水电站防雷方案之欧阳化创编.docx

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水电站防雷方案之欧阳化创编

时间：

2021.02.12

创作人：

欧阳化

一、雷电概述

雷电是发生在大气中的声、光、电物理现象，其放电电流可达数十千安，甚至数百千安。

放电瞬间，雷电流产生巨大的破坏力和很强的电磁干扰作用，雷电灾害是自然界十大灾害之一。

雷云对地放电，能够对地面上的建筑物和设施构成严重危害，其危害主要分为两类：

直接危害和间接危害。

直接危害主要表现为雷电引起的热效应、机械效应和冲击波等；间接危害主要表现为雷电引起的静电感应、电磁感应和暂态过电压等。

雷云对地放电时，强大的雷电流从雷击点注入被击物体，其热效应可使雷击点周围局部金属熔化，当雷电击中易燃物时，能将易燃物引燃；当雷电击中输电线路时，可将其熔断。

这些都属热效应，如果防护不当，就会酿成火灾，带来更大的损失和灾难。

雷电机械效应所产生的破坏作用主要表现为两种形式：

电动力和内压力。

众所周知，载流导体周围的空间存在着电磁场，在电磁场中的载流导体会受到电磁力的作用。

雷击建筑物时，在电动力作用下，建筑物内的导体之间会相互吸引或排斥，引起变形，甚至会被折断。

在被击物体的内部产生内压力是雷电机械效应破坏作用的另一种表现形式。

由于雷电流幅值很高，作用时间很短，击中树木或建筑构件时，在其内部瞬时产生大量热量，在短时间内热量来不及散发出去，致使物体内部的水分被大量蒸发成水蒸气，并迅速膨胀，产生巨大的爆炸力，能够使被击树木劈裂、建筑构件崩塌。

雷电产生的冲击波类似于爆炸产生的冲击波。

在雷云对地放电过程的回击阶段，放电通道中既有强烈的空气游离又有强烈的异性电荷中和，通道中瞬时温度很高，使得通道周围的空气受热急剧膨胀，并以超声波向四周扩散，从而形成冲击波。

同时，通道外围附近的冷空气被严重压缩，在冲击波波前到达的地方，空气的密度、压力和温度都会突然增大，产生剧烈振动，可以使其附近的建筑物遭到破坏，人、畜受到伤害。

雷电的静电感应和电磁感应作用均属于雷电的间接危害。

当空间有带电的雷云出现时，雷云下的地面及建筑物等，都因静电感应而带上相反的电荷。

从雷云的出现到发生雷击（主放电）所需时间相对于主放电过程的时间要长得多，雷云下的地面及建筑物等有充分的时间累积大量电荷。

当雷击发生后，局部地区的感应电荷不能在同样短的时间内消失，形成局部高电压。

这种由静电感应产生的过电压对接地不良的电气系统有很强破坏作用，使接地不良的金属器件之间发生火花，这对易燃易爆场所而言，是非常危险的。

雷电流具有很高的峰值和波前上升陡度，能在所流过的路径周围产生很强的暂态脉冲电磁场，处在该电磁场中的导体会产生感应过电压（流）。

建筑物内通常敷设着各种电源线、信号线和金属管道（如供水管、供热管和供气管等），这些线路和管道常常会在建筑物内的不同空间构成环路。

当建筑物遭受雷击时，雷电流沿建筑物防雷装置中各分支导体入地，流过分支导体的雷电流会在建筑物内部空间产生暂态脉冲电磁场，脉冲电磁场交链不同空间的导体回路，会在这些回路中感应出过电压和过电流，导致设备接口损坏。

