合浦水庫自動化監測系統防雷探討

劉祚東

（廣西北海市合浦水庫工程管理局 536125）

合浦水庫自動化監測系統防雷探討

劉祚東

（廣西北海市合浦水庫工程管理局 536125）

本文詳細分析了合浦水庫自動化監測系統的防雷措施，供同行參考。

大型水庫；自動化監測系統；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，灌區重要結瓜工程有清水江、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性大（一）型水庫群，有效灌溉面積達到70.1萬畝。為了能準確、及時提供水情、雨情、工情信息，為防汛調度和防洪搶險、抗洪救災指揮提供科學依據。2004年建成了合浦水庫自動化監測系統，主要由小江大壩安全監測、水雨情自動測報、閘門遙測和監控等三個部分組成。本系統采用由YCZ-2A-101數字遙測終端機、電腦和可編程控器PLC組成的集數據采集、過程控制和信息傳送于一體的監控網絡。由于這些設備部分安裝在野外，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，所以對自動化監測系統采取有效的防雷保護措施是非常必要的。

1 瞬間過電壓的產生

瞬間過電壓是指在微秒至毫秒之內所產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數秒及以上），瞬間過電壓有兩種產生途徑：雷擊和電氣開關動作。

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

（2）當電流在導體上流動時，會產生磁場存儲能量并與電流大小和導線長度成正比，當電器設備（大負荷）開關時會便產生瞬間過電壓而損害設備。

3 防雷措施探討

根據瞬間過電壓產生、危害途徑和自控系統大量采用高度集成化的CMOS電路和CPU單元及集控制、通訊、監測為一體以及設備安裝點多、分散面廣的特點，自控系統要盡可能降低雷電帶來的損失，就必須采取系統的、綜合的防雷措施。特別應從配電系統防雷、自控系統網絡線路防雷、構筑物防雷和合理接地等四方面著手。

3.1 自控配電系統的防雷

當雷擊輸電線或雷閃放電在輸電線附近時，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入自控設備的電源模塊，以及從配電線路感應到同一電纜溝內的自控網絡線上進入自控設備的通訊模塊，幾率比從天饋和信號線路進入的要高得多。因此配電線路的防雷是自控系統防雷的重要部分。

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

因此，用單一的器件或單級保護很難滿足要求自控設備對電源的要求，所以對電源防雷應采取多級保護措施，具體級數根據各自實際情況而定，為合浦水庫采用的三級保護方案（原有的高壓避雷器保留）。

第一級在變壓器二次側，主要泄放外線等產生的過電壓，其雷通量大，啟動電壓高（920～1800V）。第二級在各控制站PLC專用隔離變壓器前，主要泄放第一級殘壓、配電線路上感應出的過電壓和其它用電設備的操作過電壓、其電流通量居中，啟動電壓居中（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，對雷電波同樣有效。末級在PLC專用電源模板前，主要泄放前面的殘壓，完全可達到箝位輸出，其殘壓低，響應時間快。

3.2 通訊線、天饋線避雷

自控系統通訊線一般都采用特制屏蔽雙絞線（如DH+、MB+），并且一般在安裝時都是穿管直埋（或電纜溝）鋪設，所以雷電在此處的感應電壓不高（1～2kV）。但由于其直接進入PLC或計算機通訊口這一薄弱環節（正常電壓一般為正負5V、12V、24V、48V等），故損害也很大。計算機數據交換或通訊頻率是從直流到幾十兆赫茲（據系統而定），在選用避雷器件時一般都不采用氧化物避雷器，因為它的分布電容大、對高頻損耗大，除非對之進行特殊處理。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。選用此類避雷器時應以通訊電平和頻率或速率來確定，對于比較高頻的訊號便需要特殊設計的防雷器以確保其阻抗與該系統對應，否則會有信號反射的現象

3.3 中心站構筑物的防雷

中心站是控制和信息中心，集中了很多位重值高的計算機設備、通訊設備，大多數還有電臺和天饋線，是自動化監測系統監控、調度中心，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。

中心站所在構筑物應安裝避雷帶、避雷網，只安裝避雷針效果不好，因為合浦水庫構筑物高度雖低，但地勢空曠，天線塔高，部分設備在山區，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。中心站所在構筑物的接地電阻須小于10Ω。

有天饋線或通訊鐵塔的應安裝避雷針，并置于構筑物避雷網45°角內，避雷針以及通訊鐵塔的接地除用建筑物內鋼筋結構接地以外，還應單獨鋪設引下線引至構筑物接地網。如只采用構筑物鋼筋結構接地，因為在構筑物修建時其鋼筋焊接質量不一定能得到保證，雷擊時其均壓要求不能保證而易在構筑物內出現強磁場。構筑物外墻上的所有金屬門窗應接入構筑物的接地網。

3.4 合理接地

防雷的最終措施是“泄放”，因而對“接地”切不可輕心。一般的接地主要有構筑物接地、配電系統及強電設備接地、計算機自控系統接地。如這三種接地配置不合理，極易在雷擊時通過接地網對自控系統造成反擊。

計算機自控系統是一個特殊用電系統，它包括以下幾種接地：系統工作地（小于4Ω），直流工作地（信號屏蔽地、邏輯地等小2Ω），安全保護地（小于4Ω）。在安裝時難以分開（特別是對PLC系統），對這一系統采用聯合接地較好。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

要發揮良好避雷功能，防雷器應不會對保護的設備或線路造成任何干擾和中斷現象；具有低“通過”電壓（將瞬間過電壓降到設備能承受的范圍）；能承受高電流（二次感應電流一般不會超過10000A）；反復使用壽命長且具有狀態顯示。

我們知道，導線的電壓降主要取決于其電感值，而電感值受到長度和連接方法影響，我們采用以下方法來減少并聯防雷器的感性電壓：①盡量減少連接線長度（＜25cm），減少線路回圈，并將每組連接線綁扎以使其磁場相互抵消。②當連接線過長（＞25cm）時，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強度。串聯防雷器保證輸出線與輸入線、接地線盡量遠離，以免再次偶合感應。

4 結語

總之，由于計算機、PLC系統大量采用大規模CMOS集成電路和分散控制用的CPU單元，使其對瞬間過電壓承受能力大幅度減弱，同時控制系統各種線路伸入到水庫的各種環境之中，采用任何一種單一的防雷器件都有難以保證其安全，必須采取綜合防護的措施，對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。

TV697.1

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1004-7344（2016）14-0130-02

2016-4-28