华电电力科学研究院有限公司 隆朝花

关键字：水电站；主接地网；防雷接地；中间继电器

随着电网系统规模不断增大，系统阻抗归算至电站侧最大运行方式下故障电流增幅较大，水电站枢纽接地网工频接地电阻值已不能满足安全运行的要求。

水电站防雷主要集中在发电主厂房、升压站、出线场，但坝区机组进水口闸门控制系统及坝区水工建筑物防雷措施比较薄弱，在水电站日常的生产技术管理过程中，应把水电站厂区及坝区防雷接地系统、电气一次设备防雷接地、二次控制电缆接地、水机保护出口中间继电器容量升级，机组保护配置工作列为生产管理的年度重点工作计划，尤其应提升坝区进水口闸门控制系统的防雷水平，通过科学合理的管理措施和技术措施，以提升水电站设备设施防雷水平，从而保障水电站发电设备设施安全稳定运行。

1 水电站雷击原因分析

雷电危害水电站方式主要分为三种：即雷直击电力设备；雷直击避雷针、避雷线后形成的感应过电压；雷直击输电线后沿线路的来波。

防直击雷。直击雷指雷电绕过地线和杆塔的拦截直接击中导线，或者在无架空地线时直接击中导线的雷击现象。因此，水电站必须装设防直击雷装置如避雷针或避雷线。

防感应雷。有了上述第一道防线后，电站还会发生雷击事件，是由感应雷引起的，感应雷会使35kV及以下的母线和设备产生严重的故障，因此避雷针应尽量远离电力设备。

雷云放电到线路附近的地面会产生磁场，这种磁场是由于与放电过程相关的浪涌电流造成的。由于这种电磁耦合，感应过电压就会通过线路传播。雷电过电压分为传输线上过电压和地电位上升。某水电站发生机组快速闸门异常关闭事件，经事故调查分析，雷击造成地电位反击，雷电流流经地网时，通过厂区至进水口快速闸门控制电缆（长度约1100m，型号NH-DWZA-KYJVP2-23，电缆两根芯线间电容量约0.169μF）屏蔽接地线流入电缆屏蔽层，该电流在该长电缆芯上（继电器上端）感应出较高电势，经电缆芯线间电容耦合到继电器的上端，又因进水口直流系统充电馈电屏柜内防雷用的电涌保护器未动作。分析认为，直流正负极均未出现高电位，使得机组快速落门出口继电器KC1两端产生较高电位差，又因继电器KC1动作功率较小，造成继电器KC1误动，导致水轮发电机组进水口快速闸门异常关闭。

限制雷电侵入波。限制侵入波的主要设备是避雷器，但这还不够，由于制造原因，避雷器的流通容量有一定的限制，一般在5～15kA。而在我国，每100次雷电，大约有73次的雷电流会达到15kA，所以此时避雷器也几乎必坏无疑。因此，沿全线装设避雷线是目前为止110kV及其以上架空线最重要和最有效的防雷措施。35kV及以下因其绝缘水平较低，即使增加绝缘水平仍很难防止直击雷，只能靠增加绝缘水平使线路在故障情况短时间运行。采用良好接地的而且保护角小的避雷线可以将绝大部分雷击吸引到自身，并将雷电流安全导入地中，这样线路绝缘就不会发生雷击闪络。

2 水电站防雷接地现状及存在问题

水电站接地系统主要由坝区接地网和厂区接地网两大部分组成，由于枢纽布置紧凑，且电站所在地区为高土壤电阻率地区，因此在设计上加强了各部分接地网之间的多重互联。大坝接地网主要分为坝前水下接地网、大坝迎水面接地网、盖重区接地网等三部分。坝前和坝顶接地网与进水口接地网连通，并通过压力钢管连接到厂房接地网。盖重区接地网与厂房尾水接地网连接。厂区接地网由主厂房接地网、尾水渠接地网、中控楼接地网和升压站接地网组成。此外，上游坝前接地网还通过泄洪洞等部位的接地网、钢筋网等与下游尾水接地网连接。

升压站内的电气设备专设有钢绞线接地网、均压网和垂直接地极，GIS室内设有明敷铜接地带。避雷器、变压器中性点等处均采用了双重接地。

2.1 水电站接地电阻测试结果

某水电站全厂接地系统主要由坝区接地网、升压站接地网和厂区接地网三大部分组成。各区域布置紧凑，三部分接地网相互连接紧密。根据该电站原设计单位接地计算成果，要求电站发电运行时，接地电阻不大于0.5Ω。

