船閘集中控制系統(tǒng)防雷研究

禤德釗

（廣西西江開發(fā)投資集團有限公司，南寧 530022）

1 概況

當前，廣西西江開發(fā)投資集團有限公司已經(jīng)實現(xiàn)對廣西境內(nèi)長洲、桂平、貴港、西津、邕寧、老口、金雞灘、魚梁、老口、大藤峽、紅花、金雞灘12個梯級19座大型船閘的統(tǒng)一聯(lián)合調(diào)度，其中11座船閘的設備實現(xiàn)統(tǒng)一集中控制，實現(xiàn)集中控制的船閘現(xiàn)場運維人員較以往大幅減少，實現(xiàn)了“無人值守、少人應急”運行值班模式。西江流域大部分船閘周圍都是開闊地帶，且處于強雷區(qū)，大部分船閘的年雷暴日數(shù)超過90 d，因此船閘的建筑物和電氣更易遭受到雷擊損壞，船閘控制系統(tǒng)很多設備安裝于船閘的水面區(qū)位，進而潛在性地推高了控制系統(tǒng)設備遭遇雷擊破壞的幾率，有時偶然一次雷雨過程，就會造成數(shù)個梯級船閘的工業(yè)電視系統(tǒng)攝像頭損壞、廣播系統(tǒng)無法正常播音、控制系統(tǒng)機電設備不能正常啟動等情況，導致應急維護人員疲于應對，不能在短時間內(nèi)修復船閘控制系統(tǒng)損毀的設備，造成船閘通航受阻，且在一定程度上也增加了船閘運維成本，造成經(jīng)濟損失。

本文通過對多個船閘現(xiàn)場防雷應用的經(jīng)驗及效果進行分析，綜合考慮在復雜環(huán)境條件下如何減輕雷擊造成的影響，降低設備故障率，確保船閘設備正常運行，據(jù)此提出防范雷電災害的綜合防護措施、建議。

2 雷擊的主要危害形式

（1）直擊雷。雷電直接擊在閘區(qū)露天電氣設備上，或直接擊在架空線纜上，由于電磁效應、熱效應和機械效應等混合力作用直接對設備造成損壞，這種雷擊方式造成的破壞最嚴重，但出現(xiàn)幾率比較小。

（2）感應雷。感應雷是雷云之間的雷電或雷云對地放電，靠近外部傳輸信號線，埋入電線，設備之間的連接線產(chǎn)生電磁感應并侵入設備，造成串聯(lián)在線路中的電子設備損壞，分為電磁感應和靜電感應。當閃電發(fā)生時，周圍會產(chǎn)生強大的瞬態(tài)電磁場。電磁場中的監(jiān)控設備和傳輸線檢測到可能損壞連接設備的顯著電動勢。一般來說，對于線路，在一定強度的雷電云下，低壓架空線路可以感應100 kV 的過電壓，在電信線路上也可以感應40～60 kV 的過電壓，這是電磁感應。當帶電雷云出現(xiàn)時，雷云下的建筑物、控制設備和輸電線路會產(chǎn)生與雷云相反的電荷，產(chǎn)生瞬時浪涌。這種現(xiàn)象稱為靜電感應。感應雷電對設備外觀造成的損壞不是直接雷電造成的，但通常會導致設備內(nèi)部電子部件損壞，導致設備運行異常。這種類型的感應閃電最常見。

（3）雷電波侵入。射線或感應可導致射線波，其特征在于雷電不能直接放置在建筑物和放電設備中，但在建筑物外的電線、放電信號傳輸控制系統(tǒng)或其他金屬電纜室中，以沿電纜線路的浪涌速度或接近浪涌速度，電纜兩端控制系統(tǒng)設備的入侵和危害。當閃電導致接地網(wǎng)絡的接地電位升高時，高壓通過地面設備的接地線反向引入設備，造成反擊傷害。

3 船閘設備控制系統(tǒng)防雷措施

船閘主體建筑物如閘室、現(xiàn)地機房、引航道等通常都布有接地網(wǎng)、接地帶且已形成統(tǒng)一的等電位連接體，保證導電物體之間不產(chǎn)生有害的電位差，完善的等電位連接還可以防止閃電電流入地造成的地電位升高所產(chǎn)生的反擊?？刂葡到y(tǒng)設備可以在此區(qū)域等電位基礎上根據(jù)具體子系統(tǒng)自身特點分類采取針對性的綜合防雷措施。

