水利工程電氣自動化系統防雷技術研究

陳進錠

（東莞市水利勘測設計院有限公司， 廣東 東莞 523115）

0 引言

水利工程電氣自動化系統運行期間極易遭受雷電影響，輕則對系統運行穩定性造成影響，重則出現設備故障或引起人身傷亡事故， 因此加強電氣自動化系統防雷措施探索具有現實意義。傳統防雷措施相當單一，主要是進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， 電氣系統容量以及電壓等級不斷升高， 水利工程里電氣自動化系統需要面對的雷電襲擊種類也呈現出多元化特征， 故而結合各種可能會遭受的雷電襲擊種類， 進行防雷技術應用以及方案設計，使水利工程得到穩定安全運行非常重要。

1 電氣自動化系統在水利工程的應用

現階段水利工程自動化系統主要采取二層或三層分布式系統結構，其中第一層屬于現地測量控制層（即現地單元層），第二層屬于集中監控層（即主控單元層），第三層屬于生產調度管理層（即管理單元層），系統不同單元的測控計算機經TCP/IP 高速以太網相連，主控級、現地單元級經環網或以太網相連， 網絡介質選擇的是網線與光纜充分結合的形式。 因電氣自動化控制系統的層次和布局清晰，所以可結合各部位多樣化功能展開區別監測，靈活性和適應性均較強， 經數據模擬能夠實現水利工程的數字化監測，使監測及時性大大提高，為水利工程有序運行提供保障。 一旦水利工程主要部件發生故障，依靠電氣自動化系統能夠快速完成故障識別，發出警示信號，使維修者可盡快開展維修工作， 實現自動化運行水平以及質量的提升。

2 雷擊對水利工程電氣自動化系統的危害

2.1 直擊雷

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

2.2 球狀雷

球形雷主要產生于雷暴天氣里， 會發出刺眼的紅光或白光， 形態好似火球， 若所修建的水利工程有門窗通道、煙囪或細縫，球形雷則會在此類媒介作用下直接進入水利工程操作中心，對自動化設備造成破壞，故而與直擊雷相比，球形雷的危害性以及破壞力更強。

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作用，雷電波可能會順著此類管線侵進屋內， 引起設備損壞現象，甚至引起人員傷亡，為水利工程企業帶來嚴重損失。

2.4 雷電感應

雷電感性屬于相當常見的類型之一， 又包括電磁感應和靜電感應兩種， 雷電感應為雷電和導電物體相互間產生的一類化學感應， 一旦雷電和自動化設備金屬物件形成感應則產生火花或火球， 并為自動化設備帶來無法逆轉的損害。

3 水利工程電氣自動化系統防雷技術分析

3.1 使用屏蔽與接地技術

接地：電壓與電阻相互間屬于正相關關系，若接地電阻越小，那么過電壓則越低，因此需通過科學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備應與其它動力裝置同時接地網， 若條件允許還可直接與防雷接地網相連。 中控室里需進行均壓帶與環形接地母線敷設， 同時需進行接地網的設備裝置安置， 并經放電器或擊穿保護器來和工程地網相連確保遭受雷擊時可平衡電量。

屏蔽：中控室的金屬地板和鋼筋需進行焊接，從而讓雷電電磁干擾得到最大程度的控制，若工程規模較大，對電氣自動化設備要求也更高， 因而應進行金屬屏蔽網敷設，讓環形接地母線與金屬屏蔽網均勻相連，室外通信電纜與架空電力線均需更換為屏蔽電纜， 室外通信電纜應做到兩端接地。電纜抵達室內前應做好相關屏蔽工作，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行壓敏電阻安裝， 提高防雷效果。

以下對屏蔽和接地技術使用效率展開試驗解析。 在防雷技術里，接地和屏蔽項目二者相互相成。依照屏蔽效能根本原理，屏蔽體的網格間距和接地情況，會影響屏蔽體對電磁波的效率。 此次試驗里依靠浪涌發生器的輸出端進行干擾源模擬，電感線圈作受擾原，對網格間距以及接地電阻值進行改變， 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。 試驗期間制作4 只鋼絲所制的規格是40cm×40cm×40cm 的法拉第籠， 網格間距分別是5cm，3cm，2cm，與一個銅皮所制的同規格盒體。試驗使用的浪涌發生器型號是ICGS，形成的模擬雷電流是10/350μs 波形，通流10kA、20kA、30kA、40kA、50kA 幅值，籠體經一只變阻器接進阻值是0.03Ω 的地網里。纏繞一只采樣電感，N=30，F=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。 試驗連接見圖1。