某水电站机电安装单位对建设完毕的电站接地系统进行了实际测量，接地电阻值为0.82Ω。考虑电站未全部蓄水，蓄水后由于渗透作用能降低部分土壤电阻率，未对电站枢纽接地网再次处理。三年后，该电站对接地系统各项参数再进行了实际测量，结果如下：

一是电站接地网接地电阻测试值为0.713Ω，未达到设计值R＜0.5Ω的要求。二是从测试的数据分析，各区域跨步电势差小于80V，符合规程要求。三是从测试的数据可以看出各个区域接触电势差均小于85V，符合规程要求。四是从测试的数据可以看出，各区域地网之间的导通电阻都在30μΩ以下，满足规程要求，各地网间连接良好。

2.2 接地网接地电阻升高

主要原因分析如下：一是接地装置长期在地下运行，运行环境恶劣，土壤中酸碱离子是促使接地极发生化学腐蚀的主要因素。因建设期铺设接地网时采用镀锌扁钢，未做特殊的防腐处理，在电站长期运行中，接地装置会有一定的腐蚀，扁钢与土壤接触电阻增加，导致电站接地网工频接地电阻升高。二是电站采用引水式发电方式，大坝后有几千米的河道枯期脱水段，大坝和厂房尾水渠上游部位的土层含水量减少，使土壤电阻率升高，导致电站接地网工频接地电阻升高。三是电站运行多年，地质条件发生了一定的变化，特别是地震可能引起地层滑动影响接地网各部位连接，使土壤电阻率升高，导致电站接地网工频接地电阻升高。四是电站取水口接地网、大坝接地网和厂房接地网三块接地网采用明敷接地扁钢连接，因锈蚀和落石发生断裂，导致电站接地网工频接地电阻升高。五是地形构造复杂，土壤覆盖率小，山体以岩石为主，导致土壤电阻率较大，影响到全厂接地电阻的大小。

2.3 电气一次设备防雷接地不规范

如避雷针接地引下线未接地，主变中性点避雷器未双接地，电机、封母外壳、柴油发电机外壳未接地。

2.4 二次控制电缆接地不规范

水电站普遍存在进水口快速落门控制柜，以及进水口微机监控装置远程I/O屏内控制电缆屏蔽层，采用“铜辫”直接接入与盘柜外壳相连的接地铜排的问题。一是采用铜辫直接接入接地铜排，表面未做防护，不能保证屏蔽接地与保护接地之间只有1个连接点，从而使主地网受到的雷电侵袭在屏蔽接地网中形成流通路径；二是未接入等电位接地网，不符合《水力发电厂接地设计技术导则》（NB/T35050-2015）第9.5.2.4条“接地铜排应选用截面积不小于50mm2的铜缆与保护室内的等电位接地网相连的要求”[1]。

2.5 低压配电线路防雷措施不完善

如在低压交流电源线路上，未配置电涌保护器。

2.6 机组保护配置不全

如发电机组未配置逆功率保护，该保护对于发电机有可能变电动机运行的异常运行方式而设计，如发电机进相运行，将危及发电机安全，设置该保护能有效避免该异常事件发生。未配置进水阀或快速闸门意外关闭保护，该保护作用是当机组处于发电状态时，一旦进水阀或快速闸门因事故关闭，机组有功功率小于0，机组走事故停机流程，机组停机，较好地保护机电设备的安全。

2.7 水机保护中间继电器动作功率低，宜选用大功率继电器，涉及水机保护与电气二次接口

控制回路中启动快速闸门动作的中间继电器，实测该220V中间继电器动作功率0.48W。《南方电网电力系统继电保护反事故措施》（2014版）第4.3.13条“对经长电缆跳闸的回路，应采取防止长电缆分布电容影响和防止出口继电器误动的措施。如不同用途的电缆分开布置、增加出口继电器动作功率，或通过光纤跳闸通道传送跳闸信号等措施”。水机保护出口中间继电器可参照执行，对于长控制电缆驱动中间继电器回路，动作功率宜大于或等于5W。

3 防范措施

3.1 降低接地电阻

地网电阻与土壤电阻率相关，实践证明，土壤电阻率是一个严重不可控因素（往往土壤电阻率数值很大），造成在理论计算时地网电阻将远小于实际地网电阻，从而耐雷水平比实际值偏高，出现了即使低于耐雷水平的雷电流仍然造成事故。

对厂区及大坝接地系统进行技术改造，降低主接地网接地电阻，以满足设计及规程要求。按照DL/T5091-1999《水力发电厂接地设计技术导则》，拟定以下三种接地系统技改方案，可供参考。

