特長水工隧洞自動化系統(tǒng)集成防雷保護探析

李飛

（遼寧潤中供水有限責任公司，遼寧 沈陽 110179）

1 自動化系統(tǒng)防雷飽和改造

1.1 系統(tǒng)建設(shè)情況

大伙房輸水工程自動信息集成系統(tǒng)，2007年與隧洞施工同步進行，2009年9月完工。按設(shè)計防雷措施如下：

1）DAU 2000系列設(shè)備及系統(tǒng)的防雷。雷電活動時或強電系統(tǒng)的故障和操作，常會在電源線路上感應(yīng)高壓脈沖，形成浪涌，危及設(shè)備的電源供給安全。DAU 2000系列設(shè)備及系統(tǒng)的供電線路做了全面防雷和防浪涌保護，通過了GB/T17626.3-1998射頻電磁場輻射抗擾度實驗3級及GB/T17626.5-1998浪涌（沖擊）抗擾度實驗3級檢驗。

2）光端機模塊及數(shù)據(jù)采集模塊的防雷。光端機模塊及數(shù)據(jù)采集模塊采用抗雷擊設(shè)計，自帶備用電源，模塊的電源線、通信線、傳感器引線的入口均采取了抗雷擊的措施。在電源引入測控裝置處設(shè)置電源防雷器，在傳感器接入測控裝置處采用繼電器電路，在不測量時切斷干擾入口，以減少雷電感應(yīng)對信號的干擾。

3）支洞設(shè)備房的防雷。支洞設(shè)備房接入電源處安裝電源防雷模塊，防雷接地通過接地扁鐵引入支洞外箱變接地網(wǎng)，接地電阻小于5 Ω，通過電源防雷模塊及接地網(wǎng)，有效的減少了從箱變引入電源線上的雷電感應(yīng)。

4）線路防雷。系統(tǒng)長距離信號傳輸采用光纜，同時對所有暴露在外的電源電纜、信號電纜均采用鋼管保護，鋼管之間以及鋼管與接地網(wǎng)之間采用焊接的方式連接，鋼管盡量挖溝敷設(shè)，能有效減少雷電感應(yīng)。

1.2 雷電破壞情況

大伙房輸水工程隧洞內(nèi)全長85.32 km，所處地段多為山區(qū)，在每年5—8月份為雷雨多發(fā)季節(jié)，安全監(jiān)測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)備自從安裝至改造前，多次受到雷擊，設(shè)備損壞嚴重。主要表現(xiàn)為安全監(jiān)測斷面處保險絲熔斷、安全監(jiān)測數(shù)據(jù)采集模塊被擊壞、斷面總線箱內(nèi)光端機被擊壞等。

1.3 情況分析

1.3.1 雷擊損壞的主要渠道

防雷的關(guān)鍵概念是給雷電感應(yīng)電流提供一個通向大地的短捷有效的通路。這樣雷電涌流將從設(shè)備外分流。雷擊損壞設(shè)備的三個渠道是：

1）是通過閃電帶來的電磁脈沖對設(shè)備產(chǎn)生干擾（擾動）。

2）另一種是通過大地感應(yīng)、傳導(dǎo)而對設(shè)備產(chǎn)生地電位反擊。

3）室外線路遭受雷擊，這種情況只占總雷擊機會的0.5%，如此大的雷擊電流極少出現(xiàn)在建筑物電源進線處，但仍須重視對這種外來電涌的防范。

1.3.2 系統(tǒng)雷擊損壞的主要特征

經(jīng)過其他工程防雷措施經(jīng)驗及該工程雷擊損壞情況總結(jié)，該系統(tǒng)雷擊損壞的現(xiàn)象主要有如下特征：

1）安全監(jiān)測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，每個斷面處采用光纜連接，當雷擊時處于從支洞引致斷面的最末端斷面比最近端斷面損壞嚴重；從支洞設(shè)備房至斷面線路長的比線路短的損壞幾率更大。

2）7個支洞設(shè)備房內(nèi)光端機兩年內(nèi)沒有被雷擊擊壞過，而斷面總線箱內(nèi)光端機多次被擊壞。設(shè)備房內(nèi)UPS等電源設(shè)備曾多次被雷擊損壞。

3）部分更潮濕的斷面，總體損壞情況較其他斷面更嚴重；處于山體及河道底部隧洞內(nèi)附件斷面較其他斷面損壞情況更嚴重。

1.3.3 主要原因

1）隧洞內(nèi)斷面自身帶有一定防雷能力，但由于大伙房輸水工程隧洞結(jié)構(gòu)特點及地理位置的特殊性，21個斷面分布跨度太大，兩個斷面相鄰從最近1 km到最遠14 km里不等；斷面電源由相近支洞內(nèi)設(shè)備房供電，供電線路長，最長的線路達10 km。雷電襲擊對地放電時或超高壓電網(wǎng)短路接地時，以接地點為圓心，向四周大地泄放電流并在一定范圍內(nèi)產(chǎn)生瞬態(tài)電位梯度場。電源線跨度越長，產(chǎn)生的瞬間感應(yīng)電越大，即文中提到的地電位反擊。而各個設(shè)備房的放雷設(shè)備距各支洞測站距離太遠不能起到有效的防護。

2）安全監(jiān)測數(shù)據(jù)采集單元安裝在隧洞頂部，隧洞頂部已經(jīng)襯砌完畢，沒有布置有效的防雷接地系統(tǒng)，當雷擊發(fā)生時不能及時將雷電接地引走。