雷电流产生的暂态脉冲电磁场不仅能在建筑物内的导体回路中感应过电压和过电流，而且也能在建筑物之间的通信线路中感应出过电压和过电流。

随着城市现代化的不断发展，科学技术的不断进步，智能建筑迅猛发展，各类信息系统得到广泛应用，特别是超大规模集成电路的应用，极大的提高了工作效率。

但是，这些电子设备普遍存在着绝缘强度低、过电压和过电流耐受能力差、对电磁干扰敏感等弱点，一旦建筑物受到直接雷击或其附近区域发生雷击，雷电过电压、过电流和脉冲电磁场会通过供电线、通信线、接收天线、金属管道和空间辐射等途径侵入建筑物内，威胁室内电子设备的正常工作和安全运行。

如防护不当，这些雷害轻则使电子设备误动作，重则造成电子设备永久性损坏，严重时还可能造成人员伤亡。

雷电危害具体表现在以下几方面：

1、直接雷击危害

雷击是严重的自然灾害之一，当雷电击中建筑物时，由于雷电是具有高电压、大电流，作用时间极短的瞬变过程，通常在瞬间释放出巨大的能量，把被击中金属熔化，使物体水份受热膨胀，产生强大的机械力，或分解成氢气和氧气，产生爆炸，使建筑物遭到破坏。

雷击产生的高温引起建筑物燃烧构成火灾和产生高压引起触电。

根据目前的防雷理论，无论采取哪种保护方法,都需要使用接闪器进行接闪，通过引下线将雷电流引下至接地装置，由接地装置散人大地中。

在此过程中存在以下雷击安全隐患：

雷电流沿引下线传导过程中，在其周围存在很强的电磁场，可能引起闪电感应过电压和过电流。

雷电流由散流装置入地过程中形成的电位梯度过大会导致行人因跨步电压而发生人身伤亡事故。

直接雷击时，雷电流在泄放和散流过程中因电阻压降和电感压降导致高电位通过静电感应在水平布设的信号线路和电源线路上产生的过电压损坏设备接口，并有可能导致反击及人身触电伤亡事故。

2、雷电波入侵

雷电虽然未直接击中建筑物或设备，但击中与本建筑物或设备相连的金属管、线，通过传导的方式将雷电波引入建筑物内，破坏与之相连接的用电设备、通信设备、计算机网络等设备，乃至危害人身安全。

3、雷电电磁脉冲辐射

雷击发生时，由于雷电流迅速变化在其周围空间产生瞬变的强电磁场，形成强烈的雷击电磁脉冲辐射，使附近导体上感应出极高的电动势，产生强大的暂态耦合电流，破坏相关设备。

4、地电位反击

当设备没有采取等电位连接措施的情况下，由于各接地系统本身的接地途径不同，冲击接地电阻差异，以及在泄放雷击电流时，所通过的雷击电流存在差异，导致地电位升高和不平衡，当地电位差超过设备的绝缘强度时，即造成击穿放电，损坏设备。

二、项目概况及现场勘测情况

xxxx水电站位于四川省雅安市全县小河乡，是天全河干流水利资源梯级开发的第三级，上游梯级为脚基坪水电站，下游梯级禁为门关水电站。

电站闸址位于拉塔河汇入天全河的汇口下游20m出，厂址位于禁门关水电站库尾上游1.5km的天河右岸凸岸火焰岩山咀、闸、厂址相距约10km。

电站采用低闸引水式开发，为单一的发电工程，无灌溉、防洪、通航等要求。

电站最大坝高19.7m，装机容量75MW，安装3台混流式水轮机组，正常蓄水位888m，库容为23.4m3，额定水头73m，额定引用流量120m3/s，设计年发电量35269万kw.,h，设计年利用小时4703h。

电站送出通过110kv汇全线送至220kv天全变电站，线路全长17.13km，共有43基自立式单回路铁塔。

通过现场的勘测发现，xxxx水电站高压输出线架设有避雷线，无其他避雷措施具体情况如下：

1、整个电站无避雷针的直击雷防护，电站的人员、设备等存在雷击的风险。

2、经过现场地阻仪测试，电站输送电大楼接地电阻值为5.5Ω，电站内的高压铁塔接地电阻值为13.64Ω，电站泵房内设备接地电阻值为10.37Ω、发电厂房接地电阻为4.17Ω、1#主变接地电阻值为0.73Ω。

