可控放电避雷针防雷系统在莲花坝体的应用

潘向荣，赵志强

(牡丹江水力发电总厂，黑龙江牡丹江157000)

1 工程概况

莲花水电站位于黑龙江省海林市三道河乡木兰集下游二公里处，距牡丹江市160 km，是牡丹江下游第一座梯级大型水电站，是以发电为主兼有防洪、灌溉等综合效益的水电站。电站总装机容量550 MW。坝址以上控制流域面积3.02万 km2，水库总库容41.8亿 m3，为不完全多年调节水库。工程枢纽由拦河大坝、二坝、溢洪道、引水系统、地面厂房、开关站等建筑物组成。

拦河大坝主要为钢筋混凝土面板堆石坝，坝顶高程225.8 m，最大坝高为71.8 m，坝顶长度902 m。二坝布置在左岸垭口，为粘土心墙堆石坝，最大坝高为47.2 m，坝顶长度332 m。

溢洪道布置于右岸，全长990 m，底宽130～90 m，溢流前缘长130 m，设计7个孔口，弧门尺寸为16m×13.4 m，可渲泄校核洪水流量18 570 m3/s。

引水发电系统位于右岸，包括进水口、两条直径13.7 m引水隧洞;调压井采用闸井结合，双圆弧型阻抗式调压井。

2 坝体自动监测站防雷的必要性

莲花发电厂地处我国东北山区，周围多高山，年雷暴日达35以上，使之易受到雷电的侵袭，电厂坝体自动监测站共有5个，分别位于溢洪道、大坝上下游，地理位置较为分散，地形各有不同，易受雷电侵袭，同时电力网内部产生的过电压也会对设备造成损害。

雷击分为直击雷和感应雷。直击雷的能量大，危害也最大，雷电直接击在建筑或设备上，因雷电的高温会引起建筑物燃烧，而在雷电流的通道上，物体水份受热浸化膨胀，发生强大的机械力，使建筑物(或设备)遭受破坏;另外，雷电流沿接地引下线向大地泄入时，引下线及接地网电位升高，有可能向临近物体、设备跳击，造成雷电反击，由于接地极有强大的电流入地，其跨步电压亦能对人产生危害。

感应雷的危害不应忽视。雷电放电过程包括在雷云与雷云之间放电，或通过直接击中物体以及大地产生强大的静电感应和磁场感应，最终在附近金属物体或引线上产生瞬间尖峰冲击电压而破坏设备。它其实主要是透过电阻性或电感性两种方式(如图1～4所示)而隅合到电子设备的电源线、控制讯号线或通讯线上，最终把设备损坏。

图1 透过电阻性隅合方式经数据线损坏设备

图2 透过电阻性合方式经中线及地线损坏设备

图3 透过电感性(磁感应)隅合到各类传输线而损坏设备

感应雷击所造成的破坏性后果通常体现于下列4种情况:

a.传输或储存的讯号以及数据，不论是数字信号还是模拟信号都会受到干扰或失掉，甚至使电子设备产生误动作或暂时瘫痪。

b.由于重复受到较小幅度的雷电冲击，元器件不致马上烧毁，但却已降低其性能及寿命。

c.情况较严重者，电子设备的线路板及元件烧毁。

图4 雷电电流导地时感应到室内的传输线上

d.整个系统停顿，信息传输停止等造成的间接经济损失很可能还要大于设备遭破坏的直接经济损失。

防雷是一个系统工程，在有一个良好接地网的前提下，一方面要作好直击雷的防护，另一方面也要做好对感应雷的防护工作。由于监测站设备信号传输是依靠光纤传输的，而光纤不能成为感应雷电进入设备的通道，因此，防护感应雷电，只需对监测站的电源线，采取措施即可。只有采取系统性的防护措施，才可以全面有效地保护莲花发电厂坝体监测站设备在雷雨季节安全可靠运行。

3 可控放电避雷针系统

3.1 可控放电避雷针及保护系统原理

雷云对地面物体放电不外乎以下两种方式:上行雷闪和下行雷闪。

下行雷闪，通常先导自上而下发展，主放电过程发生在地面(或地面物体)附近，所以电荷供应充分，放电过程来得迅速，造成雷电流幅值大(平均值为30～44 kA)，陡度高(24～40 kA/μS)。

上行雷闪，通常没有自上而下的主放电，它的放电电流由不断向上发展的先导过程产生，即使有主放电，但因雷云向主入通道供应电荷困难，所以放电电流幅值小(平均小于7 kA)，且陡度低(小于5 kA/μS)，不绕击。先导是自下而上发展，该先导或者直接进入雷云电荷中心，或者拦截自雷云向下发展的先导，这样中和雷云电荷的反应在上空进行，自雷云向下的先导就不会延伸到被保护对象上。另外，上行先导对地面物体还具有屏蔽作用，可减轻放电时在地面物体上的感应过电压。利用了上行雷闪的这些特点，通过巧妙的结构设计，使其能可靠地引发上行雷闪放电，从而达到中和雷云电荷，保护各类被保护对象的目的。

可控放电避雷针由针头、接地引下线、接地装置构成一套保护系统。它的针头不再是单针，而是由主针、动态环、贮能装置组成，如图5所示。

图5 可控放电避雷针及保护系统

根据尾部带金属线的火箭(火箭引雷试验)比高层建筑更容易引发上行雷的分析得出，要成功地引发上行雷，针头需达到以下要求:

a.在引发发生之前，针头附近的空间电荷应尽量少，以便于自主针针尖向上发展放电脉冲。

b.当需要引发上行雷闪时，针尖处的电场强度应足够高，以迅速产生放电脉冲。

通过对可控放电避雷针动作过程的分析，说明它满足上述这两条要求:

