白沙水电站防雷设计改进措施探微.pdf

ISSN 1672-2841CN 44-1587/Z广东水利电力职业技术学院学报 2023 年 第 21 卷 第 3 期Journal of Guangdong Polytechnic of Water Resources and Electric Engineering，2023，Vol.21，No.3收稿日期：2022-09-07作者简介：宁丽华，男，工程师，主要从事水电站机组及设备维护、保养、检修及技术改造等工作。9-11白沙水电站位于广东省四会市绥江河畔，装有两台单机 10MW 的灯泡贯流式机组，转轮直径5.5m，水轮机型号为 GZTF08-WP-550，发电机型号为 SFWG8500/4870，发电机出口电压 6.3kV，采用单母线分段接线，分别接入两台容量为 SF7-10000/38.5 的变压器，以一回输电线路送出,其电气主接线如图 1 所示。白沙地区近十年年均雷暴日为 92 天，据雷电区域划分属强雷区，电站建成以来频繁出现机组停机或设备烧毁现象。针对该情况，对电站的防雷区域 LPZ 进行划分，通过适当的绝缘配合，加强中压及低压系统防雷，使雷击造成设备故障和事故的现象得以消除，保证了电站安全运行。1 雷击故障情况2021 年 5 月白沙水电站发生了两次雷击机组事故停机。#1、#2 机组开机时跳闸停机，事故尾水门自动落下，2#主变高压侧断路器（302）开关跳开，1#主变出口开关（35kV 侧）无跳闸。这次雷击跳闸停机造成：厂房闭路电视监控系统整套失灵、无显示，两套主机硬盘烧坏；#2 机组导叶调速器油压装置油泵控制数显压力控制器 2 只均烧坏；#2 导叶调速器压力缸数显压力表烧坏；办公白沙水电站防雷设计改进措施探微宁丽华，黄静娜（1 四会市白沙水电站，广东 肇庆 526000；2 深圳市恩莱吉能源科技有限公司，广东 深圳 518000）摘 要：针对广东四会白沙水电站因雷击发生频繁烧毁设备和造成机组停机等现象进行原因分析，发现该电站主要故障与事故原因是防雷措施不完善造成的。在 2022 年机组改造时，对该电站的防雷设计也进行改进，主要是限制中压侧雷电侵入波的陡度，抑制发电机绕组中性点侵入波的全反射过电压以及低压侧，按 IEC 相关 LEMP 的原则正确划分 LPZ 和分级选择设备的绝缘配合水平。经过改进，今年虽遭几次雷击，电站均未出现设备故障或损坏现象，防雷效果良好。经了解，广东省此类电站甚多，相应防雷措施可供其借鉴。关键词：防雷设计；过电压；雷电电磁脉冲防护；防雷分区；浪涌保护器中图分类号：TM86 文献标志码：A 文章编号：1672-2841（2023）03-0009-03室及职工宿舍多台电脑烧坏；办公室两台空调显示屏无显示。与第一次现象相同，但厂房照明灯也被烧坏。针对上述现象，将低压系统电站的防雷区域LPZ 划分为 O、1、2、3 区，相应配备了浪涌保护器 SPD的 A、B、C、D 级，以限制侵入到低压电气设备的过电压。中压系统则根据定子绕组绝缘多次损坏现象，在发电机两段母线侧各加装了0.3uF 的电容器以限制雷电侵入波的陡度，同时考虑到发电机中性点不接地，行进波到达中性点端部时波阻抗无穷大而形成全反射，过电压上升至约 2 倍行进波电压幅值。故在电机绕组中性点处加装了氧化锌避雷器，其残压水平与电机绝缘相配合。实施上述措施后杜绝了雷击故障的发生，提高了电站经济效益和安全稳定运行水平。2 雷击故障原因分析（1）高压系统（35kV）从电站雷击故障现象看，电站系统存在电磁兼容 EMC、电磁脉冲 EMI 和设备绝缘老化等问题，因此从电站电源进线端进行排查。35kV 侧架空线路设有避雷线，户外升压站设有避雷针、均压带，经验算保护范围满足要求，以上均表明 35kV 系统防直击雷设计完好。但两次事故均为第 2 号主变2023，21（3）10广东水利电力职业技术学院学报高压侧断路器跳闸，且保护均显示过电流与过电压动作，说明避雷器的残压水平和影响侵入波电压幅值的波阻值不满足运行要求。（2）中压系统（10kV 和 6.3kV）站内近区 10kV 线路电源端和近区变压器高、低压侧均未装设避雷器。而水电站属于强雷区，直击雷和感应雷产生的雷电波陡度大、峰值高，会沿着线路侵入损坏机电设备1。