恰甫其海大坝安全监测系统雷击影响分析及防护措施

张阿峰

(新疆伊犁河流域开发建设管理局 乌鲁木齐 830000)

雷电灾害是国际公认的十大灾害之一，其破坏通道多样，有空间通道、信号通道、电源通道、地电位反击通道和高电位冲击通道等。因此，单一的电器设备是无法满足防雷要求的，尤其是弱点设备。当建筑物或电器设备遭受雷击后，巨大的雷电流在周围空间产生迅速变化的磁场，这种强磁场能在其附近的金属导体上感应出很高的电压，当磁感应强度大于0.07×10－4T、磁场强度达5.6A/m时，就会对设备产生破坏，因此采取有效的屏蔽防雷措施十分重要。

1 概况

1.1 工程概况

恰甫其海水利枢纽工程由粘土心墙坝、表孔溢洪洞、中孔泄洪洞、深孔排沙放空洞、发电引水系统、水电站厂房、开关站等主要建筑组成，为大(1)型Ⅰ等工程。最大坝高108m，坝顶长度362m，坝顶宽12.0m，上游坝坡1:2.5，下游综合坝坡1:2.33。2005年6月，水库下闸蓄水，2007年8月，主体工程完工。恰甫其海水利枢纽工程是一座以灌溉为主、兼顾防洪和发电综合利用的水利枢纽工程。

1.2 监测系统概况

恰甫其海大坝安全监测自动化系统由硬件设备和管理软件系统两部分构成。其中，硬件设备由坝区测量与控制单元(DAU)系统和通信传输系统构成，管理软件采用南瑞DSIMS4.0大坝安全信息管理系统。

工程现场共有10个监测站，其中，坝体设置8个测站、发电洞闸房设置1个测站、深孔工作闸房设置1个测站。共安装智能型数据采集单元(DAU2000)19个、NDA数据采集模块36个，包括NDA1523模块6个、NDA1104模块11个、NDA1403模块9个、NDA6500模块7个、NDA1303模块1个、NDA1514模块1个、NDA1603模块1个。各测量单元之间均采用RS485通讯线传输通讯信号。

2 系统运行状况

恰甫其海大坝安全监测自动化系统于2006年7月完成了全部设备的安装和调试，9月基本实现远程控制操作。至此，自动化系统全面采用“定时测量为主，实时测量为辅”的测量方式投入运行，各监测仪器均能正常工作。但受天气和环境的影响，仍有部分设备出现不同程度的故障。截至2008年底，安全监测自动化系统共发生硬件故障27起。其中，受雷击造成的模块设备损坏故障12起、电源保险损坏故障7起，两项之和占总故障的70%，并且多发生在坝体测站。

可见，坝体测站内的设备易受雷电感应电波影响，且自动化系统设备的防雷系统并未发挥良好作用。为保障自动化系统的正常运行，防止设备的雷击损坏，应及时对工程现场的防雷措施进行改造。

3 雷击影响分析

3.1 坝址地理环境

恰甫其海坝址位于两河汇合口下游约300m处，该段河谷狭窄，呈“V”形，河床宽25～45m，1000m高程处谷宽200～320m。坝址两岸基岩裸露，岸坡高陡，为梳状地形，强风化层厚度5～8m，弱风化层厚度25～35m，强风化层至弱风化层上部岩体透水率 q=3～10Lu，属中等透水层。山体岩石裂隙水主要赋存于强风化层和弱风化层的上部，以下水量甚微。

坝区多年平均气温8.8℃，极端最高气温39℃，多年平均降水量334.02mm，相对湿度68%，多年平均雷暴日数为40天，属于多雷区域。

由于坝体两岸山体较高，山体积雪融水和降雨均会在透水层形成裂隙水并渗进坝体，从而直接影响到坝体。地处多雷区域的山体，在雷雨天气影响下经常起到了引雷和传递感应电流的作用。

3.2 雷击成因分析

3.2.1 裂隙水引起的雷击损坏

恰甫其海右岸山体裂隙较大，雨水很容易通过裂隙渗流进坝壳料中，而水是良好的导体，在山体受到雷击影响时，雷电流可通过裂隙水直接侵入到坝体，并在坝体形成较大电位差，使坝体监测站之间产生高压电位，从而导致监测站内电源模块、数据采集模块和中继器等设备的损坏。

3.2.2 电源浪涌造成的损坏

电源浪涌并不仅源于雷电，当坝区供电系统出现短路故障或切换大负荷时均会产生电源浪涌。恰甫其海大坝安全监测系统主电源线路与坝区照明电路及闸门启闭设备的高压动力电源一同置于右岸坡面的电缆沟。当出现雷雨天气时，潮湿的电缆沟区域很可能形成感应电流，使主电源线产生浪涌，在日常的闸门启闭设备投运时也会造成较大感应电流对主电源线产生浪涌，使监测站内电源模块和保险设备损坏。

