大坝安全监测自动化系统雷击分析及防范

邓振华 张明阳

【摘要】现电厂人员结构变化，大坝安全监测依赖自动化监测程度越来越高。但是观测自动化设备分布较广，很大部分在野外，大坝附近往往是雷击发生较频繁区域，观测自动设备也就成了雷击重灾区。本文通过对东江大坝安全监测设备雷击发生情况分析，介绍东江大坝观测自动化针对性防范措施及效果。

【关键词】观测自动化；雷击；防范

大坝安全监测越来重视，监测项目增加，但大坝安全监测人员老龄化，人员减少，新厂人员配置少，人员结构变化，大坝安全监测依赖自动化程度越来越高，大坝观测自动系统分布广，环境复杂，很大部分在野外露天，水库大面积水体，坝体及附属金属设施等都是容易引发雷击的因素，大坝安全观测自动化设备受雷击威胁严重。

尽管雷击成因非常复杂，但认识雷击发生区域及原因，采取正确的防范手段，确保大坝自动化观测设备正常运行，取得大坝汛期的工作状况，保证大坝安全。

1.东江大坝安全监测自动化系统概述

东江大坝监测自动化系统监测项目主要包括：大东江坝体、坝区垂线监测（28测点），大东江绕坝渗流监测（13测点），大东江坝体渗压监测（19测点），大东江断层监测（4测点），大东江内观监测（209测点），小东江坝体引张线及两岸垂线监测（11测点），小东江扬压力监测（12测点），滑坡体多点位移计监测（10测点）等监测项目；自动化系统监测共有MCU模块38块；自动化测点总数306；采集单元箱26个，采集软件采用南瑞大坝安全监测软件NDSIMS4.0；通过远程集控水工自动化环网连接在一起，服务器分别安装于长沙和小东江，控制终端位于长沙控制室及东江生活区控制室。该系统监测项目比较完整，除垂直位移外，已包含了所有监测目标，总体是目前大坝安全监测比较完善的系统。

但系统建立三年来，每年均受雷击困扰，小东江滑坡体多点位移尤为严重。每年均有多次的雷击损坏情况。

2.雷击分析

现场设备做了一些防雷措施，通信主线路使用光隔，采集单元箱与廊道钢筋连接，传感器使用屏蔽电缆，绕坝渗流线路使用了镀锌钢管防护，频繁的雷击损坏显示这些措施未能取得防护效果。

2.1 雷击情况统计

从表1看，大量雷击导致设备损坏点比较固定，液位传感器（GK-4500S）、电容式垂线传感器、内观传感器没有发生过雷击损坏现象，一般损坏是MCU模块及弦式测缝计和通信设备，发生频率最高是小东江滑坡体多点位计，4年发生了15次设备损坏，2013年4月一次損坏7支传感器和一块MCU模块，直接导致备品不足而停测三个月之久。表中仅为设备损坏情况，发生小雷击，虽然设备未损坏，只造成设备死机，必须人工重启工作量无具体统计，导致数据丢失，给自动化监测维护带来沉重负担。

2.2 雷击原因检查分析

首先对单元箱与钢筋连接的接地进行测量，测量结果发现，这引起钢筋头接地电阻达到32欧姆以上，个别达到50欧姆，大大超出国家建筑防雷接地规范要求的10欧姆。也就是整个接地系统无法达到有效释放雷击产生的浪涌电流的效果，从测量数据看接地电阻差异比较大，各单元箱连接的钢筋并未有效连接在一起，无法形成等电位和接地，经过对廊道施工图纸的了解，认为采用混凝土预制模施工，钢筋未与大坝主筋焊接，不能达到接地要求。

对设备取电位置及线路检查，自动化设备均就近取得廊道或附近工作电源，291廊道往后主电源未安装抗雷防浪涌保护器，小东江左岸安装一个60KVA抗雷防浪涌保护器，只有一级，Vp值为5KVA，且其后的户外线路采用了非屏蔽电缆，使保护效果大为减弱，雷击导致电源损坏，甚至保险管爆裂现象严重，进而损坏设备；电源线户内户外均采用非屏蔽电缆，这也是雷击影响比较大原因，有多次保险管爆裂现象。