4、电阻周围为岩石和河滩卵石，土壤电阻率达到3000Ω·m以上，属高土壤电阻率地区。

5、现场办公人员反应雷雨天气时输电大楼与饭堂之间高压线下有落雷和放电现象。

存在严重的安全隐患。

（如下图）

6、厂区内各构建筑物及设备间接地为相互交错而独立，并且地网间的距离均在10M之内没有形成环网状联合接地，存在雷电隐患。

三、遵循的主要标准规范

1、本方案严格按照国家现行有效的防雷技术规范及中国气象局关于建筑物电子信息系统防雷的要求进行设计，以确保建筑物电子信息系统的设施设备和工作人员的安全为目标。

2、工程设计所依据的规范为：

《建筑物防雷设计规范》（GB50057—2010）

《小型水力发电站设计规范》（GB50071—2002）

《水力发电厂接地设计技术导则》（DL/T5091-1999）

《建筑物电子信息系统防雷技术规范》（GB50343—2012）

《国际电工委员会防雷标准》（IEC62305）

《电子设备雷击保护导则》（GB7450—87）

依据《建筑物防雷设计规范》（GB50057—2010）版第三章、建筑物的防雷措施;第二节、第一类防雷建筑物的防雷措施要求，第3.2.1条：

防雷电感应的接地装置应和电气设备接地装置共用，其工频接地电阻不应大于10O欧姆。

第三节、第二类防雷建筑物的防雷措施要求，第3.3.4条：

每根引下线的接地电阻不小于10欧姆，防直击雷接地装置宜和防雷电感应、电气设备、信息系统等共用接地装置。

而据现场勘察，xxxx水电站的接地并不符合国家规范，各个地网未有效的形成联合地网，导致于雷雨天气楼与楼之间形成电位差，从而存在漏电、放电现象严重影响了电站的人身安全和正常工作。

四、按防雷装置的拦截效率确定雷电防护等级

按照GB50343-2012《建筑物电子信息系统防雷技术规范》3.1节要求，地区雷暴日等级易划分为：

少雷区：

年平均雷暴日在25天及以下地区；

中雷区：

年平均雷暴日大于25天，不超过40天的地区；

多雷区：

年平均雷暴日大于40天，不超过90天的地区；

强雷区：

年平均雷暴日超过90天的地区。

通过查询相关的资料可知，甘孜县的雷暴日为80.9天，由于xxxx水电站距离在甘孜县边上，雷暴日与甘孜县接近，依据该雷区划分，结合所在城市环境、所处地域环境的差异，以及电源系统重要程度、防护需求的不同，本方案将xxxx水电站其划分为强雷区防护等级作为此次综合防雷工程方案设计、工程施工的参考依据。

根据相关标准可知，xxxx水电站属于第二类建筑物，所有的防雷措施应按照第二类建筑物防雷的要求进行设计。

五、设计方案

1、直击雷防护

1.1、依据GB50057-2010《建筑物防雷设计规范》第四章4.1基本规定里的4.1.1各类防雷建筑物应设防直击雷的外部防雷装置，并应采取防闪电电涌侵入的措施。

第一类防雷建筑物和本规范第3.0.3条5～7款所规定的第二类防雷建筑物，尚应采取防闪电感应的措施。

第二类防雷建筑物外部防雷的措施，宜采用装设在建筑物上的接闪网、接闪带或接闪杆，也可采用由接闪网、接闪带或接闪杆混合组成的接闪器。

接闪网、接闪带应按本规范附录B的规定沿屋角、屋脊、屋檐和檐角等易受雷击的部位敷设，并应在整个屋面组成不大于10m×10m或12m×8m的网格；当建筑物高度超过45m时，首先应沿屋顶周边敷设接闪带，接闪带应设在外墙外表面或屋檐边垂直面上，也可设在外墙外表面或屋檐边垂直面外。

