水利工程信息控制系统雷击分析

黄为民

广州市水务工程建设管理中心

水利工程信息控制系统雷击分析

黄为民

广州市水务工程建设管理中心

水利工程信息控制系统逐步广泛应用到水利工程过程中，由雷击造成的信息控制系统组成元器件的损坏日益增多。文章先介绍了水利工程信息控制系统的组成与结构，从其组成和结构入手结合雷击的各类方式，分析了累计对信息控制系统的破坏作用，从雷击原理上为其防雷措施提供了思路。

水利工程信息系统雷击

引言

近年电子技术和计算机技术的广泛应用已深入到水利系统，并形成具有其专业特色的水利工程信息系统。用于监测工况、水文、地震等众多与水利设施相关参数。对取得参数进行智能分析、处理、传递，使决策者能准确、及时、科学地作出决策。水利工程信息系统有众多高科技仪器及半导体电子器件加计算机网络组成，雷电引至的过电压，最容易对这些设备造成破坏。如令排洪闸失控或各种检测数据错误或调度失当，造成事故或错失经济效益。分析雷电对水利工程信息控制系统的破坏机理，保护这些娇贵的电子器件安全准确运行就是水利工程信息控制系统防雷课题任务之一。

1　水利工程信息控制系统结构

水利工程信息控制系统按功能划分有几大部分：负责监测、采样的传感器部分；负责信号传输、控制线路部分；执行指令部分；闭路电视系统、无线电收发系统、电源部分。图1是某水库信息系统的基本结构。

图1　水库自动监测系统组成和功能方框图

以上系统通过布设在流域各采样点的雨量计，取得库区实时雨情累计雨量，并经计算机与库存水位对比得出水位预测，发电、泄洪指令将据此做出判断。它还对大坝承受压力，地层温度、水平、垂直位移、裂度、挠度、渗漏等实时监测，将数据与历来数据进行对比，自动发出各种指令性信号，如向水库区及有关部门发布水位情报、险情、抢险动员警报、库区人员紧急疏散警报，分析累积数据，可为大坝维修，加固提供可靠数据。

智能化监测系统能使决策准确，及时，执行迅速，这是确保人民生命财产安全、发挥设备效益的有效措施，又是充分发挥水利工程经济效益的手段。所以水利工程设施的信息智能系统安全、可靠运行是至关重要的。

2　水利工程信息控制系统雷击分析

实践证明，水利工程监控信息系统各部雷害来源主要是以下三个途径∶一是电源线引入；二是信号线引入；三是地线和零线反击。

2.1雷电从电源线引入

低压输电线受到直击雷袭击的几率较少，由电源线引入的雷害往往是直击雷击中高压架空线，雷电从高压端经过变压器耦合至低压端，传输到网络把设备击毁；另外是变压器高压线被雷击，雷电波通过高压避雷器引入地线，而地线又与变压器外壳和低压的系统PEN 线相接，雷电波便会进入网络［1］。

2.2感应过电压侵入电源线和信号线

在电源线和信号线（尤其是架空的导线）附近发生空对地闪击，或者空对空即雷云对雷云之间发生闪击都会发生电流对时间一次导数的电磁浪涌，它们通过空间以无线电波的形式传播，这种电磁波在金属导线中感应的电势往往可以达到几千伏乃至几万伏，如图2所示，雷击某避雷针时，避雷针引下线附近有电路L，它与避雷针引下线之间的互感为M，在L线回路两边将发生感应电压［2］：

图2　雷电流的电感效应

其中X1为线路L的一边与DC的距离，X2为L的另一边与DC的距离，把（2）代入（1）得L回路感生电势：

其中I为雷电流 i 的峰值。当避雷针引下线与L电路不平行而成夹角α时，（3）再乘以 L 回路对 D C 的投影，即：

其中：I—雷电流；

u—引下线的电压；

DC—引下线；

L—与引下线之间的互感为M的金属环路；

l--金属环路导线的长度；

uI=M（di/dt），电感性感应电压。

2.3雷电从地线、零线反击与共地网措施

人类对接地网技术的认识是循序渐进的，关于信息系统的接地到底应该与电源系统的接地分开成两个接地网还是共用一个接地网的问题是争论了几十年的老问题。但是，当时使用的电子管，瞬时的过电压和过电流的耐受能力较强；然而90年代以后通信技术有很大提高，普遍采用晶体管和集成电路，这些器件对瞬间的过电压、过电流冲击的耐受能力很脆弱，同时信号的形式基本上都采用了数字通信，都是以“1”、“0”作为信息码，在计算机网络通信中，通常“1”为5V，“0”为0V在“0”与“1”之间有很大宽裕范围，所以它的抗干扰能力很强。只要设计合理，50赫兹交流电源残余电压的干扰一般不会影响它的工作可靠性，反而电源接地与信号接地分开时，每当雷击的时候，两个地网之间的电位差往往会使计算机网络的调制解调器和网卡损坏。

近几年来国际电工委员会第81技术委员会的IEC 1024--1：1900文和我国的《建筑物防雷设计规范》（GB50057-94）都明确指出以上接地应该采用同一个地网，或把原来分开接地的几个地网连接起来成为统一的接地网。新的接地要求来了一个180°大拐弯。其根据是：假定在某一通信设备（如计算机网络的调制解调器、网卡等）内有这样一块电路板，其信号输入端 A 和电源输入端B（图3），如果都有自己的不同接地系统，并且两个接地系统之间没有电的联系。当工作系统所在的大楼或大楼附近落雷，那么落雷点将有很强大的电流入地，这时地面上将形成一个电场，假定土壤电阻率是均匀的，那么地面上电场的等位线将为一组同心圆，如图4所示。

图中c点是雷电流入地点，a、b点分别为A、B接地点上的电位，即图中信号输入端和电源输入端的电位。如果把雷电流输入点c看作是点电源，则地面各点的电位与c点的距离成下式（5）的关系，根据电磁场理论，地面上某点电压：

式中r为测试点之间 的径向距离（如图3中的电源输入端B和信号输入端A），因此两接地线a、b之间的电压：

图3　不同接地系统的通信设备示意图

图4　雷电流入地时地面上的等电位电场

式中∶ρ—土壤电阻率Ω·m

I—雷电流的峰值，A平均30KA，最高达200～300KA。

所以Vab很容易达到几千伏乃至几万伏，即一块线路板上两个接地系统存在这样高的瞬间电压，线路板上的元件当然很容易被击坏，如果两个系统合用同一个接地网或把两个接地系统之间用导线连接起来使其等电位，那样上述Vab高电压就不存在了，线路板被击穿的可能性便大大降低［3］。

结束语：

水利工程信息控制系统逐步广泛应用到水利工程过程中，由雷击造成的信息控制系统组成元器件的损坏日益增多。文章在水利工程信息控制系统的组成与结构的基础上，分析了水利工程监控信息系统各部雷击的三个主要来源∶一是电源线引入；二是信号线引入；三是地线和零线反击。详细总结了各来源雷击的破坏原理，为防雷措施的选择提供了参考基础。

［1］ 邱毓昌，施围，张文元.高电压工程［M］. 西安：西安交通大学出版社，1995

［2］ 邱关源等.电路（第三版）［M］. 北京：高等教育出版社，1989

［3］ 吕仁清，蒋全兴.电磁兼容性结构设计［M］. 南京：东南大学出版社，1989