恰甫其海大壩安全監測系統雷擊影響分析及防護措施

張阿峰

(新疆伊犁河流域開發建設管理局 烏魯木齊 830000)

雷電災害是國際公認的十大災害之一，其破壞通道多樣，有空間通道、信號通道、電源通道、地電位反擊通道和高電位沖擊通道等。因此，單一的電器設備是無法滿足防雷要求的，尤其是弱點設備。當建筑物或電器設備遭受雷擊后，巨大的雷電流在周圍空間產生迅速變化的磁場，這種強磁場能在其附近的金屬導體上感應出很高的電壓，當磁感應強度大于0.07×10－4T、磁場強度達5.6A/m時，就會對設備產生破壞，因此采取有效的屏蔽防雷措施十分重要。

1 概況

1.1 工程概況

恰甫其海水利樞紐工程由粘土心墻壩、表孔溢洪洞、中孔泄洪洞、深孔排沙放空洞、發電引水系統、水電站廠房、開關站等主要建筑組成，為大(1)型Ⅰ等工程。最大壩高108m，壩頂長度362m，壩頂寬12.0m，上游壩坡1:2.5，下游綜合壩坡1:2.33。2005年6月，水庫下閘蓄水，2007年8月，主體工程完工。恰甫其海水利樞紐工程是一座以灌溉為主、兼顧防洪和發電綜合利用的水利樞紐工程。

1.2 監測系統概況

恰甫其海大壩安全監測自動化系統由硬件設備和管理軟件系統兩部分構成。其中，硬件設備由壩區測量與控制單元(DAU)系統和通信傳輸系統構成，管理軟件采用南瑞DSIMS4.0大壩安全信息管理系統。

工程現場共有10個監測站，其中，壩體設置8個測站、發電洞閘房設置1個測站、深孔工作閘房設置1個測站。共安裝智能型數據采集單元(DAU2000)19個、NDA數據采集模塊36個，包括NDA1523模塊6個、NDA1104模塊11個、NDA1403模塊9個、NDA6500模塊7個、NDA1303模塊1個、NDA1514模塊1個、NDA1603模塊1個。各測量單元之間均采用RS485通訊線傳輸通訊信號。

2 系統運行狀況

恰甫其海大壩安全監測自動化系統于2006年7月完成了全部設備的安裝和調試，9月基本實現遠程控制操作。至此，自動化系統全面采用“定時測量為主，實時測量為輔”的測量方式投入運行，各監測儀器均能正常工作。但受天氣和環境的影響，仍有部分設備出現不同程度的故障。截至2008年底，安全監測自動化系統共發生硬件故障27起。其中，受雷擊造成的模塊設備損壞故障12起、電源保險損壞故障7起，兩項之和占總故障的70%，并且多發生在壩體測站。

可見，壩體測站內的設備易受雷電感應電波影響，且自動化系統設備的防雷系統并未發揮良好作用。為保障自動化系統的正常運行，防止設備的雷擊損壞，應及時對工程現場的防雷措施進行改造。

3 雷擊影響分析

3.1 壩址地理環境

恰甫其海壩址位于兩河匯合口下游約300m處，該段河谷狹窄，呈“V”形，河床寬25～45m，1000m高程處谷寬200～320m。壩址兩岸基巖裸露，岸坡高陡，為梳狀地形，強風化層厚度5～8m，弱風化層厚度25～35m，強風化層至弱風化層上部巖體透水率 q=3～10Lu，屬中等透水層。山體巖石裂隙水主要賦存于強風化層和弱風化層的上部，以下水量甚微。

壩區多年平均氣溫8.8℃，極端最高氣溫39℃，多年平均降水量334.02mm，相對濕度68%，多年平均雷暴日數為40天，屬于多雷區域。

由于壩體兩岸山體較高，山體積雪融水和降雨均會在透水層形成裂隙水并滲進壩體，從而直接影響到壩體。地處多雷區域的山體，在雷雨天氣影響下經常起到了引雷和傳遞感應電流的作用。

3.2 雷擊成因分析

3.2.1 裂隙水引起的雷擊損壞

恰甫其海右岸山體裂隙較大，雨水很容易通過裂隙滲流進壩殼料中，而水是良好的導體，在山體受到雷擊影響時，雷電流可通過裂隙水直接侵入到壩體，并在壩體形成較大電位差，使壩體監測站之間產生高壓電位，從而導致監測站內電源模塊、數據采集模塊和中繼器等設備的損壞。

3.2.2 電源浪涌造成的損壞

電源浪涌并不僅源于雷電，當壩區供電系統出現短路故障或切換大負荷時均會產生電源浪涌。恰甫其海大壩安全監測系統主電源線路與壩區照明電路及閘門啟閉設備的高壓動力電源一同置于右岸坡面的電纜溝。當出現雷雨天氣時，潮濕的電纜溝區域很可能形成感應電流，使主電源線產生浪涌，在日常的閘門啟閉設備投運時也會造成較大感應電流對主電源線產生浪涌，使監測站內電源模塊和保險設備損壞。

