禤德釗

（廣西西江開發(fā)投資集團(tuán)有限公司，南寧 530022）

1 概況

當(dāng)前，廣西西江開發(fā)投資集團(tuán)有限公司已經(jīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)廣西境內(nèi)長(zhǎng)洲、桂平、貴港、西津、邕寧、老口、金雞灘、魚梁、老口、大藤峽、紅花、金雞灘12個(gè)梯級(jí)19座大型船閘的統(tǒng)一聯(lián)合調(diào)度，其中11座船閘的設(shè)備實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一集中控制，實(shí)現(xiàn)集中控制的船閘現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維人員較以往大幅減少，實(shí)現(xiàn)了“無人值守、少人應(yīng)急”運(yùn)行值班模式。西江流域大部分船閘周圍都是開闊地帶，且處于強(qiáng)雷區(qū)，大部分船閘的年雷暴日數(shù)超過90 d，因此船閘的建筑物和電氣更易遭受到雷擊損壞，船閘控制系統(tǒng)很多設(shè)備安裝于船閘的水面區(qū)位，進(jìn)而潛在性地推高了控制系統(tǒng)設(shè)備遭遇雷擊破壞的幾率，有時(shí)偶然一次雷雨過程，就會(huì)造成數(shù)個(gè)梯級(jí)船閘的工業(yè)電視系統(tǒng)攝像頭損壞、廣播系統(tǒng)無法正常播音、控制系統(tǒng)機(jī)電設(shè)備不能正常啟動(dòng)等情況，導(dǎo)致應(yīng)急維護(hù)人員疲于應(yīng)對(duì)，不能在短時(shí)間內(nèi)修復(fù)船閘控制系統(tǒng)損毀的設(shè)備，造成船閘通航受阻，且在一定程度上也增加了船閘運(yùn)維成本，造成經(jīng)濟(jì)損失。

本文通過對(duì)多個(gè)船閘現(xiàn)場(chǎng)防雷應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)及效果進(jìn)行分析，綜合考慮在復(fù)雜環(huán)境條件下如何減輕雷擊造成的影響，降低設(shè)備故障率，確保船閘設(shè)備正常運(yùn)行，據(jù)此提出防范雷電災(zāi)害的綜合防護(hù)措施、建議。

2 雷擊的主要危害形式

（1）直擊雷。雷電直接擊在閘區(qū)露天電氣設(shè)備上，或直接擊在架空線纜上，由于電磁效應(yīng)、熱效應(yīng)和機(jī)械效應(yīng)等混合力作用直接對(duì)設(shè)備造成損壞，這種雷擊方式造成的破壞最嚴(yán)重，但出現(xiàn)幾率比較小。

（2）感應(yīng)雷。感應(yīng)雷是雷云之間的雷電或雷云對(duì)地放電，靠近外部傳輸信號(hào)線，埋入電線，設(shè)備之間的連接線產(chǎn)生電磁感應(yīng)并侵入設(shè)備，造成串聯(lián)在線路中的電子設(shè)備損壞，分為電磁感應(yīng)和靜電感應(yīng)。當(dāng)閃電發(fā)生時(shí)，周圍會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的瞬態(tài)電磁場(chǎng)。電磁場(chǎng)中的監(jiān)控設(shè)備和傳輸線檢測(cè)到可能損壞連接設(shè)備的顯著電動(dòng)勢(shì)。一般來說，對(duì)于線路，在一定強(qiáng)度的雷電云下，低壓架空線路可以感應(yīng)100 kV 的過電壓，在電信線路上也可以感應(yīng)40～60 kV 的過電壓，這是電磁感應(yīng)。當(dāng)帶電雷云出現(xiàn)時(shí)，雷云下的建筑物、控制設(shè)備和輸電線路會(huì)產(chǎn)生與雷云相反的電荷，產(chǎn)生瞬時(shí)浪涌。這種現(xiàn)象稱為靜電感應(yīng)。感應(yīng)雷電對(duì)設(shè)備外觀造成的損壞不是直接雷電造成的，但通常會(huì)導(dǎo)致設(shè)備內(nèi)部電子部件損壞，導(dǎo)致設(shè)備運(yùn)行異常。這種類型的感應(yīng)閃電最常見。

