金溝河引水樞紐除險(xiǎn)加固工程自動(dòng)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(xiǎn)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(yùn)行過程中，進(jìn)水閘和泄洪沖砂閘混凝土嚴(yán)重老化，閘門整體變形，止水偏離埋件，漏水及閘前后淤積嚴(yán)重，河床逐年抬高。工程長(zhǎng)期帶病運(yùn)行，安全隱患較大，嚴(yán)重威脅金溝河流域下游灌區(qū)灌溉安全。為加強(qiáng)流域水情、雨情、工情等信息的收集與應(yīng)用，并為流域防汛調(diào)度、防洪搶險(xiǎn)提供科學(xué)依據(jù)，于2021年年初建成其自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)，并成為樞紐除險(xiǎn)加固工程的重要組成部分。該系統(tǒng)通過各種自動(dòng)化監(jiān)測(cè)基礎(chǔ)設(shè)施、設(shè)備的新建，以通信技術(shù)、信息技術(shù)、電子技術(shù)等手段和統(tǒng)一規(guī)范的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)建起一套系統(tǒng)完善的水情、工情、圖像等水資源基礎(chǔ)信息收集體系，促進(jìn)了金溝河引水樞紐除險(xiǎn)加固工程水資源管理信息化水平的提升。

本工程自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)字遙測(cè)終端機(jī)，包括數(shù)據(jù)采集、信息傳送、過程控制的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)等部分設(shè)備安裝在野外，并大量使用高集成度的CMOS電路，對(duì)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(qiáng)防雷保護(hù)是本工程自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)安全運(yùn)行的保證。

2 瞬間過電壓的危害

在μs至ms之間產(chǎn)生的尖峰沖擊電壓即為瞬間過電壓，其產(chǎn)生往往有兩種途徑：雷擊和電氣開關(guān)[1]。一般的水工構(gòu)筑物避雷網(wǎng)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(shè)備，或是以電感性、電阻性及電容性等感應(yīng)方式耦合至電源和信號(hào)線，最終導(dǎo)致設(shè)備損壞。當(dāng)電流流經(jīng)導(dǎo)體時(shí)會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，所存儲(chǔ)的能量和導(dǎo)向長(zhǎng)度、電流大小成正比，如遇電氣設(shè)備開關(guān)行動(dòng)便會(huì)產(chǎn)生瞬間過電壓。

瞬間過電壓會(huì)干擾數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、傳輸及設(shè)備訊號(hào)，甚至導(dǎo)致數(shù)據(jù)信息丟失，電子設(shè)備誤動(dòng)作，系統(tǒng)癱瘓，甚至燒毀元器件和電子設(shè)備。當(dāng)前金溝河引水樞紐除險(xiǎn)加固工程自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)主要通過侵入電源線、通訊線、天饋線、信號(hào)線等導(dǎo)致電源模板、通訊模板、I/O模板等損壞，同時(shí)由于從信號(hào)采集線、接地網(wǎng)等引入有害電信號(hào)和接地電流而導(dǎo)致自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)損壞。

3 防雷措施

結(jié)合以上對(duì)瞬間過電壓產(chǎn)生過程、危害路徑以及自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)大多采用高集成度電路及設(shè)備安裝點(diǎn)多面廣等特征的概述，認(rèn)為，金溝河引水樞紐除險(xiǎn)加固工程自動(dòng)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(gòu)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(shí)，輸電線上所形成的雷電沖擊波能量會(huì)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(hào)線路進(jìn)入自動(dòng)化監(jiān)控設(shè)備電源模塊相比，雷電沖擊波從配電線路進(jìn)入電源模塊以及感應(yīng)到相同電纜溝內(nèi)自控網(wǎng)絡(luò)線上所進(jìn)入的通訊模塊的幾率更高，所以該除險(xiǎn)加固工程自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)防雷的重點(diǎn)之一應(yīng)為配電線路防雷。

金溝河引水樞紐除險(xiǎn)加固工程配電系統(tǒng)中避雷裝置均安裝在高低壓進(jìn)線處，但自動(dòng)化監(jiān)控設(shè)備電源機(jī)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(shè)備為保護(hù)對(duì)象，而自動(dòng)化控制設(shè)備不具備較高的耐過壓性能，已經(jīng)安裝好的避雷裝置所需啟動(dòng)電壓高，且分散電容大，與自動(dòng)化控制設(shè)備負(fù)載之間形成分流關(guān)系。所以，自動(dòng)化監(jiān)控設(shè)備殘壓比避雷裝置的啟動(dòng)電壓通常高出2.0-2.5倍的峰值[2]，導(dǎo)致自動(dòng)化監(jiān)控設(shè)備損壞的可能性大。而且，大型設(shè)備啟動(dòng)停止操作所產(chǎn)生的過電壓也是影響自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的主要方面。通過單一器件或單極保護(hù)方式通常無法滿足自動(dòng)化監(jiān)控設(shè)備對(duì)電源防雷的要求，必須根據(jù)實(shí)際情況實(shí)施多級(jí)電源防雷保護(hù)。保留原高壓避雷器后的金溝河引水樞紐除險(xiǎn)加固工程自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)三級(jí)防雷保護(hù)方案詳見圖1。

圖1 金溝河引水樞紐除險(xiǎn)加固工程自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)三級(jí)防雷保護(hù)方案