而对于发电机等其他电气设备而言，没有限制雷电波陡度的措施会引起匝间电压过高和其他电气设备承受过高残压。（3）低压系统（400V）电站计算机故障和电子设备烧毁，主要也因近区变压器绕组间的静电和电磁耦合作用，从高压侧处传递过来的过电压较大，且设备前端没有任何过电压保护措施以防雷电电磁脉冲，而低压设备二次系统元器件的绝缘等级及抗雷电脉冲能力相对较弱，故易受到冲击损坏。闸门控制系统抗雷电电磁干扰能力较差，因此雷击产生的电磁干扰2使尾水闸门失控，造成停机。3 防雷设计的改进措施（1）中压系统（10kV 和 6.3kV）在发电机中性点处加上一组氧化锌避雷器，防止雷电侵入波在绕组末端产生全反射时造成 2 倍侵入波幅值的过电压3。避雷器的残压水平与发电机的绝缘相配合。近区 10kV 侧高、低压部分皆无避雷器，宜在高压侧加装一组三相氧化锌避雷器。低压侧 400V加装一组 B 级浪涌保护器且低压侧避雷器的接地线、变压器的外壳、中性线连起来三点共同接地。在中压 6.3kV 两段母线每段加装一组 0.3F的电容器，以限制雷电波的陡度。电气设备避雷器及电容器配置见图 1。（2）低压系统（400V）防雷水平：取雷电流的幅值4=200kA，则其发生的概率为：雷击时大于 200kA 的概率仅 5%（20 年一遇），可靠性较高。模型：雷电流的分配采用国际电工委员会IEC1312-1，1996-02 雷电电磁脉冲防护“通用原则”所建议的模型5（见图 2）进行分析。电流分配如下：接闪器引流 200kA，直接入地电流 100kA；通过供电系统、信息线、金属管的雷电流为 100kA。考虑较为不利的情况，这些线中只有三根通过 SPD 泄入大地，则每根入地电流为 33kA。分区：根据设备及其空间位置，将防雷保护区分为 LPZO、1、2、3 区，对各区采用不同的防雷设施（见图 3）。LPZ0 区：电磁场没有衰减，易遭受直击雷，电站建筑物、接闪器、户外升压站设备属于该区；LPZ1 区：由于建筑物的屏蔽措施与等电位钢筋笼，流经各设备的雷电流比 0 区小，雷电波陡图 2 电源系统中分雷电流的估算图 1 中压侧电气设备避雷器及电容器配置低压系统设备电源系统的电压设备的额定冲击耐压低压配电柜支路塑壳断路器400V8kV机旁屏交流配电箱断路器380V4kV中控室交流配电箱断路器380V4kV屏柜内的断路器220V4kV准同期装置220V2kV计算机220V1.5kV表 1 白沙水电站各种电气元器件冲击耐压水平50%11宁丽华，黄静娜：白沙水电站防雷设计改进措施探微度进行衰减的防护区，电站低压配电柜属于该区；LPZ2 区：进一步削弱雷电流的陡度或减小电磁场的防护区，控制回路的交流配电柜属于该区；LPZ3 区：需进一步减小雷电电磁脉冲，以保护敏感度水平高的设备的后续防护区，电站通讯设备的计算机属于该区。（4）分级根据空间位置和设备的特定参数，按绝缘配合的原则，针对设备不同的绝缘水平，将浪涌保护器分成 B、C、D 三级（见图 4）。白沙水电站低压系统含有开关设备、弱电设备、通讯设备和计算机设备等，每种设备的冲击耐压值及电磁抗干扰都不一样，各设备的冲击耐压值如表 1 所示。根据设备的冲击耐压值，按绝缘配合的原则6，确定浪涌保护器 SPD 的选型（见表 2）。SPD 的分配如下：低压配电柜支路塑壳断路器前端，即 3 台厂用变压器和近区变进线端，各采用1 个 3P 的 B 级 SPD，其电压防护水平（残压水平）为 2.5kV；1#机组和 2#机组机旁屏交流进线，各采用 1 个 3P 的 C 级 SPD，电压防护水平为 1.5kV；公用 LCU 屏交流进线，选用 1 个 3P 的 C 级 SPD，电压防护水平为 1.5kV；计算机电源进线采用 2 个2P 的 D 级 SPD，电压保护水平为 1kV。4 实施方案及效果在 1#、2#机组发电机中性点侧各加装一组氧化锌避雷器，在近区变压器中压侧加装一组氧化锌避雷器，在 6.3kV 两段母线处各加装一组 0.3uF的电容器，在 2 台厂用变压器和近区变低压侧各加装一组 B 级 SPD，在中控室和机旁屏的交流配电箱各加装一组 C 级 SPD，在闸门控制箱动力箱各加装一组 B 级 SPD。在安装计算机监控系统时，其电源插座更换成 D 级防雷插座。上述实施方案在雷雨季节到来前完成。