［２］的防护原则，在供电线 槽、管、防静电接地和安全保护地用直径大于６ ｍｍ 路上设置多级电涌防护器措施，才能将过电压降到 铜线与接地连接网络的接地端子连接。 设备能承受的水平。为此，低压供电线路的雷击电 上、下库区高压输电线路在山坡爬行地段应设 涌过电压防护采用三级防护措施。 置架空地线，使输电线路处在架空地线的有效保护 ４．４．１供电电源系统的防护 范围内，保证每个线塔与架空地线独立接地≤ １０ Ｑ［ 根据实际情况，上、下库，厂房和控制楼，所使用 。 ４．３ 电磁屏蔽 的主变低压配电箱内安装第一级ＳＰＤ共４台。 室内防护采用屏蔽手段，就是把雷击电磁脉冲 第一级主要参数为：额定电压为３８５ Ｖ／５０Ｈｚ， 从空间感应入侵的通道加以阻断，可有效地防护雷 波形为１０／３５０ ｓ雷电波形，闪电脉冲电流为５０ 电对电缆的电磁脉冲并减少转移阴抗。实测证明， ｋＡ／１００ｋＡ，残压≤４ ｋＶ，响应时间≤１００ ｎｓ。 在０．０５—２ＭＨｚ时，电缆的转移阻抗无屏蔽时为１ 在上、下库３个闸门控制房、上库溢水回收泵 ０４５ ｍＱ／ｍ，单层屏蔽时为２～２０ ｍＱ／ｍ，双层屏蔽 房、控制楼和地下厂房总配电柜内安装第二级浪涌 时为０．０１～１ ｍＯ／ｍ。电缆线路屏蔽时，在其外面 保护器８台。 套装金属管作为双层屏蔽（各自套装），管径逾大逾 第二级主要参数为：额定电压为３２０ Ｖ／５０ Ｈｚ， 好 。进入控制楼前为不少于１５ ｍ的电缆埋地穿 波形为８／２０ ｓ雷电波形，标称放电电流为１５ ｋＡ， 管，闸门起闭机房各种电缆穿管埋设在６００ ｍｍ以 残压≤１．７５ ｋＶ，响应时间≤５０ ｎｓ。 下，屏蔽层两端皆接地并与建筑物的公共接地做电 在大坝沉降观测系统、水位控制探头、闭路监控 气连接，进入室内后与等电位母排连接，上、下库各 和通信系统所有用电设备端口前配电盘安装第三级 闸门室内的设备接地网，电缆引出线的屏蔽槽也要 良好接地。此措施可分流大部分雷电流。 ＳＰＤ共ｌ６台，主要参数为：额定电压为２５５ Ｖ／５０ ４．４过电压防护 Ｈｚ，测试波形为８／２０ ｓ雷电波形，标称放电电流 室内供电线路防护要求采用多级设置、逐级泄 为３～１０ ｋＡ，残压≤１．２５ ｋＶ，响应时间≤２５ ｎｓ。 流的方法。欲确定电源线路的雷击电涌过电压防护 需要特殊保护的信息设备，可采用耐冲击电压 等级，必须先估算电源线路可能遭受的最大雷击电 额定值为１．５ｋＶ的多口插排。 流。国际标准ＩＥＣ ６１０２４—１根据建筑物的防雷类 ４．４．２信号线路防护 别规定了最大雷击电流的估算量值：第一类为２００ 室内计算机遥控系统弱电设备通信（信号）端 ｋＡ（１０／３５０） ｓ；第二类为１５０ ｋＡ（１０／３５０） ｓ；第三 口电涌防护装置的有关技术指标应满足下述原则： 类为１００ ｋＡ（１０／３５０） ｓ。 ①通信（信号）端口防护装置不应对计算机遥 尽管达到２００ ｋＡ幅值的雷电流据统计只有 控系统的正常运行指标（如传输速率、线压、插入损 ２％左右，但该站地处山区，厂区范围连接较大，是容 耗、端口的匹配等）造成不利的影响。 易吸收空间雷电的雷击频繁地域，因此应考虑处于 ②防护装置的冲击残压应小于被保护的通信端 防雷第一类环境。 口的击穿电压。 ＳＰＤ是一种限制瞬态过电压和分走浪涌电流的 器件，可分为强电和弱电ＳＰＤ 。在正常情况下， ③防护装置的额定工作电压应适当高于被保护 ＳＰＤ不对电路产生影响；当浪涌电流侵入时，ＳＰＤ将 通信端口的正常工作数据信号电压。 所有连接部分与地线短路，使线路中的浪涌电流迅 信号ＳＰＤ的选择应根据线路的工作电压、传输 速释放人地，从而使线路所连接的设备不受浪涌的 速率和接口形式选择相对应的防雷器 。接地装 侵害；浪涌终止后，ＳＰＤ恢复正常。在选用ＳＰＤ时， 置的接地电阻值应不大于４ ｎ。 一要按实用性、发生雷害事故的可能性和后果合理 根据实际需要，在沉降观测室数据搜集器系统 配置防雷器，以免造成不必要的浪费；二要注意其工 安装４套２５针接口信号ＳＰＤ。通讯机房的信号进 维普资讯 http://www.cqvip.com
第３期 马 刚等：抽水蓄能电站综合防雷设计探讨 ９３ 线端并联安装４套９针信号ＳＰＤ，通讯机房与上库 水位控制箱和下库水位控制箱用电缆架空连接，在 参考文献 上、下端口安装３套数据线路ＳＰＤ。为了避免雷电 ［１］林丽．浅谈雷电防护工程设计的环境因素［Ｊ］．中国雷电与防护， 流通过信号线缆侵入而损坏ＭＯＤＥＭ设备，需在信 ２００７（１）：３７—３９． 号线路两端各安装４套ＧＤＮ信号ＳＰＤ，可以将雷电 ［２］中华人民共和国机械工业部．ＧＢ ５００５７－－１９９４建筑物防雷设计规 流限制在操作设备可以承受的水平，达到有效的防 范（２０００年版）［ｓ］．北京：中国计划出版社，２００１． 护效果。闭路监控系统在８台摄像机信号端口输出 ［３］中国建筑标准设计研究院．