由設(shè)計(jì)可知，第一級(jí)防雷保護(hù)位于變壓器二次側(cè)，主要發(fā)揮外線過電壓泄放的作用，啟動(dòng)電壓在950-1800V，且雷電通量大；第二級(jí)防雷保護(hù)設(shè)置于各控制站PLC專用隔離變壓器前，發(fā)揮第一級(jí)殘壓釋放、配電線路過電壓釋放等作用，啟動(dòng)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(jí)防雷保護(hù)設(shè)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(shè)，對(duì)相應(yīng)位置雷電的感應(yīng)電壓通常在1-2kV，因其直接進(jìn)入正常電壓通常為5V、12V、24V和48V的計(jì)算機(jī)通訊口或PLC等薄弱環(huán)節(jié)，所以會(huì)產(chǎn)生較大損害。計(jì)算機(jī)通訊頻率及數(shù)據(jù)交換頻率通常從直流到數(shù)十兆赫茲轉(zhuǎn)變，故而在避雷器件選擇時(shí)不得選用分布電容大、高頻損耗大的氧化物避雷器，根據(jù)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(yīng)采用通訊電平頻率或速率確定其避雷器類型，對(duì)于高頻訊號(hào)還應(yīng)進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)以保證其阻抗與系統(tǒng)自身的對(duì)應(yīng)性，避免發(fā)生信號(hào)反射，同時(shí)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(xiǎn)加固工程自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的超短波通信設(shè)備天饋線均為同軸電纜，應(yīng)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(hào)頻段的距離，并通過高通濾波器將上述兩種信號(hào)有效分開。在設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)盡量從總配電柜開始單獨(dú)布列自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)電源，并將各級(jí)避雷器靠近受保護(hù)設(shè)備設(shè)置，避免雷電侵入波出現(xiàn)全輻射現(xiàn)象，根據(jù)系統(tǒng)確定各級(jí)啟動(dòng)電壓，并保證其末級(jí)為箝位輸出形式。當(dāng)前不同系列的電子避雷器性能均較好，部分避雷器還增設(shè)了雷擊計(jì)數(shù)器、放電管、漏電流檢測(cè)等電路，具體見圖3，金溝河引水樞紐除險(xiǎn)加固工程自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)采用電子避雷器后通常不會(huì)發(fā)生過電壓損壞。

圖3 電子避雷器作用原理

3.3 構(gòu)筑物防雷

金溝河引水樞紐除險(xiǎn)加固工程高重值計(jì)算機(jī)設(shè)備、通訊設(shè)備、天饋線、電臺(tái)等設(shè)備均集中在中心站，主要發(fā)揮自動(dòng)化系統(tǒng)監(jiān)控、調(diào)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(shè)計(jì)以形成均壓等電位屏蔽。考慮到金溝河引水樞紐除險(xiǎn)加固工程構(gòu)筑物高度低，且地勢(shì)空曠，天線塔較高，臨近水源，雷擊形式復(fù)雜，所以上述中心站構(gòu)筑物均應(yīng)在安裝避雷針的同時(shí)安裝避雷網(wǎng)、避雷帶，并將構(gòu)筑物接地電阻控制在10Ω以內(nèi)[3]。

根據(jù)雷電侵害原理，雷電危害主要通過感應(yīng)進(jìn)入自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)，為此，必須增設(shè)避雷針、避雷網(wǎng)、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(nèi)的自動(dòng)化監(jiān)控設(shè)備遠(yuǎn)離避雷網(wǎng)導(dǎo)地金屬體。

3.4 接地處理

自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)防雷最終都是要實(shí)現(xiàn)雷電能量的泄放，所以接地就顯得尤為重要。常見的構(gòu)筑物接地、強(qiáng)電設(shè)備接地、配電系統(tǒng)接地、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)接地等配置如果缺乏合理性，則會(huì)發(fā)生雷擊通過接地網(wǎng)反擊自動(dòng)化控制系統(tǒng)的現(xiàn)象。金溝河引水樞紐除險(xiǎn)加固工程因修建較早，其構(gòu)筑物在建設(shè)時(shí)很少考慮計(jì)算機(jī)等弱電設(shè)備避雷的問題，且其設(shè)備地和接閃地分開設(shè)置，在自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)時(shí)新增的PLC系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)若與構(gòu)筑物接地、強(qiáng)電設(shè)備接地等聯(lián)合接地處理，則要求接地電阻應(yīng)不超過0.5Ω，既會(huì)增大工程造價(jià)，又對(duì)地質(zhì)條件有較高要求。為此，金溝河引水樞紐除險(xiǎn)加固工程自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)防雷接地應(yīng)分開設(shè)置，為避免地網(wǎng)之間發(fā)生閃絡(luò)，還應(yīng)將涉及自控系統(tǒng)接地時(shí)的地網(wǎng)距離控制在10m以上。

4 結(jié) 論

通過文章對(duì)金溝河引水樞紐除險(xiǎn)加固工程自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)防雷問題的分析表明，因水利工程自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的PLC系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)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(qiáng)，而且水利工程自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)中的各種線路均處于復(fù)雜且有水的運(yùn)行環(huán)境中，采用單一的防雷器件很難達(dá)到避雷防雷的目的，必須實(shí)施綜合防雷措施。經(jīng)過分析，金溝河引水樞紐除險(xiǎn)加固工程自動(dòng)化監(jiān)控防雷系統(tǒng)應(yīng)主要包括配電系統(tǒng)防雷、自控系統(tǒng)防雷、構(gòu)筑物防雷、接地處理等方面。