当可控放电避雷针安装处附近的地面电场强度较低时(如雷云离可控针及被保护对象距离较远等情况)，雷云不会对地面物体发生放电;此时可控放电避雷针针头的贮能装置处于贮藏雷云电场能量工况，由于动态环的作用，针头上部部件(动态环和主针针尖)处于电位浮动状态，与周围大气电位差小，因此几乎不发生电晕放电，即保证了在引发发生前针头附近的空间电荷很少的要求。可控针启动前及启动时针头的变化，如图6所示。

图6 可控针启动前及启动时针头的变化

当雷云电场上升到预示它可能发生对可控针及周围被保护物发生雷闪时，贮能装置立即转入释能工况。这一转变使主针针尖的电场强度不再被动态环限制，针尖电场瞬间上升数百倍，使针尖附近空气迅速放电，形成很强的放电脉冲，因没有空间电荷的阻碍。该放电脉冲在雷云电场作用下快速向上发展成上行先导，去拦截雷云底部先导或进入雷云电荷中心。

如果第一次脉冲引发不成上行先导，贮能装置即又进入贮能状态，同时使第一次脉冲形成空间电荷得以消散，准备第二次脉冲产生。如此循环总能成功地引发上行雷。

3.2 技术参数

a.针高h≤200 m时，保护角65°，相应地面保护半径为2.14 h，离地面高度hx处水平面保护半径为2.14(h-hx)。

b.雷电流的平均幅值小于7 kA。

c.雷电流的陡度≤5 kA。

d.基本上消除了雷闪时产生的感应过电压。

e.绕击概率不大于0.01%的保护角为55°。

f.接地电阻≤10 Ω。

g.抗风能力不低于风速50 m/s。h.使用期内免维护。

3.3 保护范围

当针高度在200 m及以下时，保护角恒定为65°保护半径由65°保护角确定的直角三角形斜边界定。单根可控针保护范围如图7所示。

地面保护半径:r=2.14h

式中，h为可控针高度，m。

3.4 电源防雷箱

3.4.1 工作原理及接线

对于三相四线制系统，电源防雷器并联于三火一零线上。在正常情况下，防雷器处于高阻状态，当电网由于雷击或系统操作出现瞬时脉冲电压时，防雷器立即在纳秒级时间内快速导通，将该脉冲电压短路到大地泄放，从而保护用户设备;当该脉冲的电压流过防雷器后，防雷器又变为高阻状态，从而不影响用户设备的用电。

图7 单根可控放电避雷针的保护范围

3.4.2 技术参数

电源防雷箱技术参数如下。

3.5 监测系统的布置

监测项目主要有:a.变形监测:大坝堆石体内外部水平和垂直位移、混凝土面板之间垂直缝、面板与趾板之间周边缝开合度、面板挠曲变形、二坝坝体外部水平和垂直位移;b.渗流监测:坝体、坝基渗流压力和渗流量、绕坝渗流、水质分析;c.应力应变监测:混凝土面板应力应变、温度。

4 防雷系统应用与技术要求

4.1 接地与均压

接地电阻越小电压值越低，在经济合理的前提下，应尽可能降低接地电阻。通过现场考察了解的情况来看，这5个站都没有做接地网，需新做接地网。

从安全方面考虑，依据相关规程，在工作接地和防雷接地可以分开的情况下，应尽量分开，且地表与两地网相连金属部分间的直线距离应大于3 m，地中的直线距离应大于5 m。从现场考察的情况来看，L4、L5、L6、L16这4个站都要分别做工作接地与防雷接地两个地网;L18站位于隧道口，由于该站所在地形限制，不能分开做两个地网，因此采用共地的方法，即工作接地与防雷接地合并成一个地网。

工作接地电阻通常要求应小于4 Ω，采用共地方式的，接地网阻值也应小于4 Ω;工作接地网与防雷接地网分开时，防雷接地网应小于30 Ω。在土壤电阻率高，且现场可铺设地网面积有限的情况下，可采用长效降阻剂和接地模块(L5站、L18站)。

4.2 直击雷防护

监测站建筑防直击雷的保护措施，采用可控放电避雷针作为直击雷防护的主体设备。可控放电避雷针通过铁塔直接接地，不需要另做接地引下线，铁塔基础钢筋上与铁塔、下与接地网钢筋应焊接可靠。

可控放电避雷针的保护角为65°，保护范围如图8所示。

图8 可控放电避雷针保护范围

经计算，5个站安装可控放电避雷针的铁塔高度分别为:L4站，16 m;L5站，4 m;L6站，15 m; L16站，17 m;L18站，7 m。

5.3 限幅装置

各监测站的电源线、进线端装有抑制电缆横向、纵向过电压的限幅装置。在监测站电源进线端安装交流电源防雷箱，由于信号采用光缆传输，故不需要安装信号线防雷器。

5 结束语

实践证明，莲花发电厂坝体监测站通过安装可控放电避雷针，电源线上安装电源防雷器，同时作好接地网措施，有效防止了雷击事故发生，确保了变形自动监测站被保护设施在雷雨季节安全可靠运行。