3.2.3 壩區通信線引起的雷擊損壞

恰甫其海大壩表面共布設了8個監測站，壩頂均勻設置了5個監測站，壩后坡980m高程處、960m高程處和壩踵分別布置了1個監測站，各監測站之間利用RS—485通信線，采用并聯方式進行數據傳輸。

由于壩體區域地質條件較為復雜，且壩體觀測房分布較散，因此監測站之間的通信線有可能處在雷電感應區域，雷電有可能通過潮濕的山體直接感應通信電纜。因通信屏蔽線的材質為銅，不能夠有效屏蔽雷電感應的磁場，雷電產生變化的強電磁場也同樣會在通信線上產生較強的感應電流，導致監測站內測量模塊的損壞。

4 雷擊風險評估

4.1 雷擊次數

恰甫其海壩體建筑物年預計雷擊次數為

其中

以上式中 K——校正系數，取1.5;

Ng——雷擊大地的年平均密度，次/(km2·年);

Td——年平均雷暴日，(天/年);取 40天/年;

Ae——相同雷擊次數的等效面積，km2;

L、W、H——建筑物的長、寬、高，m。壩體建筑物入戶設施預計年雷擊次數為

式中 A'e1——入戶電源線截收面積，km2;

A'e2——入戶信號線截收面積，km2。

按照GB 50343—2009《建筑物電子信息系統防雷技術規范》附錄的規定，將各項數據代入式(1)～式(4)可得建筑物及入戶設施預計年雷擊次數為

4.2 風險評估等級

根據壩體建筑物結構、重要程度，耐沖擊類型、所處雷電防護區、發生雷擊事故的后果及雷暴等級等確定各類因子之和C=6.2。因直擊雷和雷擊電磁脈沖引起的設備損壞的可接受的最大年平均雷擊次數為

將式(5)和式(6)數據代入防雷裝置攔截效率公式，得

按照規范確定的防護等級，恰甫其海壩體建筑物雷電防護等級定為A級，因此需對各監測站房設置電源和通信的多級防護。

5 防雷措施

為防止雷擊對恰甫其海大壩監測設備的影響，必須在現場進行有效的防雷技術改造。由于監測站之間的電源線和通訊電纜在施工期均已填埋成永久電纜，無法再對其走線進行重新分布，因此根據雷擊成因和地理環境采取增設防雷設備和設置小型接地網的措施來消除雷電感應的損壞。

5.1 雷電波防護措施

在壩體觀測房總電源接入處安裝通流流量為波形30ka的浪涌穩壓保護器，作為電源防護的第一級保護措施，在壩體各觀測房內增設隔離變壓器并安裝菲尼克斯VAL—MS320/1+1電源防雷器，作為電源的第二級保護措施，以防止雷電波通過電源線路對設備造成損壞。由于各監測站之間采用有線通訊，為防止通訊線受雷電波的影響并考慮通訊的實時傳輸性，在總通訊線路上安裝一臺NDA3200防雷中繼器，防止通訊電纜遭受雷電感應產生電流對設備的損壞。

考慮壩體內部埋設的測量傳感器會受到雷電感應的影響，在各監測站的測控單元DAU內安裝NSPN80防雷模塊，以有效防止傳感器信號線中的雷電感應電流對測量模塊NDA的影響。

5.2 等電位措施

采用SS形等電位設計技術，在壩體各監測站房內設置接地母線排，監測站內的電源均接到接地母排上。連接采用25mm2截面銅芯絕緣電纜，支線接地應為不少于16mm2截面的銅芯絕緣電纜。另外，對監測站房的金屬門窗進行了電氣連接，將高低壓進出電纜金屬外皮和通訊信號線金屬外皮進行接地處理，以達到設備等電位的要求。

5.3 接地措施

為實現監測站內設備的接地完善，在壩踵處設置若干小形接地網。接地網由金屬網格扁鐵焊接而成，且與廠房輸變電防雷接地網相連接。各監測站內的設備接地線均通過電纜溝內的扁鐵與接地網連接。

5.4 設備布置措施

將監測站房內測控單元DAU箱的各類接線進行整理檢查，嚴格將進出的高低壓線分開布置，并把箱內帶保險絲的接線端子更換成帶閘刀式開關的接線端子，以保證防雷裝置對總線高電位的持續有效。安全監測自動化系統防雷設置見下頁圖。

6 結語

恰甫其海大壩安全監測自動化系統自2009年初完成防雷改造后，在2年的運行過程中未發生測量模塊遭受雷擊損壞的現象，各監測設備均運行正常。可見，防雷改造措施對監測設備起到了很好的保護作用，保證了監測系統的穩定運行。同時，為下游反調節水庫自動化監測系統的防雷設計提供了借鑒。

1 喬國林，陸勤.電子信息系統的雷擊風險與雷電防護［J］.工業安全與環保.2008(11).

2 楊仲江.防雷工程檢測審核與驗收［M］.北京:氣象出版社，2005.

3 季海.雷擊風險評估在電子信息系統雷電防護中的作用和評估方法探討［J］.廣西氣象.2006(12).