（3）雷電波侵入。射線或感應(yīng)可導(dǎo)致射線波，其特征在于雷電不能直接放置在建筑物和放電設(shè)備中，但在建筑物外的電線、放電信號(hào)傳輸控制系統(tǒng)或其他金屬電纜室中，以沿電纜線路的浪涌速度或接近浪涌速度，電纜兩端控制系統(tǒng)設(shè)備的入侵和危害。當(dāng)閃電導(dǎo)致接地網(wǎng)絡(luò)的接地電位升高時(shí)，高壓通過地面設(shè)備的接地線反向引入設(shè)備，造成反擊傷害。

3 船閘設(shè)備控制系統(tǒng)防雷措施

船閘主體建筑物如閘室、現(xiàn)地機(jī)房、引航道等通常都布有接地網(wǎng)、接地帶且已形成統(tǒng)一的等電位連接體，保證導(dǎo)電物體之間不產(chǎn)生有害的電位差，完善的等電位連接還可以防止閃電電流入地造成的地電位升高所產(chǎn)生的反擊?？刂葡到y(tǒng)設(shè)備可以在此區(qū)域等電位基礎(chǔ)上根據(jù)具體子系統(tǒng)自身特點(diǎn)分類采取針對(duì)性的綜合防雷措施。

3.1 直擊雷的防護(hù)

通常的做法是使用避雷針、避雷帶、避雷線、避雷網(wǎng)或金屬屏蔽作為棘爪接收器，接收雷電電流并將其引導(dǎo)至由金屬導(dǎo)體埋置的接地裝置，金屬導(dǎo)體將導(dǎo)線引導(dǎo)至地面。

船閘集中控制系統(tǒng)前端設(shè)備有室外和室內(nèi)兩種分布方式，室內(nèi)分布的一般不會(huì)受到直擊雷擊，但需考慮防止雷電過電壓對(duì)設(shè)備的侵害，而室外的設(shè)備則同時(shí)需考慮防止直擊雷。

前端設(shè)備如工業(yè)電視系統(tǒng)的攝像頭，廣播系統(tǒng)的音柱和喇叭，控制系統(tǒng)的水位計(jì)、信號(hào)燈等應(yīng)置于避雷針或金屬防護(hù)罩有效保護(hù)范圍之內(nèi)，避雷針保護(hù)高度根據(jù)滾球法確定，但避雷針接閃過程中容易在被保護(hù)物體上形成感應(yīng)電流，不適合獨(dú)立保護(hù)弱電設(shè)備，在實(shí)際使用中需要采用多級(jí)防雷系統(tǒng)進(jìn)行綜合保護(hù)。對(duì)于已經(jīng)在避雷針保護(hù)區(qū)內(nèi)的前端設(shè)備或其他避雷針或相鄰較高建筑物的防雷系統(tǒng)，通常不再考慮直接防雷；對(duì)于未包含在防雷系統(tǒng)中的前端設(shè)備，應(yīng)考慮直接防雷。電網(wǎng)線路、電線鋪設(shè)在電纜通道中，因此不太可能發(fā)生直接雷擊。

船閘根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境特點(diǎn)，對(duì)部分關(guān)鍵設(shè)備采用球面防護(hù)罩防雷，球面設(shè)計(jì)改變了磁場(chǎng)和電荷的分布，使其相對(duì)于避雷針更不易引雷，大大降低遭受雷擊的風(fēng)險(xiǎn)。

貴港船閘則采用電暈場(chǎng)驅(qū)雷器，無需電源、利用雷云電場(chǎng)自激發(fā)電暈放電，在電暈場(chǎng)驅(qū)雷器及被保護(hù)物體上方形成電暈屏蔽層，有效削弱雷云電荷和阻斷雷云電荷與被保護(hù)目標(biāo)之間的雷擊通道導(dǎo)通，進(jìn)而有效保護(hù)被保護(hù)目標(biāo)，起到了良好的防雷驅(qū)雷效果。

3.2 感應(yīng)雷的防護(hù)

