幾起雷擊過電壓對水電廠二次設備的危害淺析及對策

劉朝貴

摘 要：通過對水電廠電氣控制設備遭受雷擊過電壓導致損壞，以及啟動機組緊急事故回路的原因過程分析，提出防范措施及改進建議，對類似條件及現象的其他企業具有借鑒意義。

關鍵詞：雷擊過電壓；二次設備；水電站水機保護；繼電器

中圖分類號：TM622 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）02-0077-02

Abstract： Based on the analysis of the cause process of the damage caused by the lightning overvoltage of the electrical control equipment in hydropower plant and the starting of the emergency circuit of the unit， the preventive measures and suggestions for improvement are put forward. It has reference significance for other enterprises with similar conditions and phenomena.

Keywords： lightning overvoltage； secondary equipment； hydropower plant protection； electric relay

1 概述

湖北黃龍灘水力發電廠位于漢江支流堵河，電廠主要設有2×85MW和2×170MW混流式水輪發電機組，總裝機容量達到510MW。在湖北電網承擔調峰、調頻等重要任務。大壩上游分別設有1～4號機組引水建筑物及板式進水閘門。壩頂有10kV電源系統及0.4kV配電系統。由于地理原因，大壩所屬區域夏季雷雨活動頻繁且雷云較低，各種建筑物及發供電設備承受著各種風險和考驗。

2 事件過程及分析

2.1壩頂變電所現地監控屏控制電源模塊遭受雷擊過電壓損壞造成監控系統不能正常工作

壩頂變電所現地監控系統由國電南瑞水利水電有限公司生產，于2011年改造完畢投入使用。由于夏天雷雨季節雷電活動頻繁，曾于2012年7月發生壩頂10kV現地LCU PLC模件開關電源遭受雷擊損壞，現場檢查開關電源主電路板電源輸入側壓敏電阻爆裂，電源回路元件被燒毀，電路板有明顯放電燒傷痕跡。

事件分析及處理：壩頂10kV電源系統及0.4kV配電系統安裝有防雷裝置，但現地監控盤柜未裝設二次防雷裝置。發生此次事件后，對壩頂區域二次設備交、直流電源進線回路均加裝相應防雷裝置，并與接地網可靠相連接。

2.2 3號機組進水閘門因雷擊引起水機保護誤動作，造成3號機進水口閘門全關

液壓啟閉機現地控制系統由國電南瑞水利水電有限公司生產。并于2015年改造完畢，系統采用PLC為控制核心兼顧常規回路為輔助控制，具備“遠/近”控自動操作閘門及現地手動操作閘門、閘門下滑自動提門至全開，水機事故緊急落門保護等功能。控制系統改造后于2016年5月因發生雷擊造成3號機水機保護誤動作關閉進水口閘門。

（1）事件發生過程

事件發生前設備運行情況：3號機組“發電”態，帶負荷170MW，工作閘門全開；4號機組停機檢修，工作閘門全落。天氣情況：雷雨天氣。事件發生過程：2016年5月5日17時58分運行人員聽見雷聲不久3號機組運行聲音異常，隨后機組有功出力逐漸下降為零，導葉開度自動開至全開，蝸殼水壓明顯下降。在監控上位機簡報信息報“新廠壩頂3#閘門遠方事故落閘門動作”事故信號，但沒有發現任何關于機組的事故啟動源信息。運行值班人員確認進水口工作閘門緊急關閉后立即聯系調度將機組與系統解列并停機。

（2）現場初步調查分析

在壩頂油泵房監控LCU人機界面查看歷史記錄，報文有壩頂“3#閘門遠方事故落閘門動作”、“3#閘門下滑250mm動作”、“3#閘門下滑300mm動作”、“3#閘門全開位置復歸”及“4#閘門正常關門操作信號動作”等簡報信息。由人機交互信息可看出：“ 3號閘門遠方事故落門動作信號”、 “4#閘門正常關門操作信號”同時出現，說明雷擊過電壓對3、4號啟閉機控制系統同時產生影響，4號機組當時因為在檢修，閘門已在全關位置。