3.1 直擊雷的防護

通常的做法是使用避雷針、避雷帶、避雷線、避雷網(wǎng)或金屬屏蔽作為棘爪接收器，接收雷電電流并將其引導至由金屬導體埋置的接地裝置，金屬導體將導線引導至地面。

船閘集中控制系統(tǒng)前端設備有室外和室內(nèi)兩種分布方式，室內(nèi)分布的一般不會受到直擊雷擊，但需考慮防止雷電過電壓對設備的侵害，而室外的設備則同時需考慮防止直擊雷。

前端設備如工業(yè)電視系統(tǒng)的攝像頭，廣播系統(tǒng)的音柱和喇叭，控制系統(tǒng)的水位計、信號燈等應置于避雷針或金屬防護罩有效保護范圍之內(nèi)，避雷針保護高度根據(jù)滾球法確定，但避雷針接閃過程中容易在被保護物體上形成感應電流，不適合獨立保護弱電設備，在實際使用中需要采用多級防雷系統(tǒng)進行綜合保護。對于已經(jīng)在避雷針保護區(qū)內(nèi)的前端設備或其他避雷針或相鄰較高建筑物的防雷系統(tǒng)，通常不再考慮直接防雷；對于未包含在防雷系統(tǒng)中的前端設備，應考慮直接防雷。電網(wǎng)線路、電線鋪設在電纜通道中，因此不太可能發(fā)生直接雷擊。

船閘根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境特點，對部分關鍵設備采用球面防護罩防雷，球面設計改變了磁場和電荷的分布，使其相對于避雷針更不易引雷，大大降低遭受雷擊的風險。

貴港船閘則采用電暈場驅(qū)雷器，無需電源、利用雷云電場自激發(fā)電暈放電，在電暈場驅(qū)雷器及被保護物體上方形成電暈屏蔽層，有效削弱雷云電荷和阻斷雷云電荷與被保護目標之間的雷擊通道導通，進而有效保護被保護目標，起到了良好的防雷驅(qū)雷效果。

3.2 感應雷的防護

雷擊產(chǎn)生的瞬變電磁場會影響電子設備的電磁作用，對封閉的金屬回路產(chǎn)生壓電流，對開口的金屬回路產(chǎn)生感應電動勢。由于雷電電磁脈沖的作用十分強烈，感生的電壓可能很高。經(jīng)地線入地的雷電流會導致地網(wǎng)電壓升高，在接地系統(tǒng)中各接地點間產(chǎn)生很大的電壓差，它們都可能對自動化設備造成干擾，輕則影響正常運行，嚴重的則會引起設備損壞。

如長洲三線四線船閘、桂平一線二線船閘、那吉船閘曾遭受多次感應雷襲擊，瞬態(tài)過電壓致使廣播網(wǎng)絡終端、廣播功放、PLC控制器及攝像機等均遭損壞。為此對船閘集中控制系統(tǒng)的電源、信號線路分別設置防雷裝置。

3.2.1 信號防雷

在信號傳輸線路中，最基本的做法是采用屏蔽線纜，并在設備前端加裝對應的電涌保護器（SPD），用來保護后續(xù)設備，防止雷電波從信號線路涌入損傷設備，同時信號線路還需根據(jù)設備接口形式、工作電壓、阻抗特性、功率等參數(shù)要求，選擇適配的信號線路SPD：

PLC 控制系統(tǒng)通訊（如DP、MB+等）基于RS485的現(xiàn)場總線電纜一般采用專用屏蔽雙絞線，雷電在此處瞬時感應電壓約l～2 kV，因此可能會造成較大的損害，可采用在設備接口兩端加裝RS485通訊專用信號SPD，當通信電纜感應雷產(chǎn)生瞬態(tài)過電壓時，感應雷電流通過SPD支路經(jīng)接地裝置泄放到大地。

無線基站的天線饋線可在設備接口加裝饋線SPD，抑制從天線引入的雷電波，它采用波道分流技術(shù)，將雷電流和有用的信號分開。當受到雷擊時快速有效地將感應雷電流通過雷電支路泄放到大地。

廣播系統(tǒng)的音頻信號線路采用音頻信號SPD。部分區(qū)域廣播還采用中間繼電器進行隔離，僅在有廣播時自動接通，無廣播時切斷現(xiàn)場音柱與功放的線纜連接，盡可能地保護好主要設備。

