五里亭水电站闸坝综合防雷体系研究与实践

李勋东，别华斌，张仁贡

（1.深圳能源集团深能水电浙江分区，浙江 丽水 323000；2.安吉老石坎水库管理所，浙江 安吉 313300；3.浙江禹润水利水电科技研究院，浙江 杭州 310000）

1 工程概况

五里亭水电站位于瓯江中游，水电站装有3台14 MW的灯泡贯流式水轮机组，额定水头7.1 m，额定流量225 m3/s。五里亭水电站闸坝全长502.5 m，其中18孔泄洪闸全长276.0 m，14孔浅滩区，闸底板高程28 m，4孔深槽区，闸底板高程26 m；1孔船闸总宽25 m，船闸通航标准500 t级。挡水坝段总长84.45 m；右岸接头坝长56.5 m，最大坝高24.4 m；挡水坝左岸布置60.55 m长的高喷砼防渗墙。2016年，五里亭水电站开展了闸门远程控制系统的技术改造，实现了闸门的远程集中监控，坝区建设了现地监控房，在厂房区建设了闸门远程监控中心。安装了18套PLC系统和人机界面，4套光纤通信服务器，2台工业级集中控制机以及包含800 m光纤的通信系统。

2 问题提出

水电站大坝属于雷区，随着电气设备、控制柜、集控中心设备的大量增加，防雷安全问题成为重要问题，需要对闸坝综合防雷体系进行深入研究。防雷系统问题主要表现在：

（1）闸坝建筑物外部防雷不符合要求。随着闸坝自动化系统的安装，接地电阻的规范要求必须满足电气自动化设备的防雷要求[1]，即接地电阻值要小于10 Ω，但是原来监测点检测的接地电阻值远大于10 Ω，且未安装避雷带型接闪器以及引下线，接地体的数目偏少[2]。

（2）感知体系与控制房之间的防雷过渡防护非常薄弱。闸控现场内共安装了18套PLC系统和人机界面，4套光纤通信服务器，2台工业级集中控制计算机以及包含800 m光纤的通信系统。每扇闸门的现地控制柜内都外连有若干传感器。闸门集中控制系统采用了总线系统，闸门远程集中监控中心采用工业以太网通信系统，各个通信信号端口采用电气链接。但是目前通信系统尚无防雷屏蔽，信号端口尚都没有安装防雷击的电磁脉冲浪涌保护器，过渡防护尚且非常薄弱。

（3）现地控制系统和远程集控中心尚无内部防护。闸门控制系统、视频监控系统等需要诸多配电设备，设置配电室和闸门控制室于大坝之上，电源接地制式为TN-S，远远达不到配电设备防雷的规范标准要求[3]，且中控室内尚没有配置汇流排和均匀等电位连接体。

3 体系设计

依据五里亭水电站闸坝的实际情况，结合当地的气象、环境条件、地理位置等情况，参考当地多年雷电活动规律，设计五里亭水电站闸坝的防雷体系。

五里亭水电站闸坝的防雷体系由三部分组成，即外部防护模块、过渡防护模块和内部防护模块。

（1）外部防护模块。该模块由接闪器、引下线和接地体等组成，其原理是通过接闪器将雷电流沿引下线安全地引流入大地接地体，主要防止雷电直接击在建筑物和设备上。

（2）过渡防护模块。该模块由若干防雷器、屏蔽、接地、布线等组成，是一个综合型的防护体系。

（3）内部防护模块。该模块由均压等电位连接体和过电压保护元件等组成，可均衡系统电位，限制过电压幅值，以满足设备就近接地要求[4]。

4 应用实践

自从2016年五里亭水电站完成了闸门远传系统及控制中心的自动化技术改造和升级[5]，诸多自动化控制设备如工控主机、显示器、光纤服务器、光纤通信系统、泄洪闸监控屏、PLC、HMI、闸门控制仪、编码器、不间断电源以及配件等需要进行防雷防护。五里亭闸坝综合防雷防护体系原理图如图1所示。

图1 五里亭闸坝综合防雷防护体系原理图

从图2可知，该体系的优点在于：①模块化。该系统由三个模块组成，各个模块集成为一个整体，相互配合，以满足水利闸坝的复杂防雷应用。②通用性。该系统可以结合水利闸坝的实际情况，如闸坝所处的地理、地质、土壤、气象、环境等条件和雷电活动规律等的基础上，可以自由组合各个模块的数量和安装方便，具有很强适应性和通用性。③经济性。本系统可以依据现场的实际情况，以最大保护范围的原件模块数量的选择和恰当组合，节约固定式防护装置的不必要浪费，经济性好。

4.1 外部防护模块

（1）接闪器的安装

在五里亭水电站的闸坝控制室和配电室的房顶安装避雷带型接闪器，同时在房子的四个角落、房子的背脊处和房子的檐角处布置避雷带型接闪器，各个避雷带型接闪器采用Φ12 mm镀锌圆钢链接，避雷带型接闪器安装在镀锌支架上，该支架为150 mm高，采用Φ12 mm镀锌扁钢构架，每隔1 m安装1个。最后将避雷带型接闪器表面涂装银浆，以便防腐。