接闪器之间应互相连接。

共用接地装置的接地电阻按50Hz电气装置的接地电阻确定，不应大于按人身安全所确定的接地电阻值。

在土壤电阻率小于或等于3000Ωm时，外部防雷装置的接地体符合下列规定之一以及环形接地体所包围的等效圆半径等于或大于所规定的值时，可不计冲击接地电阻；但当每根专设引下线的冲击接地电阻不大于10Ω时，可不按本条第1,2款敷设接地体。

根据GB50057-2010《建筑物防雷设计规范》附录D滚球法确定接闪器的保护范围章节中的D.0.1款“单支接闪杆的保护范围应按下列方法确定”

当接闪杆高度h小于或等于hr时，由下列公式可知接闪杆（避雷针）的高度。

由下表接闪器布置可知建筑物的滚球半径为：

建筑物防雷类别

滚球半径hr（m）

避雷网网格尺寸

第一类防雷建筑物

30

≤5×5或≤6×4

第二类防雷建筑物

45

≤10×10或≤12×8

第三类防雷建筑物

60

≤20×20或≤24×16

1.2根据勘测以及通过D.0.1-1公式计算可知，需要在厂区建筑物最高处（输送电厂房楼梯间屋顶）安装避雷针，避雷针高度为11米。

避雷针基础为1000×1000×800混凝土，支撑杆为2米长5节Ф168×4热镀锌钢管通过法兰盘用6颗M16螺栓连接而成，顶部安装BSR-AWBO-25/300型优化避雷针。

（避雷针示意图见附图1）。

所需材料如下：

BSR-AWBO-25/300型优化避雷针1根

Ф168×4热镀锌钢管2米

法兰盘1套

辅材及配件1套

2、地网设计

2.1、站内地网情况

根据《水力发电厂接地设计技术导则》（DL/T5091-1999）中第5章5.1.3条：

在高土壤电阻率地区，当接地装置要求做到规定的接地电阻值在技术、经济上极不合理时，接地电阻值可以放宽（R≤5Ω），但应符合以下规定：

1、验算接地网的接触电位差和跨步电位差。

施工完毕，一般应进行现场实测并绘制电位分布曲线。

2、考虑短路电流非周期分量的影响，当接地装置内电位升高时，发电厂内的6KV～10KV的阀型避雷器不应动作。

3、对可能将接地装置的高电位引向厂外，或将地电位引向厂内的设施，应采取隔离措施。

5.2条小接地短路电流系统的接地电阻

5.2.1、中性点非直接接地系统的水电厂接地装置的接地电阻应符合以下要求。

1、高压与低压电力设备共用的接地装置：

接地电阻R不宜超过4Ω。

2、仅用于高压电力设备的接地装置：

接地电阻R不宜超过10Ω。

通过现场的测试发现：

电站办公大楼的接地电阻超标，实际测试接地电阻为5.5Ω，电站内的高压铁塔接地电阻为12.8Ω。

结论：

由于办公大楼是高压与低压电力设备共用的接地装置，所以该大楼的接地电阻不符合要求，电站内的高压铁塔仅用于高压电力设备的接地，测试结果也超过标准要求，需要进行整改。

2.2、地网整改措施：

根据《水力发电厂接地设计技术导则》（DL/T5091-1999）第4.2.9条防雷接地及要求：

1、所有设有避雷针、避雷线的构架，大楼的接地装置以及高压铁塔均应设置集中接地装置。

并且有效联通，形成联合地网。

2、避雷器宜设置集中接地，其接地线应以最短的距离与地网连接。

3、独立避雷针（线）应设独立的集中接地装置，接地电阻不宜超过10Ω.在高土壤电阻率地区，当要求做到规定的10Ω确有困难时，允许采用较高的数值，并应将该装置与主接地网连接，但从避雷针与主接地网的地下连接点到35KV及以下电气设备与主接地网的地下连接点，沿接地体的长度不得小于15m。

