大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)雷擊分析及防范

鄧振華 張明陽

【摘要】現(xiàn)電廠人員結(jié)構(gòu)變化，大壩安全監(jiān)測依賴自動化監(jiān)測程度越來越高。但是觀測自動化設(shè)備分布較廣，很大部分在野外，大壩附近往往是雷擊發(fā)生較頻繁區(qū)域，觀測自動設(shè)備也就成了雷擊重災(zāi)區(qū)。本文通過對東江大壩安全監(jiān)測設(shè)備雷擊發(fā)生情況分析，介紹東江大壩觀測自動化針對性防范措施及效果。

【關(guān)鍵詞】觀測自動化；雷擊；防范

大壩安全監(jiān)測越來重視，監(jiān)測項目增加，但大壩安全監(jiān)測人員老齡化，人員減少，新廠人員配置少，人員結(jié)構(gòu)變化，大壩安全監(jiān)測依賴自動化程度越來越高，大壩觀測自動系統(tǒng)分布廣，環(huán)境復(fù)雜，很大部分在野外露天，水庫大面積水體，壩體及附屬金屬設(shè)施等都是容易引發(fā)雷擊的因素，大壩安全觀測自動化設(shè)備受雷擊威脅嚴(yán)重。

盡管雷擊成因非常復(fù)雜，但認(rèn)識雷擊發(fā)生區(qū)域及原因，采取正確的防范手段，確保大壩自動化觀測設(shè)備正常運(yùn)行，取得大壩汛期的工作狀況，保證大壩安全。

1.東江大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)概述

東江大壩監(jiān)測自動化系統(tǒng)監(jiān)測項目主要包括：大東江壩體、壩區(qū)垂線監(jiān)測（28測點），大東江繞壩滲流監(jiān)測（13測點），大東江壩體滲壓監(jiān)測（19測點），大東江斷層監(jiān)測（4測點），大東江內(nèi)觀監(jiān)測（209測點），小東江壩體引張線及兩岸垂線監(jiān)測（11測點），小東江揚(yáng)壓力監(jiān)測（12測點），滑坡體多點位移計監(jiān)測（10測點）等監(jiān)測項目；自動化系統(tǒng)監(jiān)測共有MCU模塊38塊；自動化測點總數(shù)306；采集單元箱26個，采集軟件采用南瑞大壩安全監(jiān)測軟件NDSIMS4.0；通過遠(yuǎn)程集控水工自動化環(huán)網(wǎng)連接在一起，服務(wù)器分別安裝于長沙和小東江，控制終端位于長沙控制室及東江生活區(qū)控制室。該系統(tǒng)監(jiān)測項目比較完整，除垂直位移外，已包含了所有監(jiān)測目標(biāo)，總體是目前大壩安全監(jiān)測比較完善的系統(tǒng)。

但系統(tǒng)建立三年來，每年均受雷擊困擾，小東江滑坡體多點位移尤為嚴(yán)重。每年均有多次的雷擊損壞情況。

2.雷擊分析

現(xiàn)場設(shè)備做了一些防雷措施，通信主線路使用光隔，采集單元箱與廊道鋼筋連接，傳感器使用屏蔽電纜，繞壩滲流線路使用了鍍鋅鋼管防護(hù)，頻繁的雷擊損壞顯示這些措施未能取得防護(hù)效果。

2.1 雷擊情況統(tǒng)計

從表1看，大量雷擊導(dǎo)致設(shè)備損壞點比較固定，液位傳感器（GK-4500S）、電容式垂線傳感器、內(nèi)觀傳感器沒有發(fā)生過雷擊損壞現(xiàn)象，一般損壞是MCU模塊及弦式測縫計和通信設(shè)備，發(fā)生頻率最高是小東江滑坡體多點位計，4年發(fā)生了15次設(shè)備損壞，2013年4月一次損壞7支傳感器和一塊MCU模塊，直接導(dǎo)致備品不足而停測三個月之久。表中僅為設(shè)備損壞情況，發(fā)生小雷擊，雖然設(shè)備未損壞，只造成設(shè)備死機(jī)，必須人工重啟工作量無具體統(tǒng)計，導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失，給自動化監(jiān)測維護(hù)帶來沉重負(fù)擔(dān)。

2.2 雷擊原因檢查分析

首先對單元箱與鋼筋連接的接地進(jìn)行測量，測量結(jié)果發(fā)現(xiàn)，這引起鋼筋頭接地電阻達(dá)到32歐姆以上，個別達(dá)到50歐姆，大大超出國家建筑防雷接地規(guī)范要求的10歐姆。也就是整個接地系統(tǒng)無法達(dá)到有效釋放雷擊產(chǎn)生的浪涌電流的效果，從測量數(shù)據(jù)看接地電阻差異比較大，各單元箱連接的鋼筋并未有效連接在一起，無法形成等電位和接地，經(jīng)過對廊道施工圖紙的了解，認(rèn)為采用混凝土預(yù)制模施工，鋼筋未與大壩主筋焊接，不能達(dá)到接地要求。

對設(shè)備取電位置及線路檢查，自動化設(shè)備均就近取得廊道或附近工作電源，291廊道往后主電源未安裝抗雷防浪涌保護(hù)器，小東江左岸安裝一個60KVA抗雷防浪涌保護(hù)器，只有一級，Vp值為5KVA，且其后的戶外線路采用了非屏蔽電纜，使保護(hù)效果大為減弱，雷擊導(dǎo)致電源損壞，甚至保險管爆裂現(xiàn)象嚴(yán)重，進(jìn)而損壞設(shè)備；電源線戶內(nèi)戶外均采用非屏蔽電纜，這也是雷擊影響比較大原因，有多次保險管爆裂現(xiàn)象。

