特长水工隧洞自动化系统集成防雷保护探析

李飞

（辽宁润中供水有限责任公司，辽宁 沈阳 110179）

1 自动化系统防雷饱和改造

1.1 系统建设情况

大伙房输水工程自动信息集成系统，2007年与隧洞施工同步进行，2009年9月完工。按设计防雷措施如下：

1）DAU 2000系列设备及系统的防雷。雷电活动时或强电系统的故障和操作，常会在电源线路上感应高压脉冲，形成浪涌，危及设备的电源供给安全。DAU 2000系列设备及系统的供电线路做了全面防雷和防浪涌保护，通过了GB/T17626.3-1998射频电磁场辐射抗扰度实验3级及GB/T17626.5-1998浪涌（冲击）抗扰度实验3级检验。

2）光端机模块及数据采集模块的防雷。光端机模块及数据采集模块采用抗雷击设计，自带备用电源，模块的电源线、通信线、传感器引线的入口均采取了抗雷击的措施。在电源引入测控装置处设置电源防雷器，在传感器接入测控装置处采用继电器电路，在不测量时切断干扰入口，以减少雷电感应对信号的干扰。

3）支洞设备房的防雷。支洞设备房接入电源处安装电源防雷模块，防雷接地通过接地扁铁引入支洞外箱变接地网，接地电阻小于5 Ω，通过电源防雷模块及接地网，有效的减少了从箱变引入电源线上的雷电感应。

4）线路防雷。系统长距离信号传输采用光缆，同时对所有暴露在外的电源电缆、信号电缆均采用钢管保护，钢管之间以及钢管与接地网之间采用焊接的方式连接，钢管尽量挖沟敷设，能有效减少雷电感应。

1.2 雷电破坏情况

大伙房输水工程隧洞内全长85.32 km，所处地段多为山区，在每年5—8月份为雷雨多发季节，安全监测数据采集系统设备自从安装至改造前，多次受到雷击，设备损坏严重。主要表现为安全监测断面处保险丝熔断、安全监测数据采集模块被击坏、断面总线箱内光端机被击坏等。

1.3 情况分析

1.3.1 雷击损坏的主要渠道

防雷的关键概念是给雷电感应电流提供一个通向大地的短捷有效的通路。这样雷电涌流将从设备外分流。雷击损坏设备的三个渠道是：

1）是通过闪电带来的电磁脉冲对设备产生干扰（扰动）。

2）另一种是通过大地感应、传导而对设备产生地电位反击。

3）室外线路遭受雷击，这种情况只占总雷击机会的0.5%，如此大的雷击电流极少出现在建筑物电源进线处，但仍须重视对这种外来电涌的防范。

1.3.2 系统雷击损坏的主要特征

经过其他工程防雷措施经验及该工程雷击损坏情况总结，该系统雷击损坏的现象主要有如下特征：

1）安全监测数据采集系统采用分布式网络结构，每个断面处采用光缆连接，当雷击时处于从支洞引致断面的最末端断面比最近端断面损坏严重；从支洞设备房至断面线路长的比线路短的损坏几率更大。

2）7个支洞设备房内光端机两年内没有被雷击击坏过，而断面总线箱内光端机多次被击坏。设备房内UPS等电源设备曾多次被雷击损坏。

3）部分更潮湿的断面，总体损坏情况较其他断面更严重；处于山体及河道底部隧洞内附件断面较其他断面损坏情况更严重。

1.3.3 主要原因

1）隧洞内断面自身带有一定防雷能力，但由于大伙房输水工程隧洞结构特点及地理位置的特殊性，21个断面分布跨度太大，两个断面相邻从最近1 km到最远14 km里不等；断面电源由相近支洞内设备房供电，供电线路长，最长的线路达10 km。雷电袭击对地放电时或超高压电网短路接地时，以接地点为圆心，向四周大地泄放电流并在一定范围内产生瞬态电位梯度场。电源线跨度越长，产生的瞬间感应电越大，即文中提到的地电位反击。而各个设备房的放雷设备距各支洞测站距离太远不能起到有效的防护。

