合浦水库自动化监测系统防雷探讨

刘祚东

（广西北海市合浦水库工程管理局 536125）

合浦水库自动化监测系统防雷探讨

刘祚东

（广西北海市合浦水库工程管理局 536125）

本文详细分析了合浦水库自动化监测系统的防雷措施，供同行参考。

大型水库；自动化监测系统；防雷措施

合浦水库主要由小江、旺盛江两座大型水库，通过南流江大渡槽连接而成，集雨面积1052.8km2，总库容11.75亿m3，灌区重要结瓜工程有清水江、牛尾岭、石康、闸口等四座中型水库，是南流江流域中下游的串联性大（一）型水库群，有效灌溉面积达到70.1万亩。为了能准确、及时提供水情、雨情、工情信息，为防汛调度和防洪抢险、抗洪救灾指挥提供科学依据。2004年建成了合浦水库自动化监测系统，主要由小江大坝安全监测、水雨情自动测报、闸门遥测和监控等三个部分组成。本系统采用由YCZ-2A-101数字遥测终端机、电脑和可编程控器PLC组成的集数据采集、过程控制和信息传送于一体的监控网络。由于这些设备部分安装在野外，而且大量采用高度集成化的CMOS电路和CPU单元，对瞬间过电压的承受能力大幅降低，容易受到雷击损坏，所以对自动化监测系统采取有效的防雷保护措施是非常必要的。

1 瞬间过电压的产生

瞬间过电压是指在微秒至毫秒之内所产生的尖峰冲击电压而非一般电源上的所谓过压（一般电源过压可能维持数秒及以上），瞬间过电压有两种产生途径：雷击和电气开关动作。

（1）一般构筑物避雷网只能保护其本身免受直击雷损害，雷击会通过以下两种方式破坏电子设备：①直击到电源输入线，经电源线进入而损害设备，因电力线上安装的各种保护间隙和电力避雷器，只可把线对地的电压限制到小于6000V，而线对线无法控制。②以感应方式（电阻性、电感性、电容性）偶合到电源、信号线上，最终损害设备。

（2）当电流在导体上流动时，会产生磁场存储能量并与电流大小和导线长度成正比，当电器设备（大负荷）开关时会便产生瞬间过电压而损害设备。

3 防雷措施探讨

根据瞬间过电压产生、危害途径和自控系统大量采用高度集成化的CMOS电路和CPU单元及集控制、通讯、监测为一体以及设备安装点多、分散面广的特点，自控系统要尽可能降低雷电带来的损失，就必须采取系统的、综合的防雷措施。特别应从配电系统防雷、自控系统网络线路防雷、构筑物防雷和合理接地等四方面着手。

3.1 自控配电系统的防雷

当雷击输电线或雷闪放电在输电线附近时，在输电线路上形成雷电冲击波，其能量主要集中在工频至几百赫的低端，容易与工频回路耦合。雷电冲击波从配电线路进入自控设备的电源模块，以及从配电线路感应到同一电缆沟内的自控网络线上进入自控设备的通讯模块，几率比从天馈和信号线路进入的要高得多。因此配电线路的防雷是自控系统防雷的重要部分。

合浦水库的配电系统在高、低压进线都已安装有阀型避雷器、氧化锌避雷器等避雷装置，但自控设备的电源机盘仍会遭受雷击而损坏。这是因为这些措施的保护对象是电气设备，而自控设备耐过压能力低，同时，这些避雷器启动电压高而且有些有较大的分散电容，与设备负载之间成为分流的关系，从而加在自控设备上的残压高，至少高于避雷装置的启动电压，一般为峰值2～2.5倍（单相残压不低于800V），极易造成自控设备损坏。同时大型设备启停产生的操作过电压也是危害自控系统的重要原因之一。

因此，用单一的器件或单级保护很难满足要求自控设备对电源的要求，所以对电源防雷应采取多级保护措施，具体级数根据各自实际情况而定，为合浦水库采用的三级保护方案（原有的高压避雷器保留）。

第一级在变压器二次侧，主要泄放外线等产生的过电压，其雷通量大，启动电压高（920～1800V）。第二级在各控制站PLC专用隔离变压器前，主要泄放第一级残压、配电线路上感应出的过电压和其它用电设备的操作过电压、其电流通量居中，启动电压居中（470～1800V）。隔离变压器的安装非常重要，它能有效抑制各种电磁干扰，对雷电波同样有效。末级在PLC专用电源模板前，主要泄放前面的残压，完全可达到箝位输出，其残压低，响应时间快。