3.2.3 坝区通信线引起的雷击损坏

恰甫其海大坝表面共布设了8个监测站，坝顶均匀设置了5个监测站，坝后坡980m高程处、960m高程处和坝踵分别布置了1个监测站，各监测站之间利用RS—485通信线，采用并联方式进行数据传输。

由于坝体区域地质条件较为复杂，且坝体观测房分布较散，因此监测站之间的通信线有可能处在雷电感应区域，雷电有可能通过潮湿的山体直接感应通信电缆。因通信屏蔽线的材质为铜，不能够有效屏蔽雷电感应的磁场，雷电产生变化的强电磁场也同样会在通信线上产生较强的感应电流，导致监测站内测量模块的损坏。

4 雷击风险评估

4.1 雷击次数

恰甫其海坝体建筑物年预计雷击次数为

其中

以上式中 K——校正系数，取1.5;

Ng——雷击大地的年平均密度，次/(km2·年);

Td——年平均雷暴日，(天/年);取 40天/年;

Ae——相同雷击次数的等效面积，km2;

L、W、H——建筑物的长、宽、高，m。坝体建筑物入户设施预计年雷击次数为

式中 A'e1——入户电源线截收面积，km2;

A'e2——入户信号线截收面积，km2。

按照GB 50343—2009《建筑物电子信息系统防雷技术规范》附录的规定，将各项数据代入式(1)～式(4)可得建筑物及入户设施预计年雷击次数为

4.2 风险评估等级

根据坝体建筑物结构、重要程度，耐冲击类型、所处雷电防护区、发生雷击事故的后果及雷暴等级等确定各类因子之和C=6.2。因直击雷和雷击电磁脉冲引起的设备损坏的可接受的最大年平均雷击次数为

将式(5)和式(6)数据代入防雷装置拦截效率公式，得

按照规范确定的防护等级，恰甫其海坝体建筑物雷电防护等级定为A级，因此需对各监测站房设置电源和通信的多级防护。

5 防雷措施

为防止雷击对恰甫其海大坝监测设备的影响，必须在现场进行有效的防雷技术改造。由于监测站之间的电源线和通讯电缆在施工期均已填埋成永久电缆，无法再对其走线进行重新分布，因此根据雷击成因和地理环境采取增设防雷设备和设置小型接地网的措施来消除雷电感应的损坏。

5.1 雷电波防护措施

在坝体观测房总电源接入处安装通流流量为波形30ka的浪涌稳压保护器，作为电源防护的第一级保护措施，在坝体各观测房内增设隔离变压器并安装菲尼克斯VAL—MS320/1+1电源防雷器，作为电源的第二级保护措施，以防止雷电波通过电源线路对设备造成损坏。由于各监测站之间采用有线通讯，为防止通讯线受雷电波的影响并考虑通讯的实时传输性，在总通讯线路上安装一台NDA3200防雷中继器，防止通讯电缆遭受雷电感应产生电流对设备的损坏。

考虑坝体内部埋设的测量传感器会受到雷电感应的影响，在各监测站的测控单元DAU内安装NSPN80防雷模块，以有效防止传感器信号线中的雷电感应电流对测量模块NDA的影响。

5.2 等电位措施

采用SS形等电位设计技术，在坝体各监测站房内设置接地母线排，监测站内的电源均接到接地母排上。连接采用25mm2截面铜芯绝缘电缆，支线接地应为不少于16mm2截面的铜芯绝缘电缆。另外，对监测站房的金属门窗进行了电气连接，将高低压进出电缆金属外皮和通讯信号线金属外皮进行接地处理，以达到设备等电位的要求。

5.3 接地措施

为实现监测站内设备的接地完善，在坝踵处设置若干小形接地网。接地网由金属网格扁铁焊接而成，且与厂房输变电防雷接地网相连接。各监测站内的设备接地线均通过电缆沟内的扁铁与接地网连接。

5.4 设备布置措施

将监测站房内测控单元DAU箱的各类接线进行整理检查，严格将进出的高低压线分开布置，并把箱内带保险丝的接线端子更换成带闸刀式开关的接线端子，以保证防雷装置对总线高电位的持续有效。安全监测自动化系统防雷设置见下页图。

6 结语

恰甫其海大坝安全监测自动化系统自2009年初完成防雷改造后，在2年的运行过程中未发生测量模块遭受雷击损坏的现象，各监测设备均运行正常。可见，防雷改造措施对监测设备起到了很好的保护作用，保证了监测系统的稳定运行。同时，为下游反调节水库自动化监测系统的防雷设计提供了借鉴。

1 乔国林，陆勤.电子信息系统的雷击风险与雷电防护［J］.工业安全与环保.2008(11).

2 杨仲江.防雷工程检测审核与验收［M］.北京:气象出版社，2005.

3 季海.雷击风险评估在电子信息系统雷电防护中的作用和评估方法探讨［J］.广西气象.2006(12).