2）安全监测数据采集单元安装在隧洞顶部，隧洞顶部已经衬砌完毕，没有布置有效的防雷接地系统，当雷击发生时不能及时将雷电接地引走。

3）隧洞内底部长期有30～50 cm深的流水，断面周围非常潮湿，致使安全监测数据采集箱外、电源电缆线外湿度达到100%，当雷电发生时更容易产生感应电。

2 防雷保护改造方案

2.1 防雷措施及原则

2.1.1 原 则

1）将绝大部分雷电流直接闪引入地下泄散（外部保护）。

2）阻塞沿电源线或数据、信号线引入的过电压波（内部保护及过电压保护）。

3）限制被保护设备上浪涌过压幅值（过电压保护）。

2.1.2 要 求

1）所有野外外漏的线缆必须穿钢管保护。

2）各种设备必须可靠接地。

3）各个设备房均有接地系统，设备都可靠接地，而支洞内各个测站由于隧洞顶部已经衬砌完毕，没有布置有效的防雷接地系统，设备均未接地，这次防雷改造考虑在隧洞顶部开凿20 cm×20 cm×20 cm的坑，找到隧洞混凝土内的钢筋网，将设备与钢筋网通过扁铁连接已达到接地效果。钢筋网的接地电阻要求小于4欧姆。

2.1.3 设置三级防雷体系

1）测站电源接入点配置隔离变压器，隔离变压器必须可靠接地；电源接入点为系统专用电源，严禁接入电焊机等大功率施工电器。

2）监测站接入端配备国标II级（德国标准C级）的电源防雷器，防雷器可靠接地。

3）采集单元内部安装符合GB/T17626.5－1998浪涌(冲击)抗扰度实验3级（峰值2000 V）浪涌（冲击）和GB/T17626.3-1998射频电磁场辐射抗扰度实验3级（强度3 V/m）射频电磁场辐射干扰的防雷模块；设备的各测量通道本身要采取了机械继电器开关（可承受短时间1000 V冲击）等防护措施。

这3级防雷措施第3级已经设置，该次防雷改造考虑设置第1级和第2级防雷体系。第2级在每个测站电源接入点安装1台不锈钢DAU箱，内部安装1个300W隔离变压器，同时安装1套国标II级（德国标准C级）的电源防雷器，以上设备均和隧洞的钢筋网相连。

2.2 实施方案

2.2.1 接地网完善

1）洞口设备房接地：利用隧洞支护钢筋网作为接地极，连接点设在喷混凝土部位，不少于4个，设备箱不带电金属外壳、光缆金属件等都要做好接地，不得虚焊；接地干线采用热镀锌扁钢，规格40 mm×5 mm，扁钢与钢筋焊接长度不小于100 mm，焊接点要做除锈、防腐处理，接地干线长度暂定40 m。共计8个支洞口。

2）各监测断面处衬砌钢筋网连成统一接地体，暂定3节衬砌。每节衬砌间设3处连接点，连接扁钢长2 m。连接槽规格20 cm×20 cm×20 cm，完成接地施工后，槽内回填同标号的微膨胀混凝土。设备箱不带电金属外壳、光缆金属件等都要做好接地，不得虚焊。共计21个监测断面。

2.2.2 完善防雷设备措施

1）洞口设备房。每个设备房增设1台DAU2000机箱，内设500W隔离变压器、1套国标II级（德国标准C级）的电源防雷器，隔离变压器、电源防雷器与设备房接地网相连。

2）监测断面。每个监测断面电源接入点增设1台不锈钢DAU箱，内设1个300W隔离变压器、1套国标II级（德国标准C级）的电源防雷器，隔离变压器、电源防雷器与监测断面接地网相连。

3 改造后运行情况

大伙房输水工程自动系统集成防雷改造在2012年9月按改造方案实施后，通过2年的运行，系统的到了有效的保护，2012年9月—2014年4月，各段面的采集模块、保险丝、模块没有因雷击发生损毁。设备房由于其他原因个别断面UPS损坏。

4 结 语

长大深埋隧洞防雷保护是非常重要的，特别是雷电高发的山区更应加强防雷保护。保护不当或会给安全监测及网络传输系统造成不必要的损害，甚至使系统瘫痪。因此，今后在进行长大深埋隧洞自动化安全监测及相关系统设计和施工时应注意一下几点：

1）在雷电高发区应保证电源的接地体安全可靠。

2）要保持设备及配电间的干燥。

3）在监测模块端口前适当采用防雷模块、隔离变压器等保护措施。

4）尽量采用不受雷电干扰的光纤等其他通讯设备。