雷擊產(chǎn)生的瞬變電磁場(chǎng)會(huì)影響電子設(shè)備的電磁作用，對(duì)封閉的金屬回路產(chǎn)生壓電流，對(duì)開口的金屬回路產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。由于雷電電磁脈沖的作用十分強(qiáng)烈，感生的電壓可能很高。經(jīng)地線入地的雷電流會(huì)導(dǎo)致地網(wǎng)電壓升高，在接地系統(tǒng)中各接地點(diǎn)間產(chǎn)生很大的電壓差，它們都可能對(duì)自動(dòng)化設(shè)備造成干擾，輕則影響正常運(yùn)行，嚴(yán)重的則會(huì)引起設(shè)備損壞。

如長(zhǎng)洲三線四線船閘、桂平一線二線船閘、那吉船閘曾遭受多次感應(yīng)雷襲擊，瞬態(tài)過電壓致使廣播網(wǎng)絡(luò)終端、廣播功放、PLC控制器及攝像機(jī)等均遭損壞。為此對(duì)船閘集中控制系統(tǒng)的電源、信號(hào)線路分別設(shè)置防雷裝置。

3.2.1 信號(hào)防雷

在信號(hào)傳輸線路中，最基本的做法是采用屏蔽線纜，并在設(shè)備前端加裝對(duì)應(yīng)的電涌保護(hù)器（SPD），用來保護(hù)后續(xù)設(shè)備，防止雷電波從信號(hào)線路涌入損傷設(shè)備，同時(shí)信號(hào)線路還需根據(jù)設(shè)備接口形式、工作電壓、阻抗特性、功率等參數(shù)要求，選擇適配的信號(hào)線路SPD：

PLC 控制系統(tǒng)通訊（如DP、MB+等）基于RS485的現(xiàn)場(chǎng)總線電纜一般采用專用屏蔽雙絞線，雷電在此處瞬時(shí)感應(yīng)電壓約l～2 kV，因此可能會(huì)造成較大的損害，可采用在設(shè)備接口兩端加裝RS485通訊專用信號(hào)SPD，當(dāng)通信電纜感應(yīng)雷產(chǎn)生瞬態(tài)過電壓時(shí)，感應(yīng)雷電流通過SPD支路經(jīng)接地裝置泄放到大地。

無線基站的天線饋線可在設(shè)備接口加裝饋線SPD，抑制從天線引入的雷電波，它采用波道分流技術(shù)，將雷電流和有用的信號(hào)分開。當(dāng)受到雷擊時(shí)快速有效地將感應(yīng)雷電流通過雷電支路泄放到大地。

廣播系統(tǒng)的音頻信號(hào)線路采用音頻信號(hào)SPD。部分區(qū)域廣播還采用中間繼電器進(jìn)行隔離，僅在有廣播時(shí)自動(dòng)接通，無廣播時(shí)切斷現(xiàn)場(chǎng)音柱與功放的線纜連接，盡可能地保護(hù)好主要設(shè)備。

控制系統(tǒng)和工業(yè)電視系統(tǒng)的以太網(wǎng)信號(hào)線路可在網(wǎng)絡(luò)接口處加裝以太網(wǎng)信號(hào)SPD。

控制系統(tǒng)的模擬量信號(hào)如水位計(jì)、開度儀、液壓泵站傳感器等加裝模擬量信號(hào)SPD。

針對(duì)同軸電纜的工業(yè)電視系統(tǒng)也有專用的視頻、控制、電源三合一綜合SPD，具備一體化防浪涌設(shè)計(jì)，能很好地平衡各線路電位差，有效防止因視頻、控制、電源線等電位差瞬時(shí)增大而造成的設(shè)備損壞。

桂平一線二線船閘、那吉船閘控制系統(tǒng)即是通過增加光端機(jī)、專用SPD、光纜等材料，將基于RS485 通信的現(xiàn)場(chǎng)總線同軸電纜更換為光纜通訊，并將光纜內(nèi)2 根牽引鋼絲短接為一體做好接地處理，以均衡電位，防止接頭處產(chǎn)生電弧放電。對(duì)于光端機(jī)和放大器等做好電源的可靠防雷及接地。經(jīng)過改造后的控制系統(tǒng)明顯提高了抗雷擊防護(hù)能力。