通信線檢查，主線路比較長，且使用星形分支，通信質(zhì)量較低，可能為提高保證通信質(zhì)量，采用非屏蔽六類雙絞線。大東江主通信線路上在右岸274廊道入口的安裝了光隔，但其前后均有線路在戶外，尤以左岸274出口至左岸294觀測亭明顯，雖然使用了鍍鋅鐵管，但鐵管采用絲口連接，未使用焊接，鐵管間連接電阻較大，鐵管本身并未嚴(yán)格接地，屏蔽效果不理想，從左岸294及左岸274頻繁雷擊損壞可見一斑。并且有回?fù)糁劣野?74廊道主線路分支光隔現(xiàn)象。

傳感器線路，傳感器使用了RVVP4*0.5屏蔽線，也使用了鍍鋅鐵管保護(hù)，液位計本身浸入水中，受雷擊影響小，但NDA1403的通道雷擊情況嚴(yán)重。剝開電纜后發(fā)現(xiàn)，電纜屏蔽層很稀，經(jīng)數(shù)過只有20網(wǎng)，屏蔽效果極差，導(dǎo)致了繞壩滲流、小東江引張線、滑坡體多點位移的模塊和安裝在表面的弦式傳感損壞嚴(yán)重，鍍鋅鐵管也是使用絲口連接，未焊接，未嚴(yán)格接地，效果極為有限。

從現(xiàn)場分析認(rèn)為，東江大壩觀測自動化系統(tǒng)防護(hù)措施不系統(tǒng)，不規(guī)范，有些甚至沒考慮防護(hù)，而導(dǎo)致防護(hù)措施失效。

3、改進(jìn)防護(hù)措施

通過對現(xiàn)場分析，參考國家防雷相關(guān)規(guī)范，確立一系列的改進(jìn)措施：

3.1 建立完善接地網(wǎng)

原以壩體廊道鋼筋為接地，經(jīng)檢測不符合規(guī)范要求，經(jīng)過大東江大壩施工圖紙查閱，尋找到已廢棄的右側(cè)斜廊道預(yù)留接地點，經(jīng)過檢測，與電廠大接地網(wǎng)僅0.0237歐姆，完全滿足防雷及電子設(shè)備保護(hù)需求。為解決廊道內(nèi)潮濕容易銹蝕情況，設(shè)計采用Φ70銅纜接入廊道內(nèi)，并經(jīng)過斜廊道用Φ120銅纜連接成一個整體接地網(wǎng)。將壩體內(nèi)單元箱接地與接地網(wǎng)連接。

小東江滑坡體由于處于山坡，與電廠接地網(wǎng)較遠(yuǎn)，且難以做較大型開挖，改為沿坡面開挖0.5米淺溝，向大壩方向，約150米長，埋入接地扁鐵，中間打入5個1.5米深角鋼樁，焊接在一起，經(jīng)過檢測接地電阻值為2.73歐姆，小于4歐姆，能滿足防雷及電子設(shè)備保護(hù)要求。

3.2 通信線路改光纖或120網(wǎng)屏蔽電纜

為了加強(qiáng)通信質(zhì)量，縮短RS485通信線路長度，將主干進(jìn)入廊道的電纜改為光纜，進(jìn)入廊道后經(jīng)過RS485分支器后，改用RVVP2*0.5電纜，并將屏蔽層兩端接地，為保證通信質(zhì)量，通信連接改用菊花鏈?zhǔn)剑∠切瓦B接，必要時采用分支器。出戶外電纜另用鍍鋅鐵管保護(hù)，鐵管安裝后焊接在一起并接地。并加裝RS485防浪涌保護(hù)器。

3.3 電源改造

大東江觀測自動化電源統(tǒng)一在右岸274取用，并在取電開關(guān)位置安裝一級抗雷防浪涌保護(hù)器，在每個單元箱安裝二級抗雷防浪涌保護(hù)器。戶外電纜一律改用ZR-KVVP2*2.5電纜，并將屏蔽及保護(hù)凱用焊接接地線方式接地。

3.4 傳感器電纜處理

這部分主要集中在弦式液位計及測縫計，小東江滑坡體多點位移重新更換為ZR-KVVP電纜。由于繞壩滲流及滲壓力測點數(shù)量巨大，并且大部分為鍍鋅鐵管保護(hù)，更換線纜費(fèi)用巨大，采取對鐵管加焊連接，因為管內(nèi)有電纜，只能用點焊方式，連接效果不是太理想，在2015年仍有NDA1403模塊損壞情況，根據(jù)弦式傳感器原理，設(shè)計在模塊端加裝15KP瞬態(tài)防浪涌二極管，釋放雷擊浪涌電流。

4.總結(jié)

防雷改造完成于2015年，在2016雷雨季節(jié)，東江大壩自動化監(jiān)測系統(tǒng)未發(fā)生一起雷擊設(shè)備損壞現(xiàn)象。2016年5月在壩區(qū)發(fā)生劇烈雷擊事件中，僅發(fā)生設(shè)備死機(jī)情況，無一起雷擊導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失情況，防雷措施起到了重大保護(hù)作用。

雷擊對大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)破壞在國內(nèi)是比較嚴(yán)重，東江大壩采取科學(xué)的措施，基本解決大壩安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)自身安全問題。

參考文獻(xiàn)：

[1] GB50057-2010 建筑物防雷設(shè)計規(guī)范

[2] 防雷裝置設(shè)計與安裝 寧建民 寧波 氣象出版社

作者簡介：

鄧振華（1974-），男，本科，工程師，從事大壩安全監(jiān)測，自動化系統(tǒng)。

張明陽 （1977-），女，博士，副研，從事環(huán)境生態(tài)景觀研究。