金沟河引水枢纽除险加固工程自动化监控系统防雷问题探讨

刘金伟

(金沟河流域管理局水利管理中心，新疆 沙湾 832100)

1 问题的提出

金沟河引水枢纽除险加固工程处在金沟河流域中游河段的出山口位置，工程在运行过程中，进水闸和泄洪冲砂闸混凝土严重老化，闸门整体变形，止水偏离埋件，漏水及闸前后淤积严重，河床逐年抬高。工程长期带病运行，安全隐患较大，严重威胁金沟河流域下游灌区灌溉安全。为加强流域水情、雨情、工情等信息的收集与应用，并为流域防汛调度、防洪抢险提供科学依据，于2021年年初建成其自动化监控系统，并成为枢纽除险加固工程的重要组成部分。该系统通过各种自动化监测基础设施、设备的新建，以通信技术、信息技术、电子技术等手段和统一规范的技术标准，构建起一套系统完善的水情、工情、图像等水资源基础信息收集体系，促进了金沟河引水枢纽除险加固工程水资源管理信息化水平的提升。

本工程自动化监控系统的数字遥测终端机，包括数据采集、信息传送、过程控制的监控网络等部分设备安装在野外，并大量使用高集成度的CMOS电路，对瞬间电压的承受能力不高，遭受雷击损坏的可能性大，所以加强防雷保护是本工程自动化监控系统安全运行的保证。

2 瞬间过电压的危害

在μs至ms之间产生的尖峰冲击电压即为瞬间过电压，其产生往往有两种途径：雷击和电气开关[1]。一般的水工构筑物避雷网能避免其自身遭受直击雷的损害，雷电则主要通过直击电源输入线而损害设备，或是以电感性、电阻性及电容性等感应方式耦合至电源和信号线，最终导致设备损坏。当电流流经导体时会产生磁场，所存储的能量和导向长度、电流大小成正比，如遇电气设备开关行动便会产生瞬间过电压。

瞬间过电压会干扰数据存储、传输及设备讯号，甚至导致数据信息丢失，电子设备误动作，系统瘫痪，甚至烧毁元器件和电子设备。当前金沟河引水枢纽除险加固工程自动化监控系统主要通过侵入电源线、通讯线、天馈线、信号线等导致电源模板、通讯模板、I/O模板等损坏，同时由于从信号采集线、接地网等引入有害电信号和接地电流而导致自动化监控系统损坏。

3 防雷措施

结合以上对瞬间过电压产生过程、危害路径以及自动化监控系统大多采用高集成度电路及设备安装点多面广等特征的概述，认为，金沟河引水枢纽除险加固工程自动化监控系统必须从配电系统防雷、自控系统防雷、构筑物防雷、接地处理等方面采取综合、系统的防雷措施，以避免雷电引起的损害。

3.1 配电系统防雷

若输电线附近存在雷闪放电或雷击输电线时，输电线上所形成的雷电冲击波能量会集中与工频几百赫兹的低端，并很可能与工频回路发生耦合。与雷电冲击波从天馈和信号线路进入自动化监控设备电源模块相比，雷电冲击波从配电线路进入电源模块以及感应到相同电缆沟内自控网络线上所进入的通讯模块的几率更高，所以该除险加固工程自动化监控系统防雷的重点之一应为配电线路防雷。

金沟河引水枢纽除险加固工程配电系统中避雷装置均安装在高低压进线处，但自动化监控设备电源机盘仍免不了雷击破坏，主要原因在于处理措施主要以电气设备为保护对象，而自动化控制设备不具备较高的耐过压性能，已经安装好的避雷装置所需启动电压高，且分散电容大，与自动化控制设备负载之间形成分流关系。所以，自动化监控设备残压比避雷装置的启动电压通常高出2.0-2.5倍的峰值[2]，导致自动化监控设备损坏的可能性大。而且，大型设备启动停止操作所产生的过电压也是影响自动化监控系统的主要方面。通过单一器件或单极保护方式通常无法满足自动化监控设备对电源防雷的要求，必须根据实际情况实施多级电源防雷保护。保留原高压避雷器后的金沟河引水枢纽除险加固工程自动化监控系统三级防雷保护方案详见图1。