避雷针到被保护设施的空气重距离和地中距离还应符合防止避雷针对被保护设备反击的要求。

4、独立避雷针不应设在人经常同行的地方。

避雷针及其接地装置与道路或入口的距离不宜小于3米，否则应采用均压促使，铺设砾石或沥青地面。

因此：

勘察厂区实际情况和结合现代防雷技术。

将厂区内所有建（构）筑物和设备接地建设连接成一公共联合接地，以保证厂区内所有设备形成一等电位连接体，以消除厂区落雷或雷电浸入波危机厂区时产生地电位反击而影响厂区设备和员工安全。

以消除雷雨天厂区内不同建（构）筑物间放电现象。

在输送电厂房后面及110KV输电铁塔周围绿地草坪内地表下0.7米处建一网格状地网，网格大小为3米×3米，地网垂直接地装置用Ф25×1500铜包钢接地棒，水平接地装置用40×4镀铜扁钢，接地装置间连接用焊粉瞬间热熔连接。

靠近铁塔地网与铁塔四角引下线可靠连接、距铁塔5-8米地网边缘用40×4镀铜扁钢可靠连接后与泵房内设备接地可靠连接、在铁塔正前方网格状新建地网边缘及距铁塔10米以上用40×4镀铜扁钢可靠连接后穿过混凝土路面与1#主变接地可靠相连接、在距与1#主变相连接地网引出点8-10米处用40×4镀铜扁钢可靠连接后穿过混凝土路面后沿厂房外墙敷设至楼顶安装避雷针处与避雷针可靠连接。

在110KV铁塔后方新网格状建地网适当位置间隔3-5用40×4镀铜扁钢可靠连接后翻越档水墙外引两根到河边河滩空地顺厂区建构筑物方向地表下0.7米处建一网格状地网，网格大小为3米×3米，地网垂直接地装置用Ф25×1500铜包钢接地棒，水平接地装置用40×4镀铜扁钢连接，连接处用焊粉瞬间热熔连接。

从地网靠近厂区侧间隔5-8米引3根40×4镀铜扁钢可靠连接后翻越挡水墙向厂区内引，一根与输送电厂房建筑物构建柱内钢筋可靠连接、一根与发电厂房建筑物构建柱内钢筋可靠连接、另一根与发电厂房内原接地装置可靠连接。

新建地网建设连接完成后整个厂区形成一个公共联合接地网，公共联合接地网接地电阻值＜1Ω。

地网翻越挡水墙及外露部分40×4镀铜扁钢应美观、牢固且表面应涂上黄绿相间油漆拟与保护警示。

避雷针及地网见附图2

2.3、地网材料

水电站属于较为固定的场所，因此，地网的使用寿命必须要长久，常规的角钢、扁钢使用寿命在3-5年锈蚀比较严重，加之电站的电化学腐蚀特别严重，常规的角钢、扁钢使用寿命无法达到要求。