控制系統(tǒng)和工業(yè)電視系統(tǒng)的以太網(wǎng)信號線路可在網(wǎng)絡接口處加裝以太網(wǎng)信號SPD。

控制系統(tǒng)的模擬量信號如水位計、開度儀、液壓泵站傳感器等加裝模擬量信號SPD。

針對同軸電纜的工業(yè)電視系統(tǒng)也有專用的視頻、控制、電源三合一綜合SPD，具備一體化防浪涌設計，能很好地平衡各線路電位差，有效防止因視頻、控制、電源線等電位差瞬時增大而造成的設備損壞。

桂平一線二線船閘、那吉船閘控制系統(tǒng)即是通過增加光端機、專用SPD、光纜等材料，將基于RS485 通信的現(xiàn)場總線同軸電纜更換為光纜通訊，并將光纜內(nèi)2 根牽引鋼絲短接為一體做好接地處理，以均衡電位，防止接頭處產(chǎn)生電弧放電。對于光端機和放大器等做好電源的可靠防雷及接地。經(jīng)過改造后的控制系統(tǒng)明顯提高了抗雷擊防護能力。

3.2.2 電源防雷

控制系統(tǒng)的電源線應考慮不少于3級防雷。第一級安裝在電源箱中，IN=40 kA SPD電源。第二層安裝在機房控制柜中，IN=20 kA SPD電源。第三級對精密設備采取最終級保護措施，交流電源在設備前部采取添加IN=10 kA SPD電源，直流電源在設備電源輸入端采取添加SPD DC電源。

攝像機電源通常使用AC220V或DC12V。攝像機由直流變壓器供電。單相SPD 電源必須串聯(lián)在直流變壓器的前部。如果直流電源的傳輸距離超過15 m，攝像機端部也必須與低壓直流SPD連接。

如果無法進行分級電源浪涌保護，建議在機房、室內(nèi)安裝三相B+C 型電源，并在UPS 電源前安裝單相SPD串聯(lián)電源，作為電源線的第三級保護。

3.2.3 雷電波入侵防護

控制系統(tǒng)防雷方式應采取信號及低壓電源線路全程穿金屬管埋地敷設，金屬管兩端務必做好有效接地，當采用架空線時，在進入建筑物處應采用一段長度不小于2 m 的金屬保護管埋地引入，并加裝相應的防雷SPD。進入建筑物時，金屬管道必須連接到超導設備上。一個100 m的圓圈中的建筑必須經(jīng)過25 m 左右。抗沖擊面料不應超過20 Ω。安裝在下水道中的金屬管道也必須在建筑物入口處連接到地面。所有這些緊固件應盡可能多地由鋼混凝土或用作地板支撐的金屬底座制成。

3.2.4 有效接地

接地是防雷系統(tǒng)中最基礎的環(huán)節(jié)，也是防雷安裝驗收規(guī)范中最基本的安全要求，無論哪種方式的防雷保護，都必須具備有效的接地，才能將雷擊帶來的過電壓、過電流在未達設備最大耐受電壓、電流之前，就已經(jīng)泄放到了大地。設備的接地線應盡可能就近，盡可能短。接地裝置具有接地電阻要求。控制系統(tǒng)的接地電阻不得大于4 Ω。

3.2.5 日常保養(yǎng)與維護

設備的接地電阻需定期進行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)阻值偏大，要立即進行降阻處理，防范于未然，保障防雷設備在需要的時刻能發(fā)揮應有的作用。定期檢查每級電涌保護器的本體工作狀態(tài)：運行指示燈、熔絲或其斷路器保護動作等是否正常。

4 結(jié)語

上面只是簡單研究分析了一些在船閘集中控制系統(tǒng)上的防雷措施，這些措施近年在西江聯(lián)合調(diào)度船閘控制系統(tǒng)升級改造中進行了推廣應用，并取得了良好的效果，設備故障及損毀率都明顯下降。

真正的船閘系統(tǒng)性防雷是一項比較復雜的工程，不是依靠某一種防雷設備或防雷措施就能完全消除雷擊造成的影響，必須針對雷害入侵途徑，以及可能產(chǎn)生雷擊的因素進行排除，采用接閃、等電位、屏蔽、接地、分流等綜合防治措施，才能使船閘集中控制系統(tǒng)最大限度免受雷電襲擊，有效保障船閘全天候暢通運行。

在做好船閘集中控制系統(tǒng)防雷措施的同時，還需提高對雷電的實時監(jiān)測及數(shù)據(jù)分析處理，必要時安裝閃電接收實時報警裝置，根據(jù)閃電分布及發(fā)展情況提前啟動防雷應急預案，乃至短暫關閉控制系統(tǒng)，以減輕雷電造成的損失。