泵站工作中的防雷接地措施研究与分析

周明政

（芜湖市水利工程建设管理处，安徽芜湖 241000）

引言

目前我国现有大部分泵站工程防雷接地的设计、施工和检测工作都是由水利专业的设计院、施工企业及检测单位承担，与气象部门专业的防雷接地设计、施工、检测单位（企业）相比技术水平还有一定差距，现有很多泵站防雷接地的设计水平处于相对落后状况，实际泵站防雷接地技术和成效没有达到《泵站设计规范》（GB/T50265-2011）《建筑设计规范》（GB50057-2010）[1-3]的要求，泵站内部电路系统和高低压装置的接地设计指标未满足《配电技术手册》等[4-6]的具体要求，容易导致线路系统、自动化系统、变压器等许多电气设备被雷电波侵入或雷击，甚至导致工程受损，无法正常发挥防汛除涝效益，造成社会经济损失惨重。系统解决泵站工程的防雷接地技术问题，保证泵站工程安全可靠运行，是此次泵站工程防雷接地系统研究分析的主要目的。本文以芜湖某泵站为例进行系统分析。

1 案例介绍

芜湖市某泵站工程位于芜湖市弋江区境内，在2009年老泵站改造之前，工程变电站主汛期排涝期间发生过雷击事故，工程运行存在安全隐患。同时，随着城市总体规划的调整，泵站周边区域防洪对象发生了很大变化，老泵站无法满足城市发展要求，政府决定对老泵站进行改造。改造后的新泵站选用4台2200ZLB17.5-4.7型立式轴流泵，配套4台TL1250-28/2600型6kV高压立式同步电动机，单机容量为1 250kW，装机总容量为5 000kW，设计排涝流量为70m3/s，规模为大（2）型泵站。主厂房内安装4台立式同步电动机、4台励磁屏及现场动力柜，副厂房内设置变压器、高低压柜、集中电容补偿屏、高压软启动器等高低压配电设备以及中央控制室等。泵站电源由一条专用的35kV架空输电线路提供，线路导线型号规格为LGJ-70，线路长约10km。因此为保证工程的安全运行，对泵站的防雷保护和接地两个方面进行了全面设计与配置，采取了以下具体防雷接地措施。

2 泵站雷击事故情况及主要原因分析

2.1 泵站雷击事故发生情况

2008年7月芜湖市正处于主汛期的关键时期，然而突然的雷击造成正在紧张排涝的泵站供电设备断电，泵站机组中断运行。经芜湖市供电部门检测雷击事故造成主变压器绝缘被击穿、高压隔离开关损坏，泵站无法继续工作，为尽快解决问题，恢复排涝能力，市防汛指挥部与当地变压器生产厂家协调，紧急调用1台S10-1250kVA-35kV/0.4kV型变压器和1台GW5-35GD/630A型隔离开关，经供电部门全力紧急抢修，泵站及时恢复排涝能力。

2.2 雷击事故主要原因分析

经原设计单位和供电部门实地调查分析，泵站遭受雷击事故主要原因有以下几个方面：

（1）泵站地处平原地区，周边为菜地、湖泊、国道，无高层住宅等建筑物，35kV进线段及变电站位置相对较高。据芜湖市气象部门近50年雷电资料统计，芜湖市平均年雷电日数为43.8天，泵站处于雷电多发区和易发区，在夏季雷雨季节，云层容易在该泵站上部空间区域聚集，当云层电荷的电场强度满足破坏空气绝缘时，就会与泵站工程设备形成放电通道，从而产生对变压器和隔离开关的雷击事故。

（2）35kV进线段沿线布置的避雷线损坏，直击雷的过电压沿着进线导线进入主变压器，使得主变压器三相绕组绝缘被高压击穿，从而导致三相金属性短路。

为避免类似事故再次发生，保证工程安全运行，在该泵站工程改造时，对工程采取了全面防雷接地措施。

3 泵站的防雷措施

3.1 建筑物的直击雷防护

3.1.1 户外变电所和架空线路的直击雷防护

为了有效防护直击雷，泵站在户外变电站南侧设置一根高30m的避雷针（详见图1）以免建筑物遭受直击雷，架空线路采用避雷线进行保护。根据《工业与民用电力装置的过电压保护设计规范》（GBJ64-1983）规定，为防止雷电波沿输电线路侵入危害变压器及其它电气设备，保障变电站的电气设备运行安全，泵站在35kV进线侧装设一组Y5WZ1-51/134型避雷器。同时为防止或减少近区雷击闪络，在进线终端杆外侧1km范围沿线路架设避雷线进行保护。

图1 避雷针安装实物图

3.1.2 泵站厂房的直击雷防护措施

本工程在主副厂房屋顶的屋面板中按规范要求，采用Φ10镀锌圆钢设置避雷网，同时利用沿墙构造柱、沿四角墙柱的引上钢筋与底板接地网（避雷网大样示意图详见图2）外侧主筋设置引下线以及人工接地装置，并与底板接地网主筋牢固焊接，每根柱采用对角两根Φ≥16的主筋作为引下线，主副厂房共设置引下线10处，并在每根引下线上距地面0.3m处设连接板，每个焊接处均涂沥青进行有效防腐。通过引下线和接地装置将雷电波放入大地，并沿主副厂房屋顶女儿墙设置避雷带进行防护，防止直击雷造成损害。