通信线检查，主线路比较长，且使用星形分支，通信质量较低，可能为提高保证通信质量，采用非屏蔽六类双绞线。大东江主通信线路上在右岸274廊道入口的安装了光隔，但其前后均有线路在户外，尤以左岸274出口至左岸294观测亭明显，虽然使用了镀锌铁管，但铁管采用丝口连接，未使用焊接，铁管间连接电阻较大，铁管本身并未严格接地，屏蔽效果不理想，从左岸294及左岸274频繁雷击损坏可见一斑。并且有回击至右岸274廊道主线路分支光隔现象。

传感器线路，传感器使用了RVVP4*0.5屏蔽线，也使用了镀锌铁管保护，液位计本身浸入水中，受雷击影响小，但NDA1403的通道雷击情况严重。剥开电缆后发现，电缆屏蔽层很稀，经数过只有20网，屏蔽效果极差，导致了绕坝渗流、小东江引张线、滑坡体多点位移的模块和安装在表面的弦式传感损坏严重，镀锌铁管也是使用丝口连接，未焊接，未严格接地，效果极为有限。

从现场分析认为，东江大坝观测自动化系统防护措施不系统，不规范，有些甚至没考虑防护，而导致防护措施失效。

3、改进防护措施

通过对现场分析，参考国家防雷相关规范，确立一系列的改进措施：

3.1 建立完善接地网

原以坝体廊道钢筋为接地，经检测不符合规范要求，经过大东江大坝施工图纸查阅，寻找到已废弃的右侧斜廊道预留接地点，经过检测，与电厂大接地网仅0.0237欧姆，完全满足防雷及电子设备保护需求。为解决廊道内潮湿容易锈蚀情况，设计采用Φ70铜缆接入廊道内，并经过斜廊道用Φ120铜缆连接成一个整体接地网。将坝体内单元箱接地与接地网连接。

小东江滑坡体由于处于山坡，与电厂接地网较远，且难以做较大型开挖，改为沿坡面开挖0.5米浅沟，向大坝方向，约150米长，埋入接地扁铁，中间打入5个1.5米深角钢桩，焊接在一起，经过检测接地电阻值为2.73欧姆，小于4欧姆，能满足防雷及电子设备保护要求。

3.2 通信线路改光纤或120网屏蔽电缆

为了加强通信质量，缩短RS485通信线路长度，将主干进入廊道的电缆改为光缆，进入廊道后经过RS485分支器后，改用RVVP2*0.5电缆，并将屏蔽层两端接地，为保证通信质量，通信连接改用菊花链式，取消星型连接，必要时采用分支器。出户外电缆另用镀锌铁管保护，铁管安装后焊接在一起并接地。并加装RS485防浪涌保护器。

3.3 电源改造

大东江观测自动化电源统一在右岸274取用，并在取电开关位置安装一级抗雷防浪涌保护器，在每个单元箱安装二级抗雷防浪涌保护器。户外电缆一律改用ZR-KVVP2*2.5电缆，并将屏蔽及保护凯用焊接接地线方式接地。

3.4 传感器电缆处理

这部分主要集中在弦式液位计及测缝计，小东江滑坡体多点位移重新更换为ZR-KVVP电缆。由于绕坝渗流及渗压力测点数量巨大，并且大部分为镀锌铁管保护，更换线缆费用巨大，采取对铁管加焊连接，因为管内有电缆，只能用点焊方式，连接效果不是太理想，在2015年仍有NDA1403模块损坏情况，根据弦式传感器原理，设计在模块端加装15KP瞬态防浪涌二极管，释放雷击浪涌电流。

4.总结

防雷改造完成于2015年，在2016雷雨季节，东江大坝自动化监测系统未发生一起雷击设备损坏现象。2016年5月在坝区发生剧烈雷击事件中，仅发生设备死机情况，无一起雷击导致数据丢失情况，防雷措施起到了重大保护作用。

雷击对大坝安全监测系统破坏在国内是比较严重，东江大坝采取科学的措施，基本解决大坝安全监测自动化系统自身安全问题。

参考文献：

[1] GB50057-2010 建筑物防雷设计规范

[2] 防雷装置设计与安装 宁建民 宁波 气象出版社

作者简介：

邓振华（1974-），男，本科，工程师，从事大坝安全监测，自动化系统。

张明阳 （1977-），女，博士，副研，从事环境生态景观研究。