3）隧洞內(nèi)底部長期有30～50 cm深的流水，斷面周圍非常潮濕，致使安全監(jiān)測數(shù)據(jù)采集箱外、電源電纜線外濕度達到100%，當雷電發(fā)生時更容易產(chǎn)生感應(yīng)電。

2 防雷保護改造方案

2.1 防雷措施及原則

2.1.1 原 則

1）將絕大部分雷電流直接閃引入地下泄散（外部保護）。

2）阻塞沿電源線或數(shù)據(jù)、信號線引入的過電壓波（內(nèi)部保護及過電壓保護）。

3）限制被保護設(shè)備上浪涌過壓幅值（過電壓保護）。

2.1.2 要 求

1）所有野外外漏的線纜必須穿鋼管保護。

2）各種設(shè)備必須可靠接地。

3）各個設(shè)備房均有接地系統(tǒng)，設(shè)備都可靠接地，而支洞內(nèi)各個測站由于隧洞頂部已經(jīng)襯砌完畢，沒有布置有效的防雷接地系統(tǒng)，設(shè)備均未接地，這次防雷改造考慮在隧洞頂部開鑿20 cm×20 cm×20 cm的坑，找到隧洞混凝土內(nèi)的鋼筋網(wǎng)，將設(shè)備與鋼筋網(wǎng)通過扁鐵連接已達到接地效果。鋼筋網(wǎng)的接地電阻要求小于4歐姆。

2.1.3 設(shè)置三級防雷體系

1）測站電源接入點配置隔離變壓器，隔離變壓器必須可靠接地；電源接入點為系統(tǒng)專用電源，嚴禁接入電焊機等大功率施工電器。

2）監(jiān)測站接入端配備國標II級（德國標準C級）的電源防雷器，防雷器可靠接地。

3）采集單元內(nèi)部安裝符合GB/T17626.5－1998浪涌(沖擊)抗擾度實驗3級（峰值2000 V）浪涌（沖擊）和GB/T17626.3-1998射頻電磁場輻射抗擾度實驗3級（強度3 V/m）射頻電磁場輻射干擾的防雷模塊；設(shè)備的各測量通道本身要采取了機械繼電器開關(guān)（可承受短時間1000 V沖擊）等防護措施。

這3級防雷措施第3級已經(jīng)設(shè)置，該次防雷改造考慮設(shè)置第1級和第2級防雷體系。第2級在每個測站電源接入點安裝1臺不銹鋼DAU箱，內(nèi)部安裝1個300W隔離變壓器，同時安裝1套國標II級（德國標準C級）的電源防雷器，以上設(shè)備均和隧洞的鋼筋網(wǎng)相連。

2.2 實施方案

2.2.1 接地網(wǎng)完善

1）洞口設(shè)備房接地：利用隧洞支護鋼筋網(wǎng)作為接地極，連接點設(shè)在噴混凝土部位，不少于4個，設(shè)備箱不帶電金屬外殼、光纜金屬件等都要做好接地，不得虛焊；接地干線采用熱鍍鋅扁鋼，規(guī)格40 mm×5 mm，扁鋼與鋼筋焊接長度不小于100 mm，焊接點要做除銹、防腐處理，接地干線長度暫定40 m。共計8個支洞口。

2）各監(jiān)測斷面處襯砌鋼筋網(wǎng)連成統(tǒng)一接地體，暫定3節(jié)襯砌。每節(jié)襯砌間設(shè)3處連接點，連接扁鋼長2 m。連接槽規(guī)格20 cm×20 cm×20 cm，完成接地施工后，槽內(nèi)回填同標號的微膨脹混凝土。設(shè)備箱不帶電金屬外殼、光纜金屬件等都要做好接地，不得虛焊。共計21個監(jiān)測斷面。

2.2.2 完善防雷設(shè)備措施

1）洞口設(shè)備房。每個設(shè)備房增設(shè)1臺DAU2000機箱，內(nèi)設(shè)500W隔離變壓器、1套國標II級（德國標準C級）的電源防雷器，隔離變壓器、電源防雷器與設(shè)備房接地網(wǎng)相連。

2）監(jiān)測斷面。每個監(jiān)測斷面電源接入點增設(shè)1臺不銹鋼DAU箱，內(nèi)設(shè)1個300W隔離變壓器、1套國標II級（德國標準C級）的電源防雷器，隔離變壓器、電源防雷器與監(jiān)測斷面接地網(wǎng)相連。

3 改造后運行情況

大伙房輸水工程自動系統(tǒng)集成防雷改造在2012年9月按改造方案實施后，通過2年的運行，系統(tǒng)的到了有效的保護，2012年9月—2014年4月，各段面的采集模塊、保險絲、模塊沒有因雷擊發(fā)生損毀。設(shè)備房由于其他原因個別斷面UPS損壞。

4 結(jié) 語

長大深埋隧洞防雷保護是非常重要的，特別是雷電高發(fā)的山區(qū)更應(yīng)加強防雷保護。保護不當或會給安全監(jiān)測及網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)造成不必要的損害，甚至使系統(tǒng)癱瘓。因此，今后在進行長大深埋隧洞自動化安全監(jiān)測及相關(guān)系統(tǒng)設(shè)計和施工時應(yīng)注意一下幾點：

1）在雷電高發(fā)區(qū)應(yīng)保證電源的接地體安全可靠。

2）要保持設(shè)備及配電間的干燥。

3）在監(jiān)測模塊端口前適當采用防雷模塊、隔離變壓器等保護措施。

4）盡量采用不受雷電干擾的光纖等其他通訊設(shè)備。