图2 避雷网大样示意图

3.2 配电装置的防雷保护措施

3.2.1 配电装置的直击雷防护

由于主、副厂房已采取防雷措施，所以室内的高低压配电装置不再设置直击雷的防护措施。

3.2.2 配电装置的雷电侵入波防护

本工程配电装置的雷电侵入波防护主要采取以下措施：

（1）为保证本工程变压器等配电装置免遭雷电波侵入危害，本站在35kV进线侧装设一组Y5WZ1-51/134型避雷器。

（2）为防止或减少近区雷击闪络，在进线终端杆外侧专用线路进线段沿架空线路架设1km避雷线。

（3）为避免雷雨季节断路器被沿输电线入侵的雷电过电压波击穿，在断路器外侧（配电装置入口处）装设一组阀式避雷器F。

3.2.3 高压电动机的防雷措施

本工程电动机电压等级为6kV，供电电源为35kV架空线，为非直配电动机，电动机经过变电站的降压变压器与架空线相连，由于在主变压器的线路侧已采取可靠的防雷保护装置，所以不再对电动机采取特殊的防雷保护措施。

3.2.4 泵站弱电设备的防雷措施

为防止雷电波从电源系统侵入弱电设备，本工程的弱电防雷保护主要包括泵站监控系统、视频系统、自动化系统需设置弱电防雷保护，浪涌保护器（SPD）应符合《电子计算机场地通用规范》（GB/T-2887-2000）以及《建筑物防雷设计规范》（GB 50057-2010）。UPS弱电系统电源进线设置二级浪涌保护、出线设置三级浪涌保护，室外传感器电源、摄像头电源设置三级浪涌保护；自动化系统的网络信号端口设置信号浪涌保护（详见图3）。为防止电磁干扰，在全站各区界面处设等电位连接，以避免弱电设备的损坏，保证自动化系统的安全稳定运行。

图3 浪涌保护器安装位置示意图

4 泵站的接地措施

4.1 泵站电气装置所要求的工作接地电阻值

4.1.1 接地电阻的确定

按照相关规范要求，本工程的接地装置由人工接地体和自然接地体两部分组成。本工程35kV系统属于中性点不接地系统，要求其接地电阻≤1Ω，则可计算单相接地电容电流为：

式中：I为单相接地电容电流（A）；U为网络线电压（kV），为6kV；Li为电缆线路长度（km），为0.2km；Lj为架空线路长度（km），为10km。

由于本工程属于小接地电流系统，且接地装置高、低压装置共用，根据规程规定接地电压不超过120V，高压电力设备装置的接地电阻允许值：R≤120V/0.291A=412.4Ω，根据规范高压电力设备装置的接地电阻R≤10Ω；站用电380/220V电源中性点接地电阻≤4Ω。

4.1.2 接地装置计算

根据公式ρ=ψ×ρ0，所测土壤电阻率ρ0=0.8×104，季节修正系数ψ=1.5，可得修正后土壤电阻率ρ=1.2×104（Ω·cm）。

本工程可利用1km长的6kV直埋电缆的金属外皮作为自然接地体。根据规范其扩散电阻计算为

则可计算得到Rz=0.988（Ω）。

人工接地装置的接地电阻需使其与自然接地并联后达到规定值0.5Ω，故人工接地体电阻为Rt=（R×Rz）/（Rz-R）=（0.5×0.988）/（0.988-0.5）=1.01Ω＞1Ω

对中性点不接地短路电流系统，人工接地装置的电阻不应大于1Ω，所以人工接地体电阻Rt≤1Ω。

由于泵站所在地区土壤电阻率不高，所以人工接地装置以采用长度为2.5m的SC50钢管接地体为主，其间用-40×6镀锌扁铁连接成环形，钢管上端埋入土中深度为0.8m。

4.2 接地装置的布置

本工程接地网布置主要主要采取以下措施：

（1）自然接地体是充分利用底板、立柱、楼板等水工建筑物中的结构钢筋相互焊接、相互连通实现的。利用墩墙、立柱中的铸钢筋作为接地引下线，与各层接地网可靠焊接，并通过-40×6镀锌扁铁与屋顶避雷带可靠连接，使之上下贯通，形成一张完整的接地网，其总接地电阻不大于1Ω。

（2）在建筑物伸缩缝处通过U型扁铁将分缝两侧的接地线连接起来（详见图4），接地线应防止发生机械损伤和化学腐蚀。

图4 伸缩缝处接地处理示意图

5 结语

在泵站工程建设中采取有效的防雷接地措施十分重要，完善的防雷措施可以有效避免造成泵站建筑物、电气设施着火、人身伤亡等事故发生，是泵站供配电系统、高低压电气设备、计算机监控系统等安全运行的有力保障。为控制好泵站工程中防雷接地施工质量，切实做好泵站工程防雷接地系统的各项工作，本文从设计图纸、原材料、隐蔽工程验收、检测等关键环节提出以下几点经验建议：

（1）严把设计图纸审查关。在施工前，业主单位组织监理、施工、及检测单位技术人员，并邀请气象部门的防雷专家对施工设计图纸进行审查，提出合理建议，优化设计方案，提高设计图纸质量，增强泵站工程防雷接地设计的安全可靠性。

（2）严把原材料质量关。对进场的镀锌扁铁、镀锌钢管、焊条等防雷接地原材料，要求施工单位报检，监理单位查验原材料的规格型号、合格证等相关证明材料及检测报告，不合格的原材料严禁进场投入使用。

（3）严把隐蔽工程验收关。针对防雷接地施工中的关键部位和关键工序，要求监理工程师实行旁站监理，确保焊缝质量、搭接长度等关键工作在可控之中，防止出现错焊、漏焊，隐蔽工程验收不合格的严禁进行后续施工，以保证防雷接地的施工质量。