图1 金沟河引水枢纽除险加固工程自动化监控系统三级防雷保护方案

由设计可知，第一级防雷保护位于变压器二次侧，主要发挥外线过电压泄放的作用，启动电压在950-1800V，且雷电通量大；第二级防雷保护设置于各控制站PLC专用隔离变压器前，发挥第一级残压释放、配电线路过电压释放等作用，启动电压在480-1800V，雷电通量居中，隔离变压器有效安装后能够抑制电磁干扰和雷电波。第三级防雷保护设置在PLC专用电源模板之前，起到残压泄放、箝位输出的作用。

3.2 自控系统防雷

自控防雷系统通常通过DH+、MB+等特制屏蔽双绞线穿管直埋铺设，对相应位置雷电的感应电压通常在1-2kV，因其直接进入正常电压通常为5V、12V、24V和48V的计算机通讯口或PLC等薄弱环节，所以会产生较大损害。计算机通讯频率及数据交换频率通常从直流到数十兆赫兹转变，故而在避雷器件选择时不得选用分布电容大、高频损耗大的氧化物避雷器，根据图2所示的避雷器作用原理，其箝位二极管额定电压24V，残压仅为24-30V。通常应采用通讯电平频率或速率确定其避雷器类型，对于高频讯号还应进行特殊设计以保证其阻抗与系统自身的对应性，避免发生信号反射，同时将避雷器安装在靠近通讯接口的位置以降低反射损耗。

图2 避雷器作用原理

金沟河引水枢纽除险加固工程自动化监控系统的超短波通信设备天馈线均为同轴电缆，应选用同轴电缆避雷器，并保证其雷电波能量向工频及百赫兹低端集中，增大其与有用通讯信号频段的距离，并通过高通滤波器将上述两种信号有效分开。在设计过程中，应尽量从总配电柜开始单独布列自动化监控系统电源，并将各级避雷器靠近受保护设备设置，避免雷电侵入波出现全辐射现象，根据系统确定各级启动电压，并保证其末级为箝位输出形式。当前不同系列的电子避雷器性能均较好，部分避雷器还增设了雷击计数器、放电管、漏电流检测等电路，具体见图3，金沟河引水枢纽除险加固工程自动化监控系统采用电子避雷器后通常不会发生过电压损坏。

图3 电子避雷器作用原理

3.3 构筑物防雷

金沟河引水枢纽除险加固工程高重值计算机设备、通讯设备、天馈线、电台等设备均集中在中心站，主要发挥自动化系统监控、调度中心的作用，铁、铝等金属材料较多，所以防雷要求更高，通过防雷设计以形成均压等电位屏蔽。考虑到金沟河引水枢纽除险加固工程构筑物高度低，且地势空旷，天线塔较高，临近水源，雷击形式复杂，所以上述中心站构筑物均应在安装避雷针的同时安装避雷网、避雷带，并将构筑物接地电阻控制在10Ω以内[3]。

根据雷电侵害原理，雷电危害主要通过感应进入自动化监控系统，为此，必须增设避雷针、避雷网、避雷带的引下线，尽可能较多地分流雷电电流，使各条引下线上的泄放电流量减小，并使室内的自动化监控设备远离避雷网导地金属体。

3.4 接地处理

自动化监控系统防雷最终都是要实现雷电能量的泄放，所以接地就显得尤为重要。常见的构筑物接地、强电设备接地、配电系统接地、计算机控制系统接地等配置如果缺乏合理性，则会发生雷击通过接地网反击自动化控制系统的现象。金沟河引水枢纽除险加固工程因修建较早，其构筑物在建设时很少考虑计算机等弱电设备避雷的问题，且其设备地和接闪地分开设置，在自动化监控系统建设时新增的PLC系统、计算机系统若与构筑物接地、强电设备接地等联合接地处理，则要求接地电阻应不超过0.5Ω，既会增大工程造价，又对地质条件有较高要求。为此，金沟河引水枢纽除险加固工程自动化监控系统防雷接地应分开设置，为避免地网之间发生闪络，还应将涉及自控系统接地时的地网距离控制在10m以上。

4 结 论

通过文章对金沟河引水枢纽除险加固工程自动化监控系统防雷问题的分析表明，因水利工程自动化监控系统的PLC系统和计算机系统应用到大量CMOS集成电路以及CPU分散控制单元，所以承受瞬间过电压的能力不强，而且水利工程自动化监控系统中的各种线路均处于复杂且有水的运行环境中，采用单一的防雷器件很难达到避雷防雷的目的，必须实施综合防雷措施。经过分析，金沟河引水枢纽除险加固工程自动化监控防雷系统应主要包括配电系统防雷、自控系统防雷、构筑物防雷、接地处理等方面。