防雷系统在涵闸监控中的应用

防雷系统在涵闸监控中的应用

季云峰吴昌成王晓玲

关键词：防雷供电监控系统稳定性

0引言

阜宁腰闸位于江苏省阜宁县陈集镇，为苏北灌溉总渠的第三级控制建筑物。闸全长172.08米，宽75.8米，共21孔，设计流量800立方米/秒，属2级水工建筑物。配备21台启闭机、四台水轮发电机组、一座变电所和配套的电气设备，近年来又增设了自动化控制系统。系统主要由办公信息化系统、节制闸自动控制系统、视频监控系统、水电监控系统构成。主要功能是对闸门的实时监测、控制、视频监视、对水电站四台机组进行自动开停机、事故报警、油、电、水路的实时检测、内部局域网的实时通讯及数据入库管理工作。通过几年运行和维护情况来看，整个系统相对较稳定，较易出故障的环节集中在通讯的连续性和设备完好率上，探寻原因跟工程所处位置有关，工程处于开阔河沿地带，办公场所所处基面高程偏高，雷雨季节常受雷电袭击，造成设备损坏的事时有发生。为此，江苏省财政厅以《阜宁腰闸增设自动化防雷系统及机电设备维修》苏财农[2006]225号批准实施腰闸防雷项目。

1雷电的形成及防雷措施

所谓雷电，就是某一云层与另一云层或大地，由于所带的电荷性质相反而产生瞬间剧烈放电的现象。雷击所造成的危害主要有两种形式。一是“直击雷”，发生时往往会对地面的物体产生强大的破坏力；另一种叫“感应雷“，发生后，云层带电迅速消失，强大的脉冲电流在周围导体上因电磁感应而发生瞬间过电压，以致形成闪击的现象，称为“感应雷”。“感应雷”造成的瞬间过电压，在微秒之内产生尖峰冲击电压。如图一，该电压高达2KV～20KV。

常见的防雷措施有：避雷针是防止雷击的最常用基本方法。避雷针防雷法是依靠比

被保护物高出许多的垂直避雷针，将雷击引向自身入地，使被保护物免受雷击，而得到保护，但无法获得一个十分肯定的安全区；消雷器其原理是利用雷云和大地之间的电场能量，使消雷器产生向上的引发光导限制雷云向下的放电光导。

2防雷系统的设计

随着微电子技术的迅猛发展，微电子产品在各行各业得到了广泛应用，使得感应雷的危害也越来越受到人们的重视。大部分微电子器件因体积小、耐压低，通流量只有微安级，能耗极小，其允许的能量限值也非常小，是它在应用上的巨大优势，同时又成为它经不起雷电的重大劣势。雷电不仅直接损坏微电子器件本身，还由于其耗能少，灵敏度极高，很小的电场或磁场脉冲就可以使它的正常工作受到干扰，只要几十伏的电压就足以毁坏整个器件。因此，感应雷的防护对高、精、尖的设备就显得尤为重要。对阜宁腰闸所处地理位置，结合现代防雷技术要求。根据我国新的国家标准GB50057-94《建筑物防雷设计规范》规定最新的防雷理论，并明确规定该规范为强制性的国家标准。阜宁腰闸控制室内部集成了大量先进的微电子设备和各类电气设备，为此对防雷系统作如下方案实施：

设计思想：现代防雷技术可以概括为拦截、屏蔽、均压、分流和接地等几个方面，根据阜宁腰闸管理所内部现行运行系统特点，对管理所控制中心的感应雷防护措施是从电源系统、视频信号系统、PLC系统、接地系统四方面进行防范。设计方案：感应雷防护重点对阜宁腰闸管理所的供电、控制信号、视频系统进行防护，并对接地系统进行改造。产品也选用德国DEHN避雷过压保护器，具体设备及措施如下：

2.1供电系统防雷按照IEEE标准，低压供电线上感应过电压大约6KV，电流约10KA，信号线上感应过电压大约5KV，电流约125A，同时实验数据表明，设备瞬间耐冲击能力为最大工作电压峰值的两倍，对交流220V系统，其耐冲击能力为2×250×√2=707V，本方案对阜宁腰闸管理所使用UPS的供电设备实施三级防护，其它非重要设备终端的供电系统采取一级防护和防雷插座防护，具体设备及措施如下：①在电源输入总线的空气开关后加装德国DEHNDEHNPORT/DEHNGAP电源防雷器，作为第一级防护，以抑制由室外产生的强大过电压进入室内的供电系统。②在楼层分支配电屏电源输入总线的空气开关后加装德国DEHNguard385/DEHNGAPC电源防雷器，作为第二级防护，进一步降低残压，③在ups的直接供电部分加装德国DEHNrail230单相电源防雷器，进行三级防护。

2.2信号系统防雷信号系统的防雷保护主要在信号传输电缆（线）的输入、输出端加装相应的信号防雷器，避免室外感应过电压沿信号线侵入室内。根据规范要求并结合实际，重点对阜宁腰闸管理所的电话外线、网线、水位计信号线、闸位计信号线、视频信号线进行防护，跨楼传输线路应按规范做好屏蔽措施。具体设备及措施如下：在办公楼的Modem、电话线上加装DEHNRJ11浪涌保护器；pc的网线应通过DEHNRJ45信号防雷器再与SWITCH相连；室外视频线应通过DEHN/BNC防雷器再接入分配器；室外视频CCD通过避雷针防止直击雷、DEHN/BNC防止感应雷；室外水位计和闸位计的传感信号通过DEHN的弱电信号避雷器，再和PLC的接口模块相连。