2.3 綜合原因分析：如圖1所示

（1）3號機緊急落閘門時， 3號機組還處于發電狀態，有功PID投入，上位機沒有任何事故信號，當閘門下滑過程中，調速器只有增加導葉開度來增加負荷，直至導葉開度開至最大，但由于鋼管水壓下降導致機組有功負荷逐漸降到零。

（2）上位機及壩頂LCU觸摸屏均同時報送信息：“新廠壩頂3#閘門遠方事故落閘門動作”，因24VDC落門電磁閥有遠方落門反饋信號上送至上位機，220VDC落門電磁閥無落門反饋信號上送至上位機，所以初步確認雷擊使24VDC落門電磁閥動作引起落門事故。

（3）根據運行人員反映，當時聽見雷聲后不久機組聲音發生變化，即可判斷雷電發生后出現緊急關閉閘門，機組出力減少，開度變大，震動變大，而3號機組現地監控LCU及上位機簡報信息及事故光字沒有任何關于機組的事故啟動源信號，也沒有啟動機組事故停機流程，排除機組PLC開出落閘門的可能。

2.4 雷擊過電壓引起落門回路動作分析如圖2

如圖2所示，C0為落門中間繼電器動合觸點（回路自保持觸點）間隙電容，C1、C2分別為壩下廠房至壩頂監控LCU現地控制單元屏控制電纜對地耦合電容，當雷擊電壓感應在落門回路電源24VDC正極，分析如下：

（1）由圖可知正常時C1的對地電容電壓為雷擊電壓U，endprint

如果C1兩端的對地電壓為零，則說明壩下廠房至壩頂監控LCU現地控制單元屏控制電纜正極絕緣破壞，結果使電源正極接地，電源故障，但不會引起保護回路動作。

（2）落門按鈕兩端電壓為：U落=C2/（C落+C2）*U（公式1），機組LCU落門按鈕布置在壩下廠房，距離雷電中心較遠，按鈕動合觸點間隙較大（大于5mm），空氣間隙被擊穿導通的可能性較小。

（3）C0兩端的電壓為：U0=C2/（C0+C2）*U≈U（C2>>C0）（公式2），由公式可知，雷擊電壓大部分加在C0兩端，又因落門中間繼電器KA1為微型繼電器，動合觸點間隙極小（C2>>C0），當雷擊電壓大于空氣間隙擊穿電壓時，短路電弧將落門回路導通。

（4）當雷擊電壓感應在落門回路電源24VDC負極，C2的對地電容電壓為雷擊電壓U，如果C2兩端的對地電壓為零，則說明控制電纜負極對地絕緣破壞，結果使電源負極經落門繼電器線圈接地，落門繼電器動作。

（5）故障源排除：現場測試各電纜對地絕緣電阻合格，排除電纜絕緣原因引起的故障。

由以上結果可知，引起保護誤動主要原因為：雷擊全電壓U加在24VD電源正極，微型繼電器動合觸點間隙極小。

2.5 采取的防范措施及改進意見

為了防止事件再次發生，已采取如下措施：

（1）檢查各接線端子應緊固，控制電纜屏蔽接地應可靠。

（2）檢查完善機組緊急事故流程及壩頂落閘門回路。

（3）將落門中間繼電器取兩對動合觸點串聯后與遠方落門按鈕并聯作為回路自保持使用，以提高雷擊過電壓時空氣間隙距離。

（4）改進落閘門回路中供電方式，將直流24V改為直流220V，增強抗干擾能力。

2.6 進一步改進及實施對策

（1）聯系廠家，提高電氣設備及元器件抗干擾能力；

（2）對落門電磁閥重新選型，采用更可靠的帶位置自保持的電磁閥作為落門電磁閥控制，這樣對落門控制就不需要自保持信號，只要控制脈沖時間大于落門電磁閥可靠動作時間即可。既取消落門自保持回路，又盡可能避免了雷電過電壓對回路的危害。

（3）定期檢測二次設備對接地網的接地電阻以及接地網本體的接地電阻是否滿足接地要求；定期檢測控制電纜對地絕緣，發現異常即使更換。

（4）定期檢查防雷裝置功能是否滿足要求。

3 改進后效果

通過在控制系統電源輸入側加裝二次防雷裝置，選擇具備自鎖功能的落門電磁閥，取消落門繼電器自保持回路，有效提高了抗雷擊干擾性能。

參考文獻：

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