因此，本方案的垂直接地体采用我公司的BSJD-G4型铜包钢接地极，水平接地体采用40X镀铜扁钢，所有接地材料的镀铜厚度要求≥0.254mm。

关于地网的焊接，采用最新的放热焊接模式。

放热焊接是通过铝与氧化铜的化学反应（放热反应）产生液态高温铜液和氧化铝的残渣，并利用放热反应所产生的高温来实现高性能电气熔接的现代焊接工艺。

放热焊接适用于铜、铜和铁及铁合金等同种或异种材料间的电气连接，放热焊接无需任何外加的能源或动力。

铜导体的放热焊剂。

它利用金属化合物化学反应热作为热源，通过过热的（被还原）熔融金属，直接或间接加热工作，在特制的石墨模具的型腔中形成一定形状、尺寸，符合工程需求的熔焊接头。

 下列为放热焊接的优点以及相关演示图：

优点

1、熔接点的载流能力（熔点）与导体相同，具有良好的导电性能，经检测，焊接前后的直流电阻比率变化率接近与零。

这是任何一种传统连接方式无法比拟的。

　　2、焊接点是分子结合，永久，不老化。

　　3、焊接点象铜一样不受腐蚀影响。

（图为焊接点剖面截图）

　　4、不会受到高浪涌电流的损伤。

试验表明，在短时间大电流的冲击下，导体先于熔焊接头熔化。

　　5、操作方便，简单。

无需专业人员。

6、装备简单、轻便，携带方便，操作方便。

　　与传统的机械连接工艺比较，放热焊接是真正的分子焊接，导体不会被破坏并且没有接触面，导体交界面的整体有效性没有改变。

放热焊接工艺方法操作步骤如下：

操作注意事项：

⑴焊接前对模具及导体加热去除水分。

⑵去除焊接部位渣子及氧化层。

3）工具描述

（1）专用去氧化层刷（两种）

（2）钢结构固定夹具

适用氧化程度适用氧化程度较重，

较轻，较小截较大截面导体表面

面导体表面清清洁

（3）点火枪（4）模具专用清洁刷

（5）钢表面处理器T321（6）增径铜片B140增大较小导体截面

去处钢结构表面镀层

规程

（7）模具清洁铲B136（8）密封胶泥T403填充导体间缝隙

适合对较硬残渣处理

采用“叠压式的连接方式”，操作安全、牢固可靠；避免出现漏焊、虚焊、脱焊等不良现象。

用型号为200#焊粉进行焊接，共120包，300#焊粉，共150包

一字型和十字型模具各15套。

焊点做好防腐处理。

2.4、接地体数量

根据拟建接地装置埋设地层的电阻率，采用下式计算新增主接地网水平接地体的接地电阻。

垂直接地体工频接地电阻Rg的数值可按下列通用公式计算：

Rg=ρ/2πL×（Ln4L/d-0.3L）……………公式1

式中：

ρ—埋置地层的电阻率（500Ω•m）

L—垂直接地体深度（2m）；

d—接地体直径（0.02m）；

通过公式计算，可知一根铜包钢接地棒的接地电阻为：

Rg=214Ω

并联后的总接地电阻计算公式：

R3=Rj/（n×η）……………公式2

由于独立避雷针的接地电阻小于10Ω：

所以需要铜包钢接地棒的数量通过R3的计算公式可知：

n=27根，每根间距为5米，需要的镀铜扁钢为135米。

地网施工示意图见附图3。

通过两个地网并联后的接地电阻计算公式可知新增人工地网的接地电阻为：

R总=1/（1/R1+1/R2）/η……………公式3

R总：

4ΩR2接地电阻：

5.5Ω

η：

利用系数取0.80

计算结果：

R1=7.6Ω

也就是说新建的人工地网的接地电阻要低于7.6Ω，由公式2可知新建人工地网需要的材料为：

7.6=214/（n*0.65）

n=44

通过计算可知整个人工地网的铜包钢接地棒至少需要44根，本方案考虑一定的冗余量，人工地网的接地棒数量设计为55根，对应的镀铜扁钢需要275米。

由于人工地网距离大楼的距离大概为100米，因此，采用两根镀铜扁钢连接，就需要200米的镀铜扁钢,共计需要475米。

电站内铁塔的接地距离大概为25米，加铁塔四角的连接，共需要60米。

电站末端的避雷针的接地距离人工地网的连接点大概为50米，镀铜扁钢暂定为50米

通过上述的计算可知，整个工程需要的接地材料为：

铜包钢接地棒BSJD-G4:

102根

镀铜扁钢40X4：

770米

200#焊粉120包

300#焊粉150包

模具30套

模具夹30套

工具箱10套

六、材料清单及预算表：

时间：

2021.02.12

创作人：

欧阳化