金溝河引水樞紐除險加固工程自動化監(jiān)控系統(tǒng)防雷問題探討

劉金偉

(金溝河流域管理局水利管理中心，新疆 沙灣 832100)

1 問題的提出

金溝河引水樞紐除險加固工程處在金溝河流域中游河段的出山口位置，工程在運行過程中，進水閘和泄洪沖砂閘混凝土嚴重老化，閘門整體變形，止水偏離埋件，漏水及閘前后淤積嚴重，河床逐年抬高。工程長期帶病運行，安全隱患較大，嚴重威脅金溝河流域下游灌區(qū)灌溉安全。為加強流域水情、雨情、工情等信息的收集與應用，并為流域防汛調度、防洪搶險提供科學依據，于2021年年初建成其自動化監(jiān)控系統(tǒng)，并成為樞紐除險加固工程的重要組成部分。該系統(tǒng)通過各種自動化監(jiān)測基礎設施、設備的新建，以通信技術、信息技術、電子技術等手段和統(tǒng)一規(guī)范的技術標準，構建起一套系統(tǒng)完善的水情、工情、圖像等水資源基礎信息收集體系，促進了金溝河引水樞紐除險加固工程水資源管理信息化水平的提升。

本工程自動化監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)字遙測終端機，包括數(shù)據采集、信息傳送、過程控制的監(jiān)控網絡等部分設備安裝在野外，并大量使用高集成度的CMOS電路，對瞬間電壓的承受能力不高，遭受雷擊損壞的可能性大，所以加強防雷保護是本工程自動化監(jiān)控系統(tǒng)安全運行的保證。

2 瞬間過電壓的危害

在μs至ms之間產生的尖峰沖擊電壓即為瞬間過電壓，其產生往往有兩種途徑：雷擊和電氣開關[1]。一般的水工構筑物避雷網能避免其自身遭受直擊雷的損害，雷電則主要通過直擊電源輸入線而損害設備，或是以電感性、電阻性及電容性等感應方式耦合至電源和信號線，最終導致設備損壞。當電流流經導體時會產生磁場，所存儲的能量和導向長度、電流大小成正比，如遇電氣設備開關行動便會產生瞬間過電壓。

瞬間過電壓會干擾數(shù)據存儲、傳輸及設備訊號，甚至導致數(shù)據信息丟失，電子設備誤動作，系統(tǒng)癱瘓，甚至燒毀元器件和電子設備。當前金溝河引水樞紐除險加固工程自動化監(jiān)控系統(tǒng)主要通過侵入電源線、通訊線、天饋線、信號線等導致電源模板、通訊模板、I/O模板等損壞，同時由于從信號采集線、接地網等引入有害電信號和接地電流而導致自動化監(jiān)控系統(tǒng)損壞。

3 防雷措施

結合以上對瞬間過電壓產生過程、危害路徑以及自動化監(jiān)控系統(tǒng)大多采用高集成度電路及設備安裝點多面廣等特征的概述，認為，金溝河引水樞紐除險加固工程自動化監(jiān)控系統(tǒng)必須從配電系統(tǒng)防雷、自控系統(tǒng)防雷、構筑物防雷、接地處理等方面采取綜合、系統(tǒng)的防雷措施，以避免雷電引起的損害。

3.1 配電系統(tǒng)防雷

若輸電線附近存在雷閃放電或雷擊輸電線時，輸電線上所形成的雷電沖擊波能量會集中與工頻幾百赫茲的低端，并很可能與工頻回路發(fā)生耦合。與雷電沖擊波從天饋和信號線路進入自動化監(jiān)控設備電源模塊相比，雷電沖擊波從配電線路進入電源模塊以及感應到相同電纜溝內自控網絡線上所進入的通訊模塊的幾率更高，所以該除險加固工程自動化監(jiān)控系統(tǒng)防雷的重點之一應為配電線路防雷。

金溝河引水樞紐除險加固工程配電系統(tǒng)中避雷裝置均安裝在高低壓進線處，但自動化監(jiān)控設備電源機盤仍免不了雷擊破壞，主要原因在于處理措施主要以電氣設備為保護對象，而自動化控制設備不具備較高的耐過壓性能，已經安裝好的避雷裝置所需啟動電壓高，且分散電容大，與自動化控制設備負載之間形成分流關系。所以，自動化監(jiān)控設備殘壓比避雷裝置的啟動電壓通常高出2.0-2.5倍的峰值[2]，導致自動化監(jiān)控設備損壞的可能性大。而且，大型設備啟動停止操作所產生的過電壓也是影響自動化監(jiān)控系統(tǒng)的主要方面。通過單一器件或單極保護方式通常無法滿足自動化監(jiān)控設備對電源防雷的要求，必須根據實際情況實施多級電源防雷保護。保留原高壓避雷器后的金溝河引水樞紐除險加固工程自動化監(jiān)控系統(tǒng)三級防雷保護方案詳見圖1。

圖1 金溝河引水樞紐除險加固工程自動化監(jiān)控系統(tǒng)三級防雷保護方案

由設計可知，第一級防雷保護位于變壓器二次側，主要發(fā)揮外線過電壓泄放的作用，啟動電壓在950-1800V，且雷電通量大；第二級防雷保護設置于各控制站PLC專用隔離變壓器前，發(fā)揮第一級殘壓釋放、配電線路過電壓釋放等作用，啟動電壓在480-1800V，雷電通量居中，隔離變壓器有效安裝后能夠抑制電磁干擾和雷電波。第三級防雷保護設置在PLC專用電源模板之前，起到殘壓泄放、箝位輸出的作用。

