南水北调中线一期工程邯邢段建筑物防雷与接地

摘要：结合南水北调工程情况，介绍了水工建筑物及电气设备的防雷设计原则是针对雷击原因采用了3级保护，即直接接闪将雷电引入地下泄散、防止雷电波侵入和限制设备上浪涌过电压幅值。防护措施主要采取了分流、均压、屏蔽、接地、箝位保护等5项措施。防雷设计中尽量采用自然接地体、辅以人工接地体，以节省投资。对渡槽、启闭机室、降压站等都设置了两层或三层接地网形成屏蔽笼，把建筑物或设备保护起来，并做好接地，确保雷电泄放畅通。

关键词：南水北调；建筑物；防雷；措施

中图分类号：TV68；TU856 文献标识码：B 文章编号：

1672-1683（2011）01-0148-03

Lightning Protection and Grounding of Building in the First Phase in Handan-Xingtai Section of the Middle Route of South-to-North Water Diversion Project

ZHAO Yue-hua,SONG Jing-ping

(The Second Institute for Design and Research of Water Conservancy and Hydropower of Hebei Province,Shijiazhuang 050021,China)

Abstract: Based on the condition of the South-to-North Water Diversion Project，this paper introduces the lightning protection principles of hydrostructure and electrical equipments according to the reasons of lightning from three aspects,namely using air-termination and earth-termination system to discharge lightning current,protecting against lightning surging on incoming services and limiting over-voltage on equipments.There are five primary protection measures:distributaries,voltage sharing,shield,grounding and clamp protection.In the design of lightning protection,natural earth electrode is adopted with priority supplemented by artificial earth electrode in order to reduce the cost.Double or treble-deck grounding grid is designed for flumes,hoist chambers,transformer substations and other buildings so as to protect the equipments and discharge lightning current through grounding.

Key words: the South-to-North Water Diversion Project;building;lightning protection;measures

我国每年因雷击破坏建筑物及电气设备，造成人身伤亡的事件时有发生，给人们的生命和财产造成了巨大损失。南水北调中线一期工程处于旷野地带，水工建筑物钢筋含量高，渡槽突起且横跨河流，启闭机室高耸，局部气候潮湿，土壤电阻率较周围低，容易遭受雷击侵害。因此，做好防雷接地设计、保护人身安全、使建筑物和设备免遭雷击损害显得尤为重要。笔者参与了南水北调中线一期工程邯郸、邢台段建筑物防雷与接地的设计，本文结合该段工程情况，介绍水工建筑物及电气设备防雷接地设计中采取的措施与方法。

1 南水北调中线一期工程邯邢段概况

南水北调中线一期工程河北省邯邢渠段南起自河北省与河南省交界处的漳河北岸，沿京广铁路西侧的太行山东麓，经过河北省邯郸、邢台2市及所属8个县（市），北至邢台石家庄交界的梁村为止，总长度172.751 km，该渠段设计流量235～220 m³/s，加大流量265～240 m³/s，工程总投资1 724 212万元。工程总工期3年［1］。

本渠段设有用电闸门的建筑物共25座，其中渠道梁式渡槽5座，渠道倒虹吸6座，分水闸13座，单独设置的排冰闸1座。

5座渠道梁式渡槽分别是滏阳河渡槽、牤牛河南支渡槽、洺河渡槽、泜河渡槽和午河渡槽。渡槽进口节制闸(或检修闸)、跨河渡槽、出口检修闸、退水闸及排冰闸等建筑物均需要防雷保护。

6座渠道倒虹吸分别为沁河倒虹吸、南沙河倒虹吸、七里河倒虹吸、白马河倒虹吸、小马河倒虹吸和李阳河倒虹吸。倒虹吸进口检修闸、出口节制闸(检修闸)、退水闸和排冰闸等建筑物均需要防雷保护。

13座分水闸和单独设置的1座排冰闸均需要防雷保护。各闸均设有启闭机室，启闭机室均需要防雷保护。

总干渠供电系统采用在总干渠沿线设置若干座35 kW中心开关站和中心开关站间互为备用，并沿总干渠架设35 kW专用输电线路，在负荷点设置降压变电站向负荷供电。25座需要设置永久供电设施的建筑物，共设置30座35/0.4 kW降压变电站，其中2座和中心开关站结合。35 kW专用输电线路长度约186.3 km(含电源引接线路)，以架空为主，局部采用电缆的方式沿总干渠架(敷)设。降压站、中心开关站和35 kW输电线路均需要防雷保护。

