水利工程信息控制系統雷擊分析

黃為民

廣州市水務工程建設管理中心

水利工程信息控制系統雷擊分析

黃為民

廣州市水務工程建設管理中心

水利工程信息控制系統逐步廣泛應用到水利工程過程中，由雷擊造成的信息控制系統組成元器件的損壞日益增多。文章先介紹了水利工程信息控制系統的組成與結構，從其組成和結構入手結合雷擊的各類方式，分析了累計對信息控制系統的破壞作用，從雷擊原理上為其防雷措施提供了思路。

水利工程信息系統雷擊

引言

近年電子技術和計算機技術的廣泛應用已深入到水利系統，并形成具有其專業特色的水利工程信息系統。用于監測工況、水文、地震等眾多與水利設施相關參數。對取得參數進行智能分析、處理、傳遞，使決策者能準確、及時、科學地作出決策。水利工程信息系統有眾多高科技儀器及半導體電子器件加計算機網絡組成，雷電引至的過電壓，最容易對這些設備造成破壞。如令排洪閘失控或各種檢測數據錯誤或調度失當，造成事故或錯失經濟效益。分析雷電對水利工程信息控制系統的破壞機理，保護這些嬌貴的電子器件安全準確運行就是水利工程信息控制系統防雷課題任務之一。

1　水利工程信息控制系統結構

水利工程信息控制系統按功能劃分有幾大部分：負責監測、采樣的傳感器部分；負責信號傳輸、控制線路部分；執行指令部分；閉路電視系統、無線電收發系統、電源部分。圖1是某水庫信息系統的基本結構。

圖1　水庫自動監測系統組成和功能方框圖

以上系統通過布設在流域各采樣點的雨量計，取得庫區實時雨情累計雨量，并經計算機與庫存水位對比得出水位預測，發電、泄洪指令將據此做出判斷。它還對大壩承受壓力，地層溫度、水平、垂直位移、裂度、撓度、滲漏等實時監測，將數據與歷來數據進行對比，自動發出各種指令性信號，如向水庫區及有關部門發布水位情報、險情、搶險動員警報、庫區人員緊急疏散警報，分析累積數據，可為大壩維修，加固提供可靠數據。

智能化監測系統能使決策準確，及時，執行迅速，這是確保人民生命財產安全、發揮設備效益的有效措施，又是充分發揮水利工程經濟效益的手段。所以水利工程設施的信息智能系統安全、可靠運行是至關重要的。

2　水利工程信息控制系統雷擊分析

實踐證明，水利工程監控信息系統各部雷害來源主要是以下三個途徑∶一是電源線引入；二是信號線引入；三是地線和零線反擊。

2.1雷電從電源線引入

低壓輸電線受到直擊雷襲擊的幾率較少，由電源線引入的雷害往往是直擊雷擊中高壓架空線，雷電從高壓端經過變壓器耦合至低壓端，傳輸到網絡把設備擊毀；另外是變壓器高壓線被雷擊，雷電波通過高壓避雷器引入地線，而地線又與變壓器外殼和低壓的系統PEN 線相接，雷電波便會進入網絡［1］。

2.2感應過電壓侵入電源線和信號線

在電源線和信號線（尤其是架空的導線）附近發生空對地閃擊，或者空對空即雷云對雷云之間發生閃擊都會發生電流對時間一次導數的電磁浪涌，它們通過空間以無線電波的形式傳播，這種電磁波在金屬導線中感應的電勢往往可以達到幾千伏乃至幾萬伏，如圖2所示，雷擊某避雷針時，避雷針引下線附近有電路L，它與避雷針引下線之間的互感為M，在L線回路兩邊將發生感應電壓［2］：