3.2 自控系統(tǒng)防雷

自控防雷系統(tǒng)通常通過DH+、MB+等特制屏蔽雙絞線穿管直埋鋪設，對相應位置雷電的感應電壓通常在1-2kV，因其直接進入正常電壓通常為5V、12V、24V和48V的計算機通訊口或PLC等薄弱環(huán)節(jié)，所以會產生較大損害。計算機通訊頻率及數(shù)據交換頻率通常從直流到數(shù)十兆赫茲轉變，故而在避雷器件選擇時不得選用分布電容大、高頻損耗大的氧化物避雷器，根據圖2所示的避雷器作用原理，其箝位二極管額定電壓24V，殘壓僅為24-30V。通常應采用通訊電平頻率或速率確定其避雷器類型，對于高頻訊號還應進行特殊設計以保證其阻抗與系統(tǒng)自身的對應性，避免發(fā)生信號反射，同時將避雷器安裝在靠近通訊接口的位置以降低反射損耗。

圖2 避雷器作用原理

金溝河引水樞紐除險加固工程自動化監(jiān)控系統(tǒng)的超短波通信設備天饋線均為同軸電纜，應選用同軸電纜避雷器，并保證其雷電波能量向工頻及百赫茲低端集中，增大其與有用通訊信號頻段的距離，并通過高通濾波器將上述兩種信號有效分開。在設計過程中，應盡量從總配電柜開始單獨布列自動化監(jiān)控系統(tǒng)電源，并將各級避雷器靠近受保護設備設置，避免雷電侵入波出現(xiàn)全輻射現(xiàn)象，根據系統(tǒng)確定各級啟動電壓，并保證其末級為箝位輸出形式。當前不同系列的電子避雷器性能均較好，部分避雷器還增設了雷擊計數(shù)器、放電管、漏電流檢測等電路，具體見圖3，金溝河引水樞紐除險加固工程自動化監(jiān)控系統(tǒng)采用電子避雷器后通常不會發(fā)生過電壓損壞。

圖3 電子避雷器作用原理

3.3 構筑物防雷

金溝河引水樞紐除險加固工程高重值計算機設備、通訊設備、天饋線、電臺等設備均集中在中心站，主要發(fā)揮自動化系統(tǒng)監(jiān)控、調度中心的作用，鐵、鋁等金屬材料較多，所以防雷要求更高，通過防雷設計以形成均壓等電位屏蔽?？紤]到金溝河引水樞紐除險加固工程構筑物高度低，且地勢空曠，天線塔較高，臨近水源，雷擊形式復雜，所以上述中心站構筑物均應在安裝避雷針的同時安裝避雷網、避雷帶，并將構筑物接地電阻控制在10Ω以內[3]。

根據雷電侵害原理，雷電危害主要通過感應進入自動化監(jiān)控系統(tǒng)，為此，必須增設避雷針、避雷網、避雷帶的引下線，盡可能較多地分流雷電電流，使各條引下線上的泄放電流量減小，并使室內的自動化監(jiān)控設備遠離避雷網導地金屬體。

3.4 接地處理

自動化監(jiān)控系統(tǒng)防雷最終都是要實現(xiàn)雷電能量的泄放，所以接地就顯得尤為重要。常見的構筑物接地、強電設備接地、配電系統(tǒng)接地、計算機控制系統(tǒng)接地等配置如果缺乏合理性，則會發(fā)生雷擊通過接地網反擊自動化控制系統(tǒng)的現(xiàn)象。金溝河引水樞紐除險加固工程因修建較早，其構筑物在建設時很少考慮計算機等弱電設備避雷的問題，且其設備地和接閃地分開設置，在自動化監(jiān)控系統(tǒng)建設時新增的PLC系統(tǒng)、計算機系統(tǒng)若與構筑物接地、強電設備接地等聯(lián)合接地處理，則要求接地電阻應不超過0.5Ω，既會增大工程造價，又對地質條件有較高要求。為此，金溝河引水樞紐除險加固工程自動化監(jiān)控系統(tǒng)防雷接地應分開設置，為避免地網之間發(fā)生閃絡，還應將涉及自控系統(tǒng)接地時的地網距離控制在10m以上。

4 結 論

通過文章對金溝河引水樞紐除險加固工程自動化監(jiān)控系統(tǒng)防雷問題的分析表明，因水利工程自動化監(jiān)控系統(tǒng)的PLC系統(tǒng)和計算機系統(tǒng)應用到大量CMOS集成電路以及CPU分散控制單元，所以承受瞬間過電壓的能力不強，而且水利工程自動化監(jiān)控系統(tǒng)中的各種線路均處于復雜且有水的運行環(huán)境中，采用單一的防雷器件很難達到避雷防雷的目的，必須實施綜合防雷措施。經過分析，金溝河引水樞紐除險加固工程自動化監(jiān)控防雷系統(tǒng)應主要包括配電系統(tǒng)防雷、自控系統(tǒng)防雷、構筑物防雷、接地處理等方面。