2 水工建筑物及电气设备防雷设计原则

水工建筑物及电气设备遭受雷击的原因主要有直击雷、感应雷和雷电侵入波。防雷设计原则就是针对雷击原因采用以下3级保护：①将绝大部分雷电流直接接闪引入地下泄散（外部防雷保护）；②阻塞沿电源线或数据、信号线引入的过电压（雷电侵入波保护）；③限制被保护设备上浪涌过电压幅值（过电压保护）。这3道防线相互配合，各行其责，缺一不可。

外部防雷保护主要由接闪器（避雷针、避雷带、避雷网等）、引下线和接地装置构成，主要是为了保护建筑物免遭雷击引起火灾及人身安全事故。

雷电侵入波保护主要是在电源线或数据、信号线引入建筑物时配置避雷器(浪涌保护器)或信号防雷器，并设置等电位连接，通过将保护区内的金属管道、电缆等相连接或通过电压保护器连接，实现等电位连接。目的是防止雷电或其他形式的过电压侵入设备造成损坏。

3 水工建筑物及电气设备防雷接地的主要措施 南水北调中线一期工程邯邢段建筑物主要包括渡槽、倒虹吸、闸门启闭机室、降压站及输电线路、管理房等，建筑物内设备主要有电气设备、监控、通信和安全监测设备等。根据雷电特性和工程情况，主要采取了以下防雷接地措施。

①分流（泄流）。在建筑物顶部设置避雷带，通过数根接地引下线，或经过闸门门槽埋件等金属构件，将雷电流分流流散入地，以降低电位，避免引起对设备的反击。

②均压。由于雷电流的峰值非常大，其流过之处都会产生很高的对地电位，对于周围还处于大地电位的电气设备会产生旁侧闪络放电。采用等电位连接后，在有雷击的情况下，不论金属物体的电位有多高，在一定区域内基本处于同一电位，使反击过电压、跨步电压、接触电压消除或大大降低，有效地保护人身和设备安全。该段工程降压变电站、启闭机室和其它房屋建筑都敷设了以水平接地体为主且边缘闭合的复合接地网和均压网［2］。

③屏蔽。利用水工建筑物的金属支撑物、轻钢棚架钢柱、钢骨架、钢管、建筑物梁、柱内非预应力结构钢筋等构件焊接连通，构成一个格栅形大空间屏蔽，形成屏蔽笼，把需要保护的对象包围起来，阻挡、衰减施加在设备上的过电压［3］。

④接地。将所有变配电设备及液压油箱金属外壳、电缆金属外皮、穿线钢管、电缆支架、进出建筑物的金属管路等，以最短的路径与屏蔽笼及接地干线连接。工作、保护、监控、通信和防雷共用接地装置。

⑤箝位保护。在电源线或数据、信号线等过电压可能侵入的端口，装设浪涌过电压保护器，将侵入系统的侵入过电压箝制到设备允许的水平。

另外，在工程设计中，尽量采用自然接地体，辅以人工接地体，以节省投资。

4 防雷保护设计

4.1 渡槽

本渠段渡槽的结构形式分别为上部结构采用三槽一联矩形布置，下部结构由墩帽、墩身、承台(或底板)、桩基组成。墩帽、承台均为实体结构，墩身选择实体重力墩或空心重力墩。洺河渡槽槽身采用预应力钢筋混凝土结构，其余均为普通钢筋混凝土结构。根据渡槽的结构形式，其防雷接地网分为两层，第1层利用渡槽顶部翼缘板、拉杆内非预应力结构钢筋；第2层利用渡槽底板内非预应力结构钢筋。渡槽顶部纵向利用每隔10 m拉杆内的钢筋与翼缘板内接地结构主钢筋焊接连通，并与翼缘板上的栏杆焊接连通，栏杆作接闪器，起避雷带作用。通过渡槽竖墙内钢筋将翼缘板与渡槽底板接地钢筋焊接连通，形成网格，并在每个槽墩处利用非预应力结构钢筋和跨接扁钢将槽身、墩帽、槽墩、承台及灌注桩内接地钢筋上下焊接连通，使雷电流可靠地快速下泄。

