水利工程電氣自動(dòng)化系統(tǒng)防雷技術(shù)研究

陳進(jìn)錠

（東莞市水利勘測設(shè)計(jì)院有限公司， 廣東 東莞 523115）

0 引言

水利工程電氣自動(dòng)化系統(tǒng)運(yùn)行期間極易遭受雷電影響，輕則對系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性造成影響，重則出現(xiàn)設(shè)備故障或引起人身傷亡事故， 因此加強(qiáng)電氣自動(dòng)化系統(tǒng)防雷措施探索具有現(xiàn)實(shí)意義。傳統(tǒng)防雷措施相當(dāng)單一，主要是進(jìn)行避雷針或避雷器安裝，所取得防雷效果不佳。但隨著水利工程信息化程度的日漸深入， 電氣系統(tǒng)容量以及電壓等級不斷升高， 水利工程里電氣自動(dòng)化系統(tǒng)需要面對的雷電襲擊種類也呈現(xiàn)出多元化特征， 故而結(jié)合各種可能會(huì)遭受的雷電襲擊種類， 進(jìn)行防雷技術(shù)應(yīng)用以及方案設(shè)計(jì)，使水利工程得到穩(wěn)定安全運(yùn)行非常重要。

1 電氣自動(dòng)化系統(tǒng)在水利工程的應(yīng)用

現(xiàn)階段水利工程自動(dòng)化系統(tǒng)主要采取二層或三層分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其中第一層屬于現(xiàn)地測量控制層（即現(xiàn)地單元層），第二層屬于集中監(jiān)控層（即主控單元層），第三層屬于生產(chǎn)調(diào)度管理層（即管理單元層），系統(tǒng)不同單元的測控計(jì)算機(jī)經(jīng)TCP/IP 高速以太網(wǎng)相連，主控級、現(xiàn)地單元級經(jīng)環(huán)網(wǎng)或以太網(wǎng)相連， 網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)選擇的是網(wǎng)線與光纜充分結(jié)合的形式。 因電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)的層次和布局清晰，所以可結(jié)合各部位多樣化功能展開區(qū)別監(jiān)測，靈活性和適應(yīng)性均較強(qiáng)， 經(jīng)數(shù)據(jù)模擬能夠?qū)崿F(xiàn)水利工程的數(shù)字化監(jiān)測，使監(jiān)測及時(shí)性大大提高，為水利工程有序運(yùn)行提供保障。 一旦水利工程主要部件發(fā)生故障，依靠電氣自動(dòng)化系統(tǒng)能夠快速完成故障識(shí)別，發(fā)出警示信號，使維修者可盡快開展維修工作， 實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化運(yùn)行水平以及質(zhì)量的提升。

2 雷擊對水利工程電氣自動(dòng)化系統(tǒng)的危害

2.1 直擊雷

直擊雷為自然界里有極強(qiáng)破壞性的雷擊類別， 一旦直擊雷于云層里形成， 則對地面相對突出的物體實(shí)施放電，若直擊雷將放電目標(biāo)置于自動(dòng)化設(shè)備，形成的電流則順金屬物流至地下， 于地下產(chǎn)生極強(qiáng)的低電壓并引起超強(qiáng)破壞力。

2.2 球狀雷

球形雷主要產(chǎn)生于雷暴天氣里， 會(huì)發(fā)出刺眼的紅光或白光， 形態(tài)好似火球， 若所修建的水利工程有門窗通道、煙囪或細(xì)縫，球形雷則會(huì)在此類媒介作用下直接進(jìn)入水利工程操作中心，對自動(dòng)化設(shè)備造成破壞，故而與直擊雷相比，球形雷的危害性以及破壞力更強(qiáng)。

2.3 雷電侵入波

雷電侵入金屬管道或架空線路對雷電的傳導(dǎo)作用，雷電波可能會(huì)順著此類管線侵進(jìn)屋內(nèi)， 引起設(shè)備損壞現(xiàn)象，甚至引起人員傷亡，為水利工程企業(yè)帶來嚴(yán)重?fù)p失。

2.4 雷電感應(yīng)

雷電感性屬于相當(dāng)常見的類型之一， 又包括電磁感應(yīng)和靜電感應(yīng)兩種， 雷電感應(yīng)為雷電和導(dǎo)電物體相互間產(chǎn)生的一類化學(xué)感應(yīng)， 一旦雷電和自動(dòng)化設(shè)備金屬物件形成感應(yīng)則產(chǎn)生火花或火球， 并為自動(dòng)化設(shè)備帶來無法逆轉(zhuǎn)的損害。

3 水利工程電氣自動(dòng)化系統(tǒng)防雷技術(shù)分析

3.1 使用屏蔽與接地技術(shù)

