合浦水庫自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)防雷探討

劉祚東

（廣西北海市合浦水庫工程管理局 536125）

合浦水庫自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)防雷探討

劉祚東

（廣西北海市合浦水庫工程管理局 536125）

本文詳細(xì)分析了合浦水庫自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的防雷措施，供同行參考。

大型水庫；自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；防雷措施

合浦水庫主要由小江、旺盛江兩座大型水庫，通過南流江大渡槽連接而成，集雨面積1052.8km2，總庫容11.75億m3，灌區(qū)重要結(jié)瓜工程有清水江、牛尾嶺、石康、閘口等四座中型水庫，是南流江流域中下游的串聯(lián)性大（一）型水庫群，有效灌溉面積達(dá)到70.1萬畝。為了能準(zhǔn)確、及時(shí)提供水情、雨情、工情信息，為防汛調(diào)度和防洪搶險(xiǎn)、抗洪救災(zāi)指揮提供科學(xué)依據(jù)。2004年建成了合浦水庫自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，主要由小江大壩安全監(jiān)測(cè)、水雨情自動(dòng)測(cè)報(bào)、閘門遙測(cè)和監(jiān)控等三個(gè)部分組成。本系統(tǒng)采用由YCZ-2A-101數(shù)字遙測(cè)終端機(jī)、電腦和可編程控器PLC組成的集數(shù)據(jù)采集、過程控制和信息傳送于一體的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。由于這些設(shè)備部分安裝在野外，而且大量采用高度集成化的CMOS電路和CPU單元，對(duì)瞬間過電壓的承受能力大幅降低，容易受到雷擊損壞，所以對(duì)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采取有效的防雷保護(hù)措施是非常必要的。

1 瞬間過電壓的產(chǎn)生

瞬間過電壓是指在微秒至毫秒之內(nèi)所產(chǎn)生的尖峰沖擊電壓而非一般電源上的所謂過壓（一般電源過壓可能維持?jǐn)?shù)秒及以上），瞬間過電壓有兩種產(chǎn)生途徑：雷擊和電氣開關(guān)動(dòng)作。

（1）一般構(gòu)筑物避雷網(wǎng)只能保護(hù)其本身免受直擊雷損害，雷擊會(huì)通過以下兩種方式破壞電子設(shè)備：①直擊到電源輸入線，經(jīng)電源線進(jìn)入而損害設(shè)備，因電力線上安裝的各種保護(hù)間隙和電力避雷器，只可把線對(duì)地的電壓限制到小于6000V，而線對(duì)線無法控制。②以感應(yīng)方式（電阻性、電感性、電容性）偶合到電源、信號(hào)線上，最終損害設(shè)備。

（2）當(dāng)電流在導(dǎo)體上流動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)存儲(chǔ)能量并與電流大小和導(dǎo)線長(zhǎng)度成正比，當(dāng)電器設(shè)備（大負(fù)荷）開關(guān)時(shí)會(huì)便產(chǎn)生瞬間過電壓而損害設(shè)備。

3 防雷措施探討

根據(jù)瞬間過電壓產(chǎn)生、危害途徑和自控系統(tǒng)大量采用高度集成化的CMOS電路和CPU單元及集控制、通訊、監(jiān)測(cè)為一體以及設(shè)備安裝點(diǎn)多、分散面廣的特點(diǎn)，自控系統(tǒng)要盡可能降低雷電帶來的損失，就必須采取系統(tǒng)的、綜合的防雷措施。特別應(yīng)從配電系統(tǒng)防雷、自控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)線路防雷、構(gòu)筑物防雷和合理接地等四方面著手。

3.1 自控配電系統(tǒng)的防雷

當(dāng)雷擊輸電線或雷閃放電在輸電線附近時(shí)，在輸電線路上形成雷電沖擊波，其能量主要集中在工頻至幾百赫的低端，容易與工頻回路耦合。雷電沖擊波從配電線路進(jìn)入自控設(shè)備的電源模塊，以及從配電線路感應(yīng)到同一電纜溝內(nèi)的自控網(wǎng)絡(luò)線上進(jìn)入自控設(shè)備的通訊模塊，幾率比從天饋和信號(hào)線路進(jìn)入的要高得多。因此配電線路的防雷是自控系統(tǒng)防雷的重要部分。