圖2　雷電流的電感效應

其中X1為線路L的一邊與DC的距離，X2為L的另一邊與DC的距離，把（2）代入（1）得L回路感生電勢：

其中I為雷電流 i 的峰值。當避雷針引下線與L電路不平行而成夾角α時，（3）再乘以 L 回路對 D C 的投影，即：

其中：I—雷電流；

u—引下線的電壓；

DC—引下線；

L—與引下線之間的互感為M的金屬環路；

l--金屬環路導線的長度；

uI=M（di/dt），電感性感應電壓。

2.3雷電從地線、零線反擊與共地網措施

人類對接地網技術的認識是循序漸進的，關于信息系統的接地到底應該與電源系統的接地分開成兩個接地網還是共用一個接地網的問題是爭論了幾十年的老問題。但是，當時使用的電子管，瞬時的過電壓和過電流的耐受能力較強；然而90年代以后通信技術有很大提高，普遍采用晶體管和集成電路，這些器件對瞬間的過電壓、過電流沖擊的耐受能力很脆弱，同時信號的形式基本上都采用了數字通信，都是以“1”、“0”作為信息碼，在計算機網絡通信中，通常“1”為5V，“0”為0V在“0”與“1”之間有很大寬裕范圍，所以它的抗干擾能力很強。只要設計合理，50赫茲交流電源殘余電壓的干擾一般不會影響它的工作可靠性，反而電源接地與信號接地分開時，每當雷擊的時候，兩個地網之間的電位差往往會使計算機網絡的調制解調器和網卡損壞。

近幾年來國際電工委員會第81技術委員會的IEC 1024--1：1900文和我國的《建筑物防雷設計規范》（GB50057-94）都明確指出以上接地應該采用同一個地網，或把原來分開接地的幾個地網連接起來成為統一的接地網。新的接地要求來了一個180°大拐彎。其根據是：假定在某一通信設備（如計算機網絡的調制解調器、網卡等）內有這樣一塊電路板，其信號輸入端 A 和電源輸入端B（圖3），如果都有自己的不同接地系統，并且兩個接地系統之間沒有電的聯系。當工作系統所在的大樓或大樓附近落雷，那么落雷點將有很強大的電流入地，這時地面上將形成一個電場，假定土壤電阻率是均勻的，那么地面上電場的等位線將為一組同心圓，如圖4所示。

圖中c點是雷電流入地點，a、b點分別為A、B接地點上的電位，即圖中信號輸入端和電源輸入端的電位。如果把雷電流輸入點c看作是點電源，則地面各點的電位與c點的距離成下式（5）的關系，根據電磁場理論，地面上某點電壓：

式中r為測試點之間 的徑向距離（如圖3中的電源輸入端B和信號輸入端A），因此兩接地線a、b之間的電壓：

圖3　不同接地系統的通信設備示意圖

圖4　雷電流入地時地面上的等電位電場

式中∶ρ—土壤電阻率Ω·m

I—雷電流的峰值，A平均30KA，最高達200～300KA。

所以Vab很容易達到幾千伏乃至幾萬伏，即一塊線路板上兩個接地系統存在這樣高的瞬間電壓，線路板上的元件當然很容易被擊壞，如果兩個系統合用同一個接地網或把兩個接地系統之間用導線連接起來使其等電位，那樣上述Vab高電壓就不存在了，線路板被擊穿的可能性便大大降低［3］。

結束語：

水利工程信息控制系統逐步廣泛應用到水利工程過程中，由雷擊造成的信息控制系統組成元器件的損壞日益增多。文章在水利工程信息控制系統的組成與結構的基礎上，分析了水利工程監控信息系統各部雷擊的三個主要來源∶一是電源線引入；二是信號線引入；三是地線和零線反擊。詳細總結了各來源雷擊的破壞原理，為防雷措施的選擇提供了參考基礎。

［1］ 邱毓昌，施圍，張文元.高電壓工程［M］. 西安：西安交通大學出版社，1995

［2］ 邱關源等.電路（第三版）［M］. 北京：高等教育出版社，1989

［3］ 呂仁清，蔣全興.電磁兼容性結構設計［M］. 南京：東南大學出版社，1989