接地：電壓與電阻相互間屬于正相關(guān)關(guān)系，若接地電阻越小，那么過電壓則越低，因此需通過科學(xué)有效的方法做好接地電阻的控制。 水利工程里涵閘與泵站中控室里通信控制設(shè)備應(yīng)與其它動(dòng)力裝置同時(shí)接地網(wǎng)， 若條件允許還可直接與防雷接地網(wǎng)相連。 中控室里需進(jìn)行均壓帶與環(huán)形接地母線敷設(shè)， 同時(shí)需進(jìn)行接地網(wǎng)的設(shè)備裝置安置， 并經(jīng)放電器或擊穿保護(hù)器來和工程地網(wǎng)相連確保遭受雷擊時(shí)可平衡電量。

屏蔽：中控室的金屬地板和鋼筋需進(jìn)行焊接，從而讓雷電電磁干擾得到最大程度的控制，若工程規(guī)模較大，對電氣自動(dòng)化設(shè)備要求也更高， 因而應(yīng)進(jìn)行金屬屏蔽網(wǎng)敷設(shè)，讓環(huán)形接地母線與金屬屏蔽網(wǎng)均勻相連，室外通信電纜與架空電力線均需更換為屏蔽電纜， 室外通信電纜應(yīng)做到兩端接地。電纜抵達(dá)室內(nèi)前應(yīng)做好相關(guān)屏蔽工作，需埋地超過10m，深度在0.6m 以上，非屏蔽電纜同樣需埋地超過10m，并且務(wù)必要使用鍍鋅穿線鐵管，還能在室外入口端的鐵管與電力線間進(jìn)行壓敏電阻安裝， 提高防雷效果。

以下對屏蔽和接地技術(shù)使用效率展開試驗(yàn)解析。 在防雷技術(shù)里，接地和屏蔽項(xiàng)目二者相互相成。依照屏蔽效能根本原理，屏蔽體的網(wǎng)格間距和接地情況，會(huì)影響屏蔽體對電磁波的效率。 此次試驗(yàn)里依靠浪涌發(fā)生器的輸出端進(jìn)行干擾源模擬，電感線圈作受擾原，對網(wǎng)格間距以及接地電阻值進(jìn)行改變， 將示波器所采集獲得感性過電壓來對屏蔽效能改變情況展開分析。 試驗(yàn)期間制作4 只鋼絲所制的規(guī)格是40cm×40cm×40cm 的法拉第籠， 網(wǎng)格間距分別是5cm，3cm，2cm，與一個(gè)銅皮所制的同規(guī)格盒體。試驗(yàn)使用的浪涌發(fā)生器型號是ICGS，形成的模擬雷電流是10/350μs 波形，通流10kA、20kA、30kA、40kA、50kA 幅值，籠體經(jīng)一只變阻器接進(jìn)阻值是0.03Ω 的地網(wǎng)里。纏繞一只采樣電感，N=30，F(xiàn)=5cm，測試電感值為98μH，將這只電感的兩端接上示波器探頭， 并且示波器做好全屏蔽處理。 試驗(yàn)連接見圖1。

圖1 屏蔽效能的試驗(yàn)示意圖

圖2 里對改變法拉第籠規(guī)格為屏蔽造成的影響給予了顯示， 通過對法拉第籠網(wǎng)格間距進(jìn)行改變， 依次對5cm、3cm、2cm、0cm 的量級進(jìn)行測試，接地電阻值始終保持0.1Ω，得出感應(yīng)電壓幅值繪制趨勢曲線圖。

圖2 網(wǎng)格間距改變對屏蔽的影響

由此不難看出，①若受擾體受到法拉第籠的屏蔽，感性電壓會(huì)降低；②法拉第籠網(wǎng)格間距關(guān)系到屏蔽效果，間距越小可產(chǎn)生更好的防雷效果；③網(wǎng)格間距在3cm 以下時(shí)效果改變不明顯，這和感應(yīng)雷電波波長存在關(guān)聯(lián)。

圖3 中對接地電阻改變對屏蔽影響情況進(jìn)行了描繪， 在變阻器調(diào)節(jié)作用下， 接地阻值依次是0.1Ω、0.5Ω、1Ω、2Ω、∞Ω 量級，網(wǎng)格間距始終維持在2cm。

圖3 接地電阻改變對屏蔽的影響

由以上可得： ①水利工程防雷技術(shù)中不接地的屏蔽體和無屏蔽的情況下受擾效果是一致的， 故而屏蔽體應(yīng)接地；②對0.1Ω-∞Ω 效果曲線，可知接地電阻小，能取得更好的防雷屏蔽效果； ③在水利工程防雷屏蔽技術(shù)使用時(shí)務(wù)必要具備良好的接地， 屏蔽體網(wǎng)格與接地電阻阻值均應(yīng)盡量小，且滿足成本規(guī)劃要求。