3.2.2 電源防雷

控制系統(tǒng)的電源線應(yīng)考慮不少于3級(jí)防雷。第一級(jí)安裝在電源箱中，IN=40 kA SPD電源。第二層安裝在機(jī)房控制柜中，IN=20 kA SPD電源。第三級(jí)對(duì)精密設(shè)備采取最終級(jí)保護(hù)措施，交流電源在設(shè)備前部采取添加IN=10 kA SPD電源，直流電源在設(shè)備電源輸入端采取添加SPD DC電源。

攝像機(jī)電源通常使用AC220V或DC12V。攝像機(jī)由直流變壓器供電。單相SPD 電源必須串聯(lián)在直流變壓器的前部。如果直流電源的傳輸距離超過15 m，攝像機(jī)端部也必須與低壓直流SPD連接。

如果無法進(jìn)行分級(jí)電源浪涌保護(hù)，建議在機(jī)房、室內(nèi)安裝三相B+C 型電源，并在UPS 電源前安裝單相SPD串聯(lián)電源，作為電源線的第三級(jí)保護(hù)。

3.2.3 雷電波入侵防護(hù)

控制系統(tǒng)防雷方式應(yīng)采取信號(hào)及低壓電源線路全程穿金屬管埋地敷設(shè)，金屬管兩端務(wù)必做好有效接地，當(dāng)采用架空線時(shí)，在進(jìn)入建筑物處應(yīng)采用一段長(zhǎng)度不小于2 m 的金屬保護(hù)管埋地引入，并加裝相應(yīng)的防雷SPD。進(jìn)入建筑物時(shí)，金屬管道必須連接到超導(dǎo)設(shè)備上。一個(gè)100 m的圓圈中的建筑必須經(jīng)過25 m 左右?？箾_擊面料不應(yīng)超過20 Ω。安裝在下水道中的金屬管道也必須在建筑物入口處連接到地面。所有這些緊固件應(yīng)盡可能多地由鋼混凝土或用作地板支撐的金屬底座制成。

3.2.4 有效接地

接地是防雷系統(tǒng)中最基礎(chǔ)的環(huán)節(jié)，也是防雷安裝驗(yàn)收規(guī)范中最基本的安全要求，無論哪種方式的防雷保護(hù)，都必須具備有效的接地，才能將雷擊帶來的過電壓、過電流在未達(dá)設(shè)備最大耐受電壓、電流之前，就已經(jīng)泄放到了大地。設(shè)備的接地線應(yīng)盡可能就近，盡可能短。接地裝置具有接地電阻要求?？刂葡到y(tǒng)的接地電阻不得大于4 Ω。

3.2.5 日常保養(yǎng)與維護(hù)

設(shè)備的接地電阻需定期進(jìn)行監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)阻值偏大，要立即進(jìn)行降阻處理，防范于未然，保障防雷設(shè)備在需要的時(shí)刻能發(fā)揮應(yīng)有的作用。定期檢查每級(jí)電涌保護(hù)器的本體工作狀態(tài)：運(yùn)行指示燈、熔絲或其斷路器保護(hù)動(dòng)作等是否正常。

4 結(jié)語

上面只是簡(jiǎn)單研究分析了一些在船閘集中控制系統(tǒng)上的防雷措施，這些措施近年在西江聯(lián)合調(diào)度船閘控制系統(tǒng)升級(jí)改造中進(jìn)行了推廣應(yīng)用，并取得了良好的效果，設(shè)備故障及損毀率都明顯下降。

真正的船閘系統(tǒng)性防雷是一項(xiàng)比較復(fù)雜的工程，不是依靠某一種防雷設(shè)備或防雷措施就能完全消除雷擊造成的影響，必須針對(duì)雷害入侵途徑，以及可能產(chǎn)生雷擊的因素進(jìn)行排除，采用接閃、等電位、屏蔽、接地、分流等綜合防治措施，才能使船閘集中控制系統(tǒng)最大限度免受雷電襲擊，有效保障船閘全天候暢通運(yùn)行。

在做好船閘集中控制系統(tǒng)防雷措施的同時(shí)，還需提高對(duì)雷電的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及數(shù)據(jù)分析處理，必要時(shí)安裝閃電接收實(shí)時(shí)報(bào)警裝置，根據(jù)閃電分布及發(fā)展情況提前啟動(dòng)防雷應(yīng)急預(yù)案，乃至短暫關(guān)閉控制系統(tǒng)，以減輕雷電造成的損失。