4.2 启闭机室

各闸均设有启闭机室。启闭机室的防雷接地设为3层：①启闭机室屋顶女儿墙避雷带及轻钢棚架钢骨架网；②启闭机室接地装置；③闸底板接地装置。利用闸墩、侧墙、柱子内4个角的各4根主钢筋将3层防雷接地设施可靠焊接连通。启闭机室设备基础及金属外壳、电缆金属外皮、穿线钢管、吊轨、爬梯、钢盖板及埋件、栏杆、电缆支架、金属管道、启闭机支铰、弧门支铰、闸门槽埋件、弧门侧埋件等所有金属结构均与接地装置可靠连接。

在启闭机室地面层围绕建筑物四周设置闭合环形水平接地体均压网，室内设均压网格，并与基础钢筋可靠焊接连通，主要是消除跨步电压和反击过电压，以保证人身和设备安全。均压网边缘位于外墙外侧2 m，埋深1.1 m。

5 降压站及输电线路

降压站的防雷接地设为两层，即屋顶层和地面层。屋顶层设置避雷带，地面层围绕降压站四周设闭合环形接地网，室内设均压网格，并与基础钢筋可靠焊接连通。两层防雷接地网通过立柱内的钢筋焊接连通，形成一个屏蔽笼，把室内的电气设备保护起来。室内设备基础及外壳、电缆金属外皮、电缆支架、桥架等所有金属件均与接地装置相连［4］。

在降压站两侧各2 km进出线段的35 kW架空线路上架设避雷线。35 kW电缆与架空线连接处、变压器低压侧均装设氧化锌避雷器，35 kW母线装设三相组合式过电压保护器，0.4 kW母线及电子信息设备附近设置电涌保护器，起到箝位保护作用。浪涌保护器在正常情况下处于极高的电阻状态，漏流几乎为零；在电源系统遭受雷击出现浪涌过电压时，保护器在纳秒级的时间内导通，将大量的脉冲能量泄入大地，将过电压的幅值箝制在设备的安全工作范围内。

管理房一般与降压站建为一体，其防雷与降压站房屋的防雷措施相同，这里不再赘述。

利用倒虹吸管作为自然接地体，将倒虹吸管内的钢筋与启闭机室、降压站、管理房等建筑物的接地网联通，这样可以有效地降低接地电阻，保证雷电泄流畅通。

6 结语

水工建筑物的防雷是一项系统工程。要做好水工建筑物的防雷工作，必须建立合理的防雷接地设施，拦截雷电，分流入地，确保雷电泄放通道畅通。同时采取屏蔽和均压等措施，这样就可以避免遭受雷击的危害。

参考文献:

［1］ 河北省水利水电第二勘测设计研究院.南水北调中线一期工程总干渠邯邢渠段初步设计总报告［R］.石家庄：河北省水利水电第二勘测设计研究院，2009.（The Second Design and Research Institute of Water Conservancy and Hydropower of Hebei Province.The Report on the Preliminary Design of Handan-Xingtai of South-to-North Water Diversion Center Line First Phase Project ［R］.Shijiazhuang:The Second Design and Research Institute of Water Conservancy and Hydropower of Hebei Province,2009.（in Chinese））

［2］ 《水电站机电设计手册》编写组.水电站机电设计手册（电气一次）［M］.北京：水利电力出版社，1982.(《Electromechanical Design Manual of Hydropower Station》Editing Group.Electromechanical Design Manual of Hydropower Station(Primary Circuit)［M］.Beijing:Water and Power Press,1982.（in Chinese））

［3］ 中国航空工业规划设计研究院.工业与民用配电设计手册［M］.第三版，北京：中国电力出版社，2005.(China Aeronautical Project and Design Institute.Power Distribution Manual for Industrial and Civil Use［M］.3rd Edition,Beijing:China Electric Power Press,2005.（in Chinese））

［4］ DL/T 620-1997，交流电气装置的过电压保护和绝缘配合［S］.(DL/T 620-1997,Over-voltage Protection and Insulation Coordination of AC Installation［S］.（in Chinese））

注：“本文中所涉及到的图表、公式、注解等请以PDF格式阅读”