3.2 進(jìn)行新型避雷器安裝

將新型避雷器在室內(nèi)外進(jìn)行安裝， 可讓不同類別的雷電沖擊受到抑制，發(fā)揮多重防護(hù)功效。 同時(shí)，水利工程電氣自動(dòng)化系統(tǒng)使用過程中還可經(jīng)三合一防雷器安裝的形式來進(jìn)行防雷，三合一防雷器別名組合防雷器，部分人也將其稱作監(jiān)控多功能防雷箱，主要由控制線路防雷器、電源防雷器以及視頻線路防雷器所構(gòu)成， 結(jié)構(gòu)上主要為多級串聯(lián)，使用期間需做好和地面的連接，能夠在電氣自動(dòng)化系統(tǒng)中發(fā)揮良好的防雷功效。

3.3 增設(shè)瞬態(tài)電壓控制器

瞬態(tài)電壓控制器即TVS，屬于二極管結(jié)構(gòu)樣式，因而可作為高能效保護(hù)器件在水利工程電器自動(dòng)化系統(tǒng)中進(jìn)行應(yīng)用。TVS 管工作原理即兩端遭受瞬間高能量沖擊時(shí)，則以極高的速度（最高達(dá)1×10-12s）使其阻抗快速下降，并且吸收一個(gè)大電流， 把兩端間的電壓箝位于一個(gè)預(yù)定數(shù)值，使得后面的電路元件不受瞬態(tài)高能量沖擊受損。在電源線或信號上進(jìn)行TVS 管安裝， 防控因靜電放電效應(yīng)與電源開關(guān)產(chǎn)生噪音而誘發(fā)失靈， 靜電放電效應(yīng)所釋放的脈沖能夠高達(dá)60A，電壓也可在10000V 以上，時(shí)間能夠長達(dá)10ms，相較于普通TTL 器件而言，30ms 以上的十伏脈沖則能夠讓其受到損壞，但是TVS 管則不會(huì)產(chǎn)生該情況，通過對強(qiáng)大脈沖進(jìn)行吸收，使得總線相互間干擾被消除。

3.4 增設(shè)電壓保護(hù)單元

雷擊會(huì)讓電氣設(shè)備出現(xiàn)電感效應(yīng)， 效應(yīng)形成的波能可直接對線路與UPS 設(shè)備造成破壞，即便UPS 設(shè)備自身能夠發(fā)揮一定的過電壓保護(hù)作用， 然而雷擊形成的高壓與功率相當(dāng)高，設(shè)備自帶電阻不能對高壓電流給予阻止。要使該現(xiàn)象得到解決，應(yīng)進(jìn)行四級保護(hù)設(shè)置，如三級氣體放電管、TVS 管、限流模塊、壓敏電阻安裝等，實(shí)現(xiàn)安全科學(xué)的防雷系統(tǒng)建構(gòu)，使得雷電電壓與電流作用被削弱，發(fā)揮過電壓保護(hù)功能。

3.5 采取綜合防雷措施

防雷工作的開展不可單一的使用某項(xiàng)措施， 還需結(jié)合工程實(shí)際需求， 全方位使用多類防雷措施， 進(jìn)行全面化、立體化、整體化雷電防護(hù)網(wǎng)建構(gòu)。具體實(shí)踐時(shí)，能夠?qū)⒔拥睾推帘伪Ｗo(hù)視作基礎(chǔ)防雷措施， 于其它電器設(shè)備以及系統(tǒng)里進(jìn)行防雷裝置配備。如：配電變壓器防雷時(shí)則可將類似金屬氧化物的避雷器安裝于高低壓側(cè)， 并和接地母線相連，實(shí)現(xiàn)三點(diǎn)一線保護(hù)系統(tǒng)建構(gòu)。又如通訊系統(tǒng)防雷時(shí)進(jìn)行電壓保護(hù)器安裝，避免高壓電流竄進(jìn)設(shè)備系統(tǒng)。遠(yuǎn)程終端控制設(shè)備防雷時(shí)，因和顯示屏存在一定的間距，因而需進(jìn)行網(wǎng)線與電線架設(shè)， 故而需對信號線進(jìn)行過電壓保護(hù)器安裝，使得防雷安全性大大增強(qiáng)。

4 結(jié)束語

雷電作為威脅水利工程信息化管理安全性的自然災(zāi)害之一，所帶來的后果相當(dāng)嚴(yán)重，故而在電氣自動(dòng)化系統(tǒng)大力應(yīng)用于水利工程日常運(yùn)行的趨勢下， 通過多項(xiàng)防雷措施的使用來使系統(tǒng)安全正常運(yùn)行非常重要。 以上只是結(jié)合工作實(shí)際給出的幾點(diǎn)愚見， 在后續(xù)研究中將繼續(xù)致力于這方面展開深入探索， 力求能總結(jié)出更多可行的防雷方法， 使得電氣自動(dòng)化系統(tǒng)在水利工程應(yīng)用中發(fā)揮更大價(jià)值，使我國水利工程自動(dòng)化水平得到進(jìn)一步提升。