（2）引下线的安装

沿五里亭水电站闸坝的外侧背水面和对水面分别均匀间隔安装20条引下线，引下线采用Φ12 mm镀锌圆钢，上套Φ25 mm绝缘防护型PVC管，具有绝缘和防损坏作用。引下线采用支架固定，支架基座安装在闸坝墙体内。

（3）接地体的安装

在每个引下线接地下需要安装1组CPD2000型接地体，每组为2块，水平横向成一字形摆放，通过40 mm×4 mm扁钢与引下线可靠焊接。在闸坝外侧再加装人工接地体，先挖一个正方形的坑，边长4 m，深1.4 m。然后，将40 mm×4 mm扁钢焊接成网状放置在坑底，并将16根长1.5 m、宽25 mm的镀锌扁钢从坑底垂直打入地下，并接地网焊接，在坑底用约5～10 cm绝缘皮质物垫平，将坑底土壤浇水湿润。接着，在接地坑边置一个灰斗，倒降阻剂干粉于灰斗中，加水均匀搅拌成糊状，连续均匀地浇灌在接地体周围，待降阻剂凝固后添加原土夯实，在地下用40 mm×4 mm双层热镀锌扁钢交叉焊接并引出地面，再用40 mm×4 mm扁钢排与均压等电位连接体相连，引出地面部分作为接地装置。

4.2 过渡防护模块

（1）浪涌保护器（SPD）

将防雷防护的 LPZ0、LPZ1、、LPZ2、LPZ3四个不同等级的区域交界处安装浪涌保护器，采用通过多级钳位使残压逐步降低的原理，来抑制外部雷电波和雷电电磁脉冲的入侵。五里亭水电站闸坝监控系统[6]的电子电气设备由TN交流系统配电供电，配电系统的线路采用TN-S型接地方式，按照该特点，结合防雷技术规范和实践情况，进行浪涌保护设计，如图2所示。

图2 浪涌保护设计图

实践应用中，在五里亭水电站闸坝配电房内并联安装5组CPM-R100T型浪涌保护器，第一级浪涌保护器电源采用16 mm2铜导线连接相线，第二级浪涌保护器电源采用25 mm2铜导线连接相线。同时采用铜质绝缘导线与均压等电位连接体进行可靠电气连接。

（2）闸坝内部屏蔽保护

五里亭水电站闸坝内部安装有坝体自动化监测的各种设备及通信系统，这些设备可能会受到直击雷、感应雷、脉冲雷以及地电位反击等。直击雷的概率相对较小，大部分是感应雷、脉冲雷以及地电位反击。感应雷来源于闸坝附近落雷形成的电磁场感应，脉冲雷来源于从电源线路和信号线路侵入的雷电电磁脉冲，地电位反击来源于由接闪器接闪后的接地装置引起的地电位反击。

针对直击雷，在非防护区（LPZ0A）、直击雷防护区（LPZ0B）、第一防护区（LPZ1）的交界处安装了前述的浪涌保护器。针对感应雷，闸坝内部的所有传感设备通信设备，它们的金属外壳、信号线、防静电地板、SPD接地线、PE线、屏蔽线缆和屏蔽金属管全部与均压等电位连接体就近进行电气连接。针对脉冲雷，闸坝内部的地网和廊道地网基本采用了共用一个接地系统。针对地电位反击，接地干线采用铜芯绝缘导线，截面积不小于16 mm2，穿管就近敷设至均压等电位接地端子板。

（3）闸门监控设备信号端防雷保护

五里亭水电站闸坝的闸门监控现地设备，采用MODBUS现场总线与坝上现地控制房链接，现地控制房控制柜通过工业以太网与集控中心链接。工业以太网采用光纤，无需防雷[7]。但MODBUS现场总线的信号端口都要进行防雷防护。在传感器引入总线的SSI端口处串联安装信号防雷器，防止通过信号线进入现地控制柜的雷电浪潮。在现地控制房内，重要的监控设备，如PLC、单片机采集器等，加装浪涌保护器。对闸门监控线路的监测与控制两端加装防雷装置。

4.3 内部防护技术

（1）五里亭水电站闸坝内部沿廊道内侧安装CPD2000接地极20组，形成接地环网，水平焊接40 mm×4 mm双层热镀锌扁钢，低电阻率土壤分层回填夯实，在配电柜内侧沿墙均匀安装等电位联结端子箱20个，便于以后扩充。

（2）五里亭水电站闸坝厂房内的配电柜，采用40 mm×4 mm扁钢接入，配电柜电源输入端并联安装一组CPM-R100T浪涌保护器，加装1组（每组6块）CPD2000接地板。

5 结束语

五里亭水电站闸坝经过综合防雷体系的设计，取得了很好的运行效果。目前已经运行三年，接地电阻测试符合规范要求，各类系统的防雷效果良好，电子元器件的损坏率明显降低。2018年7月2日在闸坝变压器遭直击雷而停电的情况下，经过检查各类监控设备与通信系统，均工作正常，设备运行正常。各类检查充分表明，这项综合性的防雷改造是非常有效的，雷电防护综合设计方案值得水电站同行学习借鉴。同时，通过研究和运行实践，笔者将与国内同行一起，继续研究和探索雷电防护技术体系和应用。