3.2 通讯线、天馈线避雷

自控系统通讯线一般都采用特制屏蔽双绞线（如DH+、MB+），并且一般在安装时都是穿管直埋（或电缆沟）铺设，所以雷电在此处的感应电压不高（1～2kV）。但由于其直接进入PLC或计算机通讯口这一薄弱环节（正常电压一般为正负5V、12V、24V、48V等），故损害也很大。计算机数据交换或通讯频率是从直流到几十兆赫兹（据系统而定），在选用避雷器件时一般都不采用氧化物避雷器，因为它的分布电容大、对高频损耗大，除非对之进行特殊处理。通常避雷器原理，其中箝位二极管残压很低，若额定电压为24V，则残压在于24～30V之间。选用此类避雷器时应以通讯电平和频率或速率来确定，对于比较高频的讯号便需要特殊设计的防雷器以确保其阻抗与该系统对应，否则会有信号反射的现象

3.3 中心站构筑物的防雷

中心站是控制和信息中心，集中了很多位重值高的计算机设备、通讯设备，大多数还有电台和天馈线，是自动化监测系统监控、调度中心，在装修中大量采用了铝、铁等金属材料，所以在防雷上的要求就更高一些，其目的是要形成均压等电位屏蔽措施。

中心站所在构筑物应安装避雷带、避雷网，只安装避雷针效果不好，因为合浦水库构筑物高度虽低，但地势空旷，天线塔高，部分设备在山区，中继在高山上，临近水源，所以极易遭受各方向的各种形式的雷击。中心站所在构筑物的接地电阻须小于10Ω。

有天馈线或通讯铁塔的应安装避雷针，并置于构筑物避雷网45°角内，避雷针以及通讯铁塔的接地除用建筑物内钢筋结构接地以外，还应单独铺设引下线引至构筑物接地网。如只采用构筑物钢筋结构接地，因为在构筑物修建时其钢筋焊接质量不一定能得到保证，雷击时其均压要求不能保证而易在构筑物内出现强磁场。构筑物外墙上的所有金属门窗应接入构筑物的接地网。

3.4 合理接地

防雷的最终措施是“泄放”，因而对“接地”切不可轻心。一般的接地主要有构筑物接地、配电系统及强电设备接地、计算机自控系统接地。如这三种接地配置不合理，极易在雷击时通过接地网对自控系统造成反击。

计算机自控系统是一个特殊用电系统，它包括以下几种接地：系统工作地（小于4Ω），直流工作地（信号屏蔽地、逻辑地等小2Ω），安全保护地（小于4Ω）。在安装时难以分开（特别是对PLC系统），对这一系统采用联合接地较好。接地电阻取最小值，至少小于2Ω。

3.5 避雷器的选型及安装布线

要发挥良好避雷功能，防雷器应不会对保护的设备或线路造成任何干扰和中断现象；具有低“通过”电压（将瞬间过电压降到设备能承受的范围）；能承受高电流（二次感应电流一般不会超过10000A）；反复使用寿命长且具有状态显示。

我们知道，导线的电压降主要取决于其电感值，而电感值受到长度和连接方法影响，我们采用以下方法来减少并联防雷器的感性电压：①尽量减少连接线长度（＜25cm），减少线路回圈，并将每组连接线绑扎以使其磁场相互抵消。②当连接线过长（＞25cm）时，多加一组连接线并分组绑扎，使电感电流平分到两组上从而减低磁场强度。串联防雷器保证输出线与输入线、接地线尽量远离，以免再次偶合感应。

4 结语

总之，由于计算机、PLC系统大量采用大规模CMOS集成电路和分散控制用的CPU单元，使其对瞬间过电压承受能力大幅度减弱，同时控制系统各种线路伸入到水库的各种环境之中，采用任何一种单一的防雷器件都有难以保证其安全，必须采取综合防护的措施，对症下药将各类可能引起雷害的因素排除，才能将雷害减少至最低限度。

TV697.1

A

1004-7344（2016）14-0130-02

2016-4-28