水利工程电气自动化系统防雷措施探讨

滕 军

自动化电气系统主要组成部分是控制系统、监测系统和通讯系统，其性能直接决定了整个水利工程的运行效率。这些系统经常因电压、电流等微小原因引起故障，从而引发雷击，给自动化系统造成严重破坏。为了避免这一情况，需要综合考虑防雷措施来解决现有问题。

一、水利工程电气自动化系统的应用现状

结合以往的实践经验，技术人员在保证水利工程一般功能的情况下，从节约人力、物力、财力的角度，选用以计算机监控为主的管理方式，对泵站、降压站、电力设备、控制系统等进行统一管理，实行网格化的在线监控管理，对运行参数、设备工作状态等进行实时记录，工作人员只需远程操作便可完成整个运行项目的有序控制。自动化系统中的泵站主要承担着监控泵组和电气设备的任务，同时要向终端管理人员传递泵组的实际信息。泵站采用了分层开放式网格布局，由计算机自动监控和控制，包括了语音报警系统、GPS 定位系统、通讯系统、数据服务器等。对于自动化系统的继电保护装置来说，技术人员要依照国家设置的装置设计规范合理配备安全防护系统和保护装置，如电动机的失步保护、失磁保护、过电压保护、电流速断保护等。

二、对电气自动化系统有威胁的雷击类型

为了有的放矢地做好自动化系统防雷工作，本文首先对雷击的类型和危害展开描述。随着水利工程资金投入的不断加大，各地水利项目均大力引入了自动化设备和先进技术，进一步促进了城乡一体化建设，改善了群众的用水条件和生活状况。而由于水库、水电站等水利工程多处于雷电高发区，电气系统易受雷击危害，因此加强防雷干预是促进水利行业可持续发展的前提。

1.直击雷

这类雷击效果极强，可直接作用于生物体致其死亡，对电气系统的危害最大。直击雷产生于云层、地面突出物体之间的放电行为，一旦雷击碰触到电气设备，巨大的电流便会随着金属物进入地下，形成较大的对地电压，电气设备无法承受这种压力而被击坏。

2.球状雷

产生于雷雨天气，特别是雷暴天气，一般会伴随有较为耀眼的红光和白光，犹如火球一般。如果水利工程所在区域存在裂缝、通道，则球形雷会进入其中给设备带来损害。

3.一般雷电

产生的雷电波为侵入波雷电，其电流除了进入地下，还会通过输电线路、金属管道等物质到达自动化设备，消减甚至是直接消除电气设备的绝缘性能，极易造成触电事故。

4.雷电感应

一般分为静电感应、电磁感应。静电感应指雷电形成后会与导电物体形成感应，电气设备的金属外壳或零件与之接触后会形成火花，由此造成设备损坏。电磁感应则是指地面突出物体的表面在感应到电荷后，两者之间会出现异性相吸的情况，表面电荷摆脱原有束缚会随着雷电波一起进入到设备当中，从而产生强大的电磁场，诱发电源脉冲干扰，进而损坏自动化设备。

三、水利工程电气自动化系统防雷措施

1.接地与屏蔽

长期以来，受经济和技术的制约，我国水利工程均使用接地与屏蔽措施来达到设备防雷的目的，其具有良好的经济性和有效性，在当前被广泛运用。作为常见的一种防雷手段，接地与屏蔽效果关键还在于接地电阻的阻值和寿命。根据物理学理论，电阻的阻值与电压值成正比关系，因此要在安全的条件下尽量减小接地电阻的阻值以达到控制电压的目的。当然，小阻值电阻的成本相对较高，在系统配置时应综合考虑经济效益。电气自动化系统的通信设备、控制系统多位于中控室或泵站，在条件允许的情况直接连接防雷接地网，并与各类水利动力装置匹配使用。除了上述接地防雷处理，还要做好屏蔽措施。这是一种实际应用技术，通过把电气系统中间的金属地板、钢筋笼等焊接在一起，或直接安装屏蔽电缆，从而给电气系统创造一个外部笼状结构，根据等电位高压原理屏蔽雷电产生的高压。应当注意的是，在安装金属屏蔽网或屏蔽电缆时，要将其与接地母线相连，且母线需要在机房内部环形、多点均匀架设，以确保安全性。

2.电压保护

雷击会使得电气设备产生电感效应，效应产生的波能能直接作用于线路和UPS设备。虽然UPS设备本身具有过电压保护性能，但因雷击所产生的高压和功率过高，设备自带的电阻无法阻止高压电流。为了解决这一问题，需要设置四级保护，如放置三级气体放电管、限流模块、TVS管、压敏电阻，全方位地建成科学、高效、安全的防雷系统，不断削弱雷电电压和电流的作用，发挥自身过电压保护功能。

3.配电部分

配电线路是整个电气自动化系统的重要组成部分，其发挥的作用也是不可忽视的。在进行防雷处理时一定要配备好瞬态过电压保护器，这种保护器可实现三级保护，一是变压器的线路分别对地连接，当外界产生强电压作用于保护器时可直接放出去，因为它有巨大的雷同量，对过电压的释放效率很高，可有效分流负载。二是专用配电母线对电线路在传输过程中出现的过高电流进行分流，防治电磁干扰。三是接线板熔断器后方中性线对地并联后，将释放残压，给予设备安全性保护。技术人员还可以放置限流模块、瞬态电压抑制器的方式来减少电压和电流，从不同角度削弱电压作用，使得UPS设备发挥应有的过电压保护作用。

4.防雷器

电气自动化系统中心可通过安置“三合一”防雷器来达到综合性防雷的目标。基于防护电源、控制线路、监督线路三个角度，依据电磁脉冲原理，以多级串联的形式实现设备的多级保护。防雷器可用于保护室内、室外设备，是一种综合性防雷措施，且效率较高。从雷电本身的特性来看，它所造成的破坏是连贯性的，由外到内地破坏电气系统。在进行防雷工作时，不能单一化地应用某一项措施，而是要根据工程的实际需求，综合运用多种防雷措施，构建立体化、全面化、整体化的雷电防护网。在实践中，可以把接地与屏蔽保护作为基础防雷措施，并在其他电器设备和系统中配备其他防雷装置。如，对于配电变压器，可以在高低压侧安装类似金属氧化物的避雷器，将其与接地母线连接，三点一线地保护系统。又比如通讯系统，应安装电压保护器，防止高压电流进入到设备系统中。对于远程终端控制设备，由于其与显示屏有着距离，这就不可避免地会架设网线和电线，对此也要对信号线加装过电压保护器，以提高防雷安全性。

除此之外，构筑物在修建时还要注意考虑弱点设备，如计算机等。普通设备在供电中所使用的高低压配电系统均与接地系统相连，但用电情况的不同使得接地电流出现变化。如果采用传统联合接地将会使得弱点设备的电压值不断升高，造成二次损坏。鉴于雷击所产生的高电位会损坏接地电网和附近导体，技术人员要确保电气系统在接地时应保持十米以上的安全距离，并辅以局部绝缘或屏蔽处理。

四、结论

在经济社会高度发达的今天，水利工程作为社会发展的重点项目，理应担起安全、高效、经济建设的责任。电气系统自动化已经成为必然趋势，远程监控系统也是实现产业经济效益的最佳途径。技术人员要充分认识到雷电防护的重要性，创新技术措施，最大程度地降低雷击损坏