合浦水庫的配電系統(tǒng)在高、低壓進(jìn)線都已安裝有閥型避雷器、氧化鋅避雷器等避雷裝置，但自控設(shè)備的電源機(jī)盤仍會(huì)遭受雷擊而損壞。這是因?yàn)檫@些措施的保護(hù)對(duì)象是電氣設(shè)備，而自控設(shè)備耐過壓能力低，同時(shí)，這些避雷器啟動(dòng)電壓高而且有些有較大的分散電容，與設(shè)備負(fù)載之間成為分流的關(guān)系，從而加在自控設(shè)備上的殘壓高，至少高于避雷裝置的啟動(dòng)電壓，一般為峰值2～2.5倍（單相殘壓不低于800V），極易造成自控設(shè)備損壞。同時(shí)大型設(shè)備啟停產(chǎn)生的操作過電壓也是危害自控系統(tǒng)的重要原因之一。

因此，用單一的器件或單級(jí)保護(hù)很難滿足要求自控設(shè)備對(duì)電源的要求，所以對(duì)電源防雷應(yīng)采取多級(jí)保護(hù)措施，具體級(jí)數(shù)根據(jù)各自實(shí)際情況而定，為合浦水庫采用的三級(jí)保護(hù)方案（原有的高壓避雷器保留）。

第一級(jí)在變壓器二次側(cè)，主要泄放外線等產(chǎn)生的過電壓，其雷通量大，啟動(dòng)電壓高（920～1800V）。第二級(jí)在各控制站PLC專用隔離變壓器前，主要泄放第一級(jí)殘壓、配電線路上感應(yīng)出的過電壓和其它用電設(shè)備的操作過電壓、其電流通量居中，啟動(dòng)電壓居中（470～1800V）。隔離變壓器的安裝非常重要，它能有效抑制各種電磁干擾，對(duì)雷電波同樣有效。末級(jí)在PLC專用電源模板前，主要泄放前面的殘壓，完全可達(dá)到箝位輸出，其殘壓低，響應(yīng)時(shí)間快。

3.2 通訊線、天饋線避雷

自控系統(tǒng)通訊線一般都采用特制屏蔽雙絞線（如DH+、MB+），并且一般在安裝時(shí)都是穿管直埋（或電纜溝）鋪設(shè)，所以雷電在此處的感應(yīng)電壓不高（1～2kV）。但由于其直接進(jìn)入PLC或計(jì)算機(jī)通訊口這一薄弱環(huán)節(jié)（正常電壓一般為正負(fù)5V、12V、24V、48V等），故損害也很大。計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)交換或通訊頻率是從直流到幾十兆赫茲（據(jù)系統(tǒng)而定），在選用避雷器件時(shí)一般都不采用氧化物避雷器，因?yàn)樗姆植茧娙荽蟆?duì)高頻損耗大，除非對(duì)之進(jìn)行特殊處理。通常避雷器原理，其中箝位二極管殘壓很低，若額定電壓為24V，則殘壓在于24～30V之間。選用此類避雷器時(shí)應(yīng)以通訊電平和頻率或速率來確定，對(duì)于比較高頻的訊號(hào)便需要特殊設(shè)計(jì)的防雷器以確保其阻抗與該系統(tǒng)對(duì)應(yīng)，否則會(huì)有信號(hào)反射的現(xiàn)象

3.3 中心站構(gòu)筑物的防雷

中心站是控制和信息中心，集中了很多位重值高的計(jì)算機(jī)設(shè)備、通訊設(shè)備，大多數(shù)還有電臺(tái)和天饋線，是自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)控、調(diào)度中心，在裝修中大量采用了鋁、鐵等金屬材料，所以在防雷上的要求就更高一些，其目的是要形成均壓等電位屏蔽措施。