3.1.1 敷设水下地网

采用在大坝下游至电站厂房尾水区之间的回水区域敷设水下地网，水流较缓，具有敷设水下地网的条件。拟敷设间距不大于30m的水下接地网，面积约为28000m2；水下地网向上与大坝接地系统可靠连接，向下通过厂房尾水渠地网与厂房接地系统地网连接。经现场踏勘，为避免丰水期泄洪洞下泄洪水对水下地网产生冲刷，水下地网敷设于泄洪洞之间的回水区域。但考虑丰水期泄洪洞仍承担泄洪任务，水下地网的布置区域应尽量避免泄洪洞泄洪对水下地网的直接冲刷，并采用现浇混凝土及钢筋石笼等固定措施。水下地网与原接地网、新增人工水平地网、新增的接地深井等应多点采用放热焊接连接[2]。

3.1.2 新增人工水平地网，增大地网面积

在大坝河滩内新增人工水平接地网，并敷设防腐型物理降阻剂。人工水平接地网埋设于河滩内，该区域人工水平接地网在汛期将置于水下，人工水平地网面积约为16000m2。

3.1.3 引外深井接地

在水下接地网四周设计接地深井，深度约100m。具体要求如下：

一是新增的接地深井，通过镀锌接地扁钢与新敷设的水下接地网及原厂区枢纽接地网连接；接地深井深度初步设定为100～140m。

二是接地深井的垂直接地极宜采用镀锌钢管，以满足深井的降阻效果。垂直接地极的施工方法应遵循生产厂家的技术人员指导及产品说明书的要求。

三是接地深井的布置可根据施工设备布置的需要及现场施工条件适当调整，距离厂区永久公路的距离不应小于5m；各深井之间的电气距离应大于1.5～2倍井深为宜。

3.2 新增避雷塔

现有水电站坝区基本上未设置独立避雷针。在进水口一定高程的边坡上各增加一套45m高的避雷塔，按启闭机顶（29m）为保护高度，经初步计算复核，保护半径分别为52.11m，36.7m，保护高度为35m，可以满足直击雷防雷要求。同时，坝区清污（检修）门机轨道增加引外接地线，增加泄流通道。增加避雷塔后，清污门机没在避雷塔有效保护范围内，为了增加雷击清污（检修）门的泄流通道，应增加清污门机轨道至迎水面因外接地线[3]。

3.3 规范电气一次设备防雷接地和二次控制电缆接地

电气一次设备外壳按规程要求标准接地。保护装置的直流电源、交流电流、交流电压及信号引入回路均应采用铜芯屏蔽电缆，不应使用电缆内的空线替代屏蔽层接地。将盘柜内控制电缆屏蔽层“铜辫”表面用绝缘胶布包好后接入加装绝缘子的接地铜排，再将接地铜排用不小于100mm2的铜排接至保护室等电位接地网。同时，在低压交流电源线路上，应根据实际情况选用电涌保护器，对沿电源侵入的雷电电涌进行分级抑制

3.4 完善水轮发电机组相关保护配置

按照NB/T35010-2013《水力发电厂继电保护设计规范》要求，对于发电机有可能变电动机运行的异常运行方式，宜装设逆功率保护，保护带时限动作于解列。按照Q/CHD24-2019《水电站水力机械保护配置技术要求》要求，机组应配置导叶、进水阀或快速闸门意外关闭保护。

3.5 增大控制回路中的中间继电器、出口继电器的动作功率

参照《防止电力生产重大事故的二十五项重点要求》（国能安全〔2014〕161号）第13.12.16条，发电机、变压器保护，母线保护和失灵保护的直跳回路应采用强大功率的中间继电器，启动功率大于5W，动作时间不宜小于10ms。对于长控制电缆驱动中间继电器回路，要求动作功率大于等于5W，只有当出口的中间继电器有足够动作功率，才能在雷电入侵、交流串直流和直流电源单极接地时防止误动。水机保护出口中间继电器可参照执行，对于长控制电缆驱动中间继电器回路，动作功率宜大于等于5W[4]。

综上所述，水电站不仅需要进一步完善防雷技术措施，还应按照DL/T596-2021《电力设备预防性试验规程》要求，加强防雷设备设施的定期检验检测工作，如避雷器运行电压下阻性电流测量，接地网的接地装置（包括设备接地引下线）热稳定容量校验，抽样开挖检查设备接地引下线及地网的腐蚀情况等定期工作，进一步防范雷击发电设备，进而保障发电设备安全稳定运行，提高供电可靠性。