2.3接地系统根据我国及国际有关规范规定，整个接地系统应按均压等电位原则设计，以避免同一个设备不同接地之间出现电位差，对设备产生“反击”。因此，方案还将闸管所中心机房的信号地、保护地（电源系统PE线）连接为一个共同地接地体。水电站和办公楼相距较远，位置分开，使用等电位连接器。在两不同接地体之间加装德国DEHNTFS等电位连接器，该连接器正常情况下处于高阻态，避免了干扰源的产生，当遇雷击时，瞬间导通，达到等电位的目的。

建立机房的接地母排，机房内所有金属构架、设备金属外壳、电缆进线的外屏蔽层、金属门窗均应就近接到该接地母排上，防雷器也就近接到该接地母排上。机房内共用一接地体，满足等电位的要求。机房应采用钢连接防静电地板，并且建立良好的接地。接地电阻不大于1欧姆。

3系统的实施

感应雷入侵计算机系统的雷击过电压、过电流主要有以下四个途径：①由交流电源供电线路入侵；②由各种通信线路入侵；③地电压反击电压通过接地体入侵。④空间电磁感应侵入系统。

根据以上分析，采取下列防雷措施：①系统均衡等电位，各个设备建立良好的等电位接地体，即交流工作接地、保护接地、直流工作接地、防雷接地公共一组接地装置的联合接地方式。②逐级分别泄流，在雷电经过的线路上安装避雷设备，将雷电流、感应过电压逐级泄放。安装三级逐级泄流装置。③加强屏蔽，为主要设备建立屏蔽网，在线路通道上建立屏蔽层，屏蔽层与阜宁腰闸主接地系统良好连接，预防感应雷干扰和破坏线路及设备。

供电系统防雷。设备安装，分总的电源进线、楼层分支以及重要设备的直接供电部分这三个部分。其它非重要设备终端的供电系统采取精细防雷插座防护，具体设备及措施如下：

在电源输入总线的空气开关后加装德国DEHNPORTMAX电源防雷器，作为第一级防护，以抑制可能由室外产生的强大过电压进入室内的供电系统，作为第一级防护。在办公楼二楼电源输入总线后加装德国OBOV20-C/3+NPE三相电源防雷器，作为第二级防护，进一步降低残压。在控制室内，依次为计算机、网络交换机、PLC、视频监控主机、上位机等设备加装德国OBOVF230终端电源防雷器，实现了电源的三级防护。

信号系统防雷设施，信号系统的防雷保护主要在信号传输电缆（线）的输入、输出端加装相应的信号防雷器，避免室外感应过电压沿信号线侵入室内。对于内部信号传输系统，为保护重要设备不受电磁场（LEMP）的干扰甚至损坏，对室外设备信号输入、输出接口安装相应的信号防雷器以保护设备。

办公楼信息系统，重点对计算机网络和IP电话作改进。具体设备及措施如下：每台计算机均安装OBO精细电源保护器，网络信号防雷器。在主交换机上对铜缆接入的端口，加装OBO网络信号防雷器。为闸上MMC电力传感器安装OBO精细电源保护器，作电源精细保护。为办公楼IP电话主机端口及主要电话端口安装OBO电话防雷器。

PLC自动控制系统，将上位机和PLC通讯铜缆两端加装OBO网络通信防护模块。为PLC上位机加装屏蔽网，以杜绝空间LEMP影响，在上位机和传感器的RS485通信接口处安装信号防雷模块FLD12。为PLC安装终端电源精细保护VF230，网络信号防雷器RJ45-E100，在PLC及上位机所在主控机房，安装等电位连接环。

视频监控系统，为三套室外摄像机加装OBO视频信号防雷模块KOAX。为中心视频监控主机加装OBO视频信号防雷模块KOAX和电源保护模块VF230。为中心视频监控主机的RS232控制线加装OBO信号防雷模块SD09。具体如图二

接地与屏蔽系统，将信号地、电源系统PE线共用一个接地体，满足等电位的要求。目前普遍采取的措施是使用等电位连接器。使用等电位连接器的目的是为了消除雷击时机房不同接地线之间的压差，达到等电位的目的。在阜宁腰闸控制中心和办公室内分别建了等电位联接环，将机柜、设备、电源、防雷器的地均通过等电位联接环联结在一起，以满足等电位的要求。

4结语

以上系统建成后，阜宁腰闸电气及自动化系统在雷雨季节生产运行的稳定性和故障率较以前有了大幅度地提升，但系统还存在不太完善的地方，如对闪雷防护就未作考虑，对变压器及升压站中设备防雷不够，雷电产生的瞬时过电压也曾造成变压器主开关跳闸，恳请有关方面的专家给予赐教。

参考文献：

[1]赖世能，慕家骁.通信系统防雷接地技术.人民邮电出版社.2008.06.

[2]虞昊.现代防雷技术基础（第二版）清华大学出版社.2005.02.

[3]哈塞著，傅正财，叶蜚誉译.低压系统的防雷保护（第二版）中国电力出版社.2005.01.