自2022 年 5 月至今电站遭受多次雷击，均未出现设备故障或损坏现象，说明所设防雷系统较为完善且有效保障了电站的安全稳定运行。改造后并未因雷击出现主变高压侧断路器跳闸现象，可能因中压侧加装了电容器后，引起断路器入口等值波阻抗值减小，折射电压较低所致。正确选定雷电流水平并按绝缘配合原则对雷区的设备进行分区分级保护，采用避雷器和浪涌保护器 SPD，合理分配各级设备的残压水平，逐级限制过电压，可达到良好的防雷效果。参考文献:1 易小飞.35kV 电网防雷问题的分析和研究 D.长沙：长沙理工大学，2013.2 李孝正.水电厂计算机场地的电磁干扰计算分析与研究D.南宁：广西大学，2011.B 级电源防雷器C 级电源防雷器 D 级电源防雷器型号LSPDT100B/4LSPDT40C/4LSPDT20D/4额定工作电压(Un)380V380V380V最大持续工作电压(Uc)420V420V420V电压保护水平(Up),在Isn 时 2.5kV 1.5kV 1kV标称放电电流(In)60kA20kA10kA最大放电电流(Imax)100kA40kA20kA响应时间 25ns 25ns 25ns接入导线截面(L/N)6mm26mm26mm2接入接地线截面(PE)10mm210mm210mm2熔断器或断路器选型63A32A16A工作环境-40+85-40+85-40+85相对湿度 95%95%95%安装35mm 标准导轨 35mm 标准导轨 35mm 标准导轨外壳材料增强阻燃 PBT增强阻燃 PBT增强阻燃 PBT测试依据GB18802.1、IEC61643-1GB18802.1、IEC61643-1GB18802.1、IEC61643-1表 2 白沙水电站浪涌保护器 SPD 选型图 4 低压系统浪涌保护器的分级图 3 防雷保护区的分区（下转第 28 页）2023，21（3）28广东水利电力职业技术学院学报参考文献：1 徐俊杰.土压平衡盾构施工引起的地表沉降分析 D.成都：西南交通大学，2004.2 陈国庆，李天斌，贺宇航，等.地下水扰动作用下地基土体渗透破坏试验研究 J.土木建筑与环境工程，2013(01):52-56.3 段祥宝，刘运化，杨超，等.土体渗透变形及渗透破坏过程中分形特征初探 J.水电能源科学，2013,31(7):5.4 江眺，吴晓彬，蒋军.土体渗透破坏对深基坑开挖的影响 J.低温建筑技术，2007(6):3.5 朱崇辉，王增红，刘俊民.粗粒土的渗透破坏坡降与颗粒级配的关系研究 J.中国农村水利水电，2006(3):4.Analysis on the Laws of Seepage Damage of the Working Face of Shield Tunnel Excavation with Incomplete CabinRENBao-long(The5thEngineeringCo.,Ltd.ofChinaRailway18thBureauGroup,Tianjin300450,China)Abstract:Inordertostudythelawofseepagedamageoftheworkingfaceundertheactionofgroundwater,combinedwiththeexampleofGuangzhouMetroLine18,aself-madepermeationdamagedeviceisusedtostudyvarioushydraulicparametersoftheworkingfaceofincompletecabinexcavationinitsshieldsection.Theanalysisfoundthattheseepageofgroundwaterisanimportantfactorleadingtotheinstabilityoftheworkingfaceduringincompletecabinexcavation;hydraulicgradientisanimportanthydraulicparameterreflectingthedegreeofseepagedamageoftheworkingface.Inthesimulationdevice,whenthehydraulicgradientreaches0.4,thesimulatedworkingfacewillbecomeunstableandseepagedamagewilloccur;thereisacertaincorrelationbetweentheparticlesizedistributionofthesoilandthecriticalhydraulicgradient.Theeffectofstrengtheningthestabilityoftheworkingfacecanbeachievedbycontrollingthegrading.Key words:incompletecabin;seepagedamage;workingface;shieldconstruction;hydraulicgradient3 孔繁钦，徐鹏.雷电侵入波对变电站设备的影响及防范措施 J.华中电力，2011(6):25-29.4 高长伟，韩刚，姚颖.高电压技术 M.北京：清华大学出版社，2018.5德 哈斯 著 傅正财，叶蜚誉译.低压系统防雷保护：第2 版 M.北京：中国电力出版社，2005.6 王宏兵.大型水电站雷电过电压与绝缘配合研究 D.北京：华北电力大学，2014.Improvement Measures of Lightning Protection Design of Baisha Hydropower StationNINGLi-hua1，HUANGJing-na2(1.SihuiBaishaHydropowerStation,Zhaoqing,Guangdong526000,China;2.ShenzhenEnergyScienceandTechnologyCo.,Ltd.,Shenzhen,Guangdong518000,China)Abstract:AnanalysisofthefrequentoccurrenceofequipmentdamageandunitshutdownduetolightningstrikesattheBaishaHydroelectricPowerStationinSihui,Guangdongprovince,revealsthattheprimaryfaultsandincidentsatthestationareduetoinadequatelightningprotectionmeasures.In2022,thelightningprotectiondesignofthestationwasenhancedtolimitthesteepnessofthelightningintrusionwaveonthemedium-voltageside,suppressthetotalreflectionovervoltageandlowvoltageoftheinrushwaveattheneutralpointofthegeneratorwinding,andcorrectlydividetheLPZandselecttheinsulationcoordinationleveloftheequipmentaccordingtotheprinciplesofIECrelatedLEMP.Aftertheseimprovements,thepowerstationhasexperiencedseverallightningstrikessofarwithoutanyequipmentfailuresordamages,demonstratingthegoodeffectinlightningprotection.Thecorrespondinglightningprotectionmeasurescanprovideareferenceforsimilarpowerstations.Key words:lightningprotectiondesign;overvoltage;lightningelectromagneticpulseprotection(LEMP);lightningprotectionzone(LPZ);surgeprotectionDevice(SPD)（上接第 11 页）