圖1 屏蔽效能的試驗示意圖

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

圖2 網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，感性電壓會降低；②法拉第籠網格間距關系到屏蔽效果，間距越小可產生更好的防雷效果；③網格間距在3cm 以下時效果改變不明顯，這和感應雷電波波長存在關聯。

圖3 中對接地電阻改變對屏蔽影響情況進行了描繪， 在變阻器調節作用下， 接地阻值依次是0.1Ω、0.5Ω、1Ω、2Ω、∞Ω 量級，網格間距始終維持在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使用時務必要具備良好的接地， 屏蔽體網格與接地電阻阻值均應盡量小，且滿足成本規劃要求。

3.2 進行新型避雷器安裝

將新型避雷器在室內外進行安裝， 可讓不同類別的雷電沖擊受到抑制，發揮多重防護功效。 同時，水利工程電氣自動化系統使用過程中還可經三合一防雷器安裝的形式來進行防雷，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成， 結構上主要為多級串聯，使用期間需做好和地面的連接，能夠在電氣自動化系統中發揮良好的防雷功效。

3.3 增設瞬態電壓控制器

瞬態電壓控制器即TVS，屬于二極管結構樣式，因而可作為高能效保護器件在水利工程電器自動化系統中進行應用。TVS 管工作原理即兩端遭受瞬間高能量沖擊時，則以極高的速度（最高達1×10-12s）使其阻抗快速下降，并且吸收一個大電流， 把兩端間的電壓箝位于一個預定數值，使得后面的電路元件不受瞬態高能量沖擊受損。在電源線或信號上進行TVS 管安裝， 防控因靜電放電效應與電源開關產生噪音而誘發失靈， 靜電放電效應所釋放的脈沖能夠高達60A，電壓也可在10000V 以上，時間能夠長達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 管則不會產生該情況，通過對強大脈沖進行吸收，使得總線相互間干擾被消除。

3.4 增設電壓保護單元

雷擊會讓電氣設備出現電感效應， 效應形成的波能可直接對線路與UPS 設備造成破壞，即便UPS 設備自身能夠發揮一定的過電壓保護作用， 然而雷擊形成的高壓與功率相當高，設備自帶電阻不能對高壓電流給予阻止。要使該現象得到解決，應進行四級保護設置，如三級氣體放電管、TVS 管、限流模塊、壓敏電阻安裝等，實現安全科學的防雷系統建構，使得雷電電壓與電流作用被削弱，發揮過電壓保護功能。

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措施， 還需結合工程實際需求， 全方位使用多類防雷措施， 進行全面化、立體化、整體化雷電防護網建構。具體實踐時，能夠將接地和屏蔽保護視作基礎防雷措施， 于其它電器設備以及系統里進行防雷裝置配備。如：配電變壓器防雷時則可將類似金屬氧化物的避雷器安裝于高低壓側， 并和接地母線相連，實現三點一線保護系統建構。又如通訊系統防雷時進行電壓保護器安裝，避免高壓電流竄進設備系統。遠程終端控制設備防雷時，因和顯示屏存在一定的間距，因而需進行網線與電線架設， 故而需對信號線進行過電壓保護器安裝，使得防雷安全性大大增強。

4 結束語

雷電作為威脅水利工程信息化管理安全性的自然災害之一，所帶來的后果相當嚴重，故而在電氣自動化系統大力應用于水利工程日常運行的趨勢下， 通過多項防雷措施的使用來使系統安全正常運行非常重要。 以上只是結合工作實際給出的幾點愚見， 在后續研究中將繼續致力于這方面展開深入探索， 力求能總結出更多可行的防雷方法， 使得電氣自動化系統在水利工程應用中發揮更大價值，使我國水利工程自動化水平得到進一步提升。