中心站所在構(gòu)筑物應(yīng)安裝避雷帶、避雷網(wǎng)，只安裝避雷針效果不好，因?yàn)楹掀炙畮鞓?gòu)筑物高度雖低，但地勢(shì)空曠，天線塔高，部分設(shè)備在山區(qū)，中繼在高山上，臨近水源，所以極易遭受各方向的各種形式的雷擊。中心站所在構(gòu)筑物的接地電阻須小于10Ω。

有天饋線或通訊鐵塔的應(yīng)安裝避雷針，并置于構(gòu)筑物避雷網(wǎng)45°角內(nèi)，避雷針以及通訊鐵塔的接地除用建筑物內(nèi)鋼筋結(jié)構(gòu)接地以外，還應(yīng)單獨(dú)鋪設(shè)引下線引至構(gòu)筑物接地網(wǎng)。如只采用構(gòu)筑物鋼筋結(jié)構(gòu)接地，因?yàn)樵跇?gòu)筑物修建時(shí)其鋼筋焊接質(zhì)量不一定能得到保證，雷擊時(shí)其均壓要求不能保證而易在構(gòu)筑物內(nèi)出現(xiàn)強(qiáng)磁場(chǎng)。構(gòu)筑物外墻上的所有金屬門窗應(yīng)接入構(gòu)筑物的接地網(wǎng)。

3.4 合理接地

防雷的最終措施是“泄放”，因而對(duì)“接地”切不可輕心。一般的接地主要有構(gòu)筑物接地、配電系統(tǒng)及強(qiáng)電設(shè)備接地、計(jì)算機(jī)自控系統(tǒng)接地。如這三種接地配置不合理，極易在雷擊時(shí)通過接地網(wǎng)對(duì)自控系統(tǒng)造成反擊。

計(jì)算機(jī)自控系統(tǒng)是一個(gè)特殊用電系統(tǒng)，它包括以下幾種接地：系統(tǒng)工作地（小于4Ω），直流工作地（信號(hào)屏蔽地、邏輯地等小2Ω），安全保護(hù)地（小于4Ω）。在安裝時(shí)難以分開（特別是對(duì)PLC系統(tǒng)），對(duì)這一系統(tǒng)采用聯(lián)合接地較好。接地電阻取最小值，至少小于2Ω。

3.5 避雷器的選型及安裝布線

要發(fā)揮良好避雷功能，防雷器應(yīng)不會(huì)對(duì)保護(hù)的設(shè)備或線路造成任何干擾和中斷現(xiàn)象；具有低“通過”電壓（將瞬間過電壓降到設(shè)備能承受的范圍）；能承受高電流（二次感應(yīng)電流一般不會(huì)超過10000A）；反復(fù)使用壽命長(zhǎng)且具有狀態(tài)顯示。

我們知道，導(dǎo)線的電壓降主要取決于其電感值，而電感值受到長(zhǎng)度和連接方法影響，我們采用以下方法來減少并聯(lián)防雷器的感性電壓：①盡量減少連接線長(zhǎng)度（＜25cm），減少線路回圈，并將每組連接線綁扎以使其磁場(chǎng)相互抵消。②當(dāng)連接線過長(zhǎng)（＞25cm）時(shí)，多加一組連接線并分組綁扎，使電感電流平分到兩組上從而減低磁場(chǎng)強(qiáng)度。串聯(lián)防雷器保證輸出線與輸入線、接地線盡量遠(yuǎn)離，以免再次偶合感應(yīng)。

4 結(jié)語

總之，由于計(jì)算機(jī)、PLC系統(tǒng)大量采用大規(guī)模CMOS集成電路和分散控制用的CPU單元，使其對(duì)瞬間過電壓承受能力大幅度減弱，同時(shí)控制系統(tǒng)各種線路伸入到水庫的各種環(huán)境之中，采用任何一種單一的防雷器件都有難以保證其安全，必須采取綜合防護(hù)的措施，對(duì)癥下藥將各類可能引起雷害的因素排除，才能將雷害減少至最低限度。

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1004-7344（2016）14-0130-02

2016-4-28