ＧＢ ５０３４３－－２００４建筑物电子信息系统 防雷技术规范［Ｓ］．北京：中国建筑工业出版社，２００４． 处安装信号ＳＰＤ。 ［４］水利部水利水电规划设计管理局．ＧＢ ５００７１－－２００２ｄ￣型水力发电 ５ 小 结 站设计规范［Ｓ］．北京：中国计划出版社，２００３． ［５］中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局．ＩＥＣ ６１３１２—１： 通过对电站雷击事故原因的分析，提出并实施 １９９５雷电电磁脉冲的防护通则［Ｓ］．北京：中国标准出版 了综合防雷改造方案，经过两年多的运行，虽然多次 社，１９９５． 出现强雷暴天气，但且在ＳＰＤ记录器上多次显示雷 ［６］张永刚，肖稳安，李虹，等．气象信息系统雷电防护常见问题的解 决方法［Ｊ］．气象与环境科学，２００７，３０（２）：８３—８５． 击记录，但均未发生雷击事件，一切设备运行正常。 Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ Ｐｒｏｊｅｃｔ ｏｆ Ｌｉｇｈｔｎｉｎｇ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｐｕｍｐｅｄ—ｓｔｏｒａｇｅ Ｐｏｗｅｒ Ｓｔａｔｉｏｎ Ｍａ Ｇａｎｇ ，Ｚｈｅｎｇ Ｓｈａｏｘｕｎ ，Ｔｉａｎ Ｊｉｎｇｈｕａ ，Ｚｈａｎｇ Ｙｕｗｅｉ （１．Ｎａｎｙａｎｇ Ｌｉｇｈｔｎｉｎｇ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ Ｃｅｎｔｅｒ，Ｎａｎｙａｎｇ ４７３０５５，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｈｅｎａｎ Ｐｒｏｖｉｎｃｉａｌ Ｌｉｇｈｔｎｉｎｇ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ Ｃｅｎｔｅｒ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ ４５０００３，Ｃｈｉｎａ； ３．Ｈｕｉｌｏｎｇ Ｐｕｍｐｅｄ—ｓｔｏｒｇｅ Ｐｏｗｅｒ Ｐｌａｎｔ，Ｎａｎｙａｎｇ ４７３０５５，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｕｎｄｅｒ ａｎｄ ｌｉｇｈｔｎｉｎｇ ｉｓ ｔｈｅ ｍｏｓｔ ｓｅｒｉｏｕｓ ｎａｔｕｒａｌ ｃａｌａｍｉｔｙ ｆｏｒ ｔｈｅ ｓａｆｅｔｙ ｏｆ ｐｏｗｅｒ ｓｔａｔｉｏｎ． Ｂｙ ｓｔｕｄｙｉｎｇ ｔｈｅ ｃｉｒｃｕｍｓｔａｎｃｅｓ ｏｆ ｔｈｕｎｄｅｒ ａｎｄ ｌｉｇｈｔｎｉｎｇ ｔａｋｉｎｇ ｐｌａｃｅ ｉｎ ｐｕｍｐｅｄ—ｓｔｏｒａｇｅ ｐｏｗｅｒ ｓｔａｔｉｏｎ， ａｎｄ ａｎａｌｙｚｉｎｇ ｔｈｅ ｔｈｕｎｄｅｒｓｔｒｉｋｅ ｃａｓｅｓ，ｗｅ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ ｔｈｅ ｒｅａｓｏｎ ａｎｄ ａｄｖａｎｃｅｄ ａ ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ ｐｒｏｊｅｃｔ ｏｆ ｌｉｇｈｔｎｉｎｇ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｇｅｎｅｒａｔｉｎｇ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｍａｋｅ ｓｕｒｅ ｏｆ ｌｉｇｈｔｎｉｎｇ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｐｏｗｅｒ ｓｔａｔｉｏｎ ｍａｎａｇｉｎｇ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｂｙ ｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｌｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｐｏｗｅｒ ｓｔａｔｉｏｎ；ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ；ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ ｌｉｇｈｔｎｉｎｇ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ；ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｐｌａｎ