某水電站內(nèi)部觀測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)防雷措施

張世中,胡哲(中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所,北京100085)

某水電站內(nèi)部觀測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)防雷措施

張世中,胡哲
(中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所,北京100085)

簡(jiǎn)要介紹了某水電站內(nèi)部觀測(cè)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng),重點(diǎn)介紹了系統(tǒng)所采用的整體屏蔽、交流電源防雷、通信線路防雷、傳感器線路防雷等各項(xiàng)防雷措施。在應(yīng)用中對(duì)發(fā)生的數(shù)次雷擊事件進(jìn)行了仔細(xì)分析,查找出雷擊造成設(shè)備損壞的原因,并針對(duì)其提出了改進(jìn)措施,提高了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的防雷能力,取得了良好的效果。

水電;自動(dòng)化;雷擊;

1 工程概況

圖1 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)交流220 V供電示意圖Fig.1 Diagram of AC 220 power supply of an automatic supervisory system

圖2 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)RS485布線示意圖Fig.2 Diagram of RS485 net of an automatic supervisory system

2006年,受某水電站委托,對(duì)其大壩擴(kuò)機(jī)工程內(nèi)觀傳感器進(jìn)行自動(dòng)化改造。傳感器種類(lèi)有測(cè)斜儀、基巖變位計(jì)、多點(diǎn)位移計(jì)、測(cè)縫計(jì)、錨桿應(yīng)力計(jì)、錨索測(cè)力計(jì)、鋼筋計(jì)、滲壓計(jì)、應(yīng)變計(jì)、無(wú)應(yīng)力計(jì)、測(cè)壓計(jì)、溫度計(jì)、鋼板計(jì)共13種,共計(jì)700多支。在擴(kuò)機(jī)工程施工期監(jiān)測(cè)采用便攜式讀數(shù)儀進(jìn)行人工流動(dòng)觀測(cè),擴(kuò)機(jī)工程已經(jīng)完工驗(yàn)收,本次納入自動(dòng)化系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的傳感器(除溫度計(jì)不需觀測(cè)外)分別布置在8個(gè)部位,分為14個(gè)監(jiān)測(cè)站。

擴(kuò)機(jī)工程自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由傳感器、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量控制單元(14個(gè)監(jiān)測(cè)站共21臺(tái)MCU),系統(tǒng)交流220V供電,系統(tǒng)RS485數(shù)據(jù)通信,系統(tǒng)防雷,監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)及其外部設(shè)備,自動(dòng)化監(jiān)測(cè)管理信息系統(tǒng)軟件等軟、硬件組成。同時(shí),該系統(tǒng)還為老廠自動(dòng)化觀測(cè)設(shè)計(jì)預(yù)留足夠的接口,以便今后全部自動(dòng)化觀測(cè)項(xiàng)目在同一軟件環(huán)境下運(yùn)行。下面簡(jiǎn)要介紹該自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的部分結(jié)構(gòu)。

1.1 交流供電

因?yàn)?4個(gè)監(jiān)測(cè)站分布在不同高程,相互距離較遠(yuǎn),統(tǒng)一的220 V供電會(huì)造成最遠(yuǎn)端監(jiān)測(cè)站電壓低于數(shù)據(jù)采集器所要求的電源電壓,所以將220 V電源按照分布位置使用2臺(tái)交流防雷穩(wěn)壓電源供電,如圖1所示。

1.2 RS485通信

根據(jù)監(jiān)測(cè)中心和各監(jiān)測(cè)站處于不同高程的地理位置,將RS485的連接方式設(shè)計(jì)如圖2所示,考慮RS485總線的負(fù)載能力,在11#測(cè)站加RS485中繼器1只。

1.3 防雷措施

由于該大壩地處高雷區(qū),年平均雷暴日為50 d左右,從每年3月份到9月份,時(shí)間跨度長(zhǎng)大半年多,所以對(duì)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的防雷要求較高,經(jīng)技術(shù)人員現(xiàn)場(chǎng)勘查,自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采取了以下防雷措施。

1.3.1 整體屏蔽

14個(gè)監(jiān)測(cè)站的設(shè)備機(jī)柜全部安放在山洞或辦公大樓內(nèi)部,避免遭受直擊雷;現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備裝配在良好接地的鋼制機(jī)柜內(nèi),重要的模塊和關(guān)鍵器件采取二次屏蔽,裝配在機(jī)柜內(nèi)的鋼制機(jī)箱中;所有的交流電線路和RS485通信雙絞線盡可能在山洞內(nèi)鋪設(shè),有很少一部分必須在洞外的線路采用埋地加金屬管接地保護(hù)措施。

1.3.2 交流電源防雷

為防止感應(yīng)雷電沿交流電纜線侵入監(jiān)測(cè)設(shè)備,綜合采取了多種措施:①采用交流防雷穩(wěn)壓電源提供交流220 V;②在各監(jiān)測(cè)站設(shè)備機(jī)柜中采用防雷模塊和保險(xiǎn)絲;③采用隔離線性電源產(chǎn)生直流電源,各主控板和采集板所需的直流電源再采用DC-DC隔離電源模塊提供。如圖3,4,5所示。

圖3 交流防雷穩(wěn)壓電源示意圖Fig.3 Diagram of AC power lightning-proof steady-voltage system

圖4 隔離線性電源示意圖Fig.4 Diagram of insulation linearity power

圖5 直流電源控制板示意圖Fig.5 Diagram of DC power control module

1.3.3 通信線路防雷

為防止感應(yīng)雷電沿RS485通信線路侵入監(jiān)測(cè)設(shè)備,在RS485線路進(jìn)監(jiān)測(cè)站機(jī)柜的后面采用串聯(lián)型SPD連接,并且將主控板和采集板的485接口都設(shè)計(jì)為光隔型,如圖6所示。

圖6 RS485防雷措施示意圖Fig.6 Diagram of lightning proof methods of RS485

1.3.4 傳感器線路防雷

根據(jù)設(shè)計(jì),該大壩擴(kuò)機(jī)內(nèi)觀所用的傳感器的埋設(shè),在擴(kuò)機(jī)開(kāi)始就嚴(yán)格依照設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)傳感器鋪設(shè)在山體外部的線路,采取穿金屬管接地保護(hù)方式引到各監(jiān)測(cè)站,這部分工作已通過(guò)監(jiān)理驗(yàn)收。自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),在采集板的信號(hào)入口增加了TVS器件,進(jìn)一步提高其防雷能力。傳感器線路防雷如圖7所示。

圖7 傳感器防雷措施示意圖Fig.7 Diagram of lightning-proof methods of sensors

2 雷擊事件調(diào)查

2.1 雷擊事件

該自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)2007年1月通過(guò)技術(shù)驗(yàn)收,至2007年8月發(fā)生了5次雷擊損壞事件,具體見(jiàn)表1。

表1 雷擊事件統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistics of lightning stroke

2007年4月的8#,9#測(cè)站遭受雷擊,造成通訊防雷模塊損壞。經(jīng)技術(shù)人員現(xiàn)場(chǎng)檢查,故障原因?yàn)樵O(shè)備安裝時(shí)受現(xiàn)場(chǎng)其它項(xiàng)目施工影響,監(jiān)測(cè)中心通向8#,9#測(cè)站的通訊電纜線中,有一部分采用的是臨時(shí)架空方式,并且沒(méi)有采用金屬管道保護(hù)接地,造成通訊線路遭受到感應(yīng)雷擊。找到故障原因后,立即將架空線路改造成為埋地金屬管接地保護(hù)方式,這之后,8#,9#測(cè)站通訊線路再?zèng)]有發(fā)生遭受雷擊損壞事件。

2007年3月、5月、7月自動(dòng)化測(cè)量系統(tǒng)的13#測(cè)站相繼發(fā)生雷擊損壞事件,3月和5月兩次雷擊損壞小,技術(shù)人員在更換損壞的采集板后重新檢查自動(dòng)化測(cè)量系統(tǒng),但未發(fā)現(xiàn)異常情況。7月底又發(fā)生強(qiáng)雷擊事件,造成13#測(cè)站多塊設(shè)備模塊損壞,技術(shù)人員趕赴現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行維修,在更換設(shè)備重新恢復(fù)自動(dòng)化測(cè)量后,繼續(xù)查找雷擊原因,但還是沒(méi)有找到原因。直至到8月初該水電站又出現(xiàn)暴雷天氣,致使13#測(cè)站遭受雷擊癱瘓,同時(shí)9#,14#測(cè)站也遭受雷擊損壞。在此情況下,設(shè)計(jì)人員趕赴現(xiàn)場(chǎng)和水電站工作人員一起查找故障原因。

2.2 原因分析

8月初的雷擊過(guò)程釋放能量巨大,雷電發(fā)生時(shí),現(xiàn)場(chǎng)工作人員看見(jiàn)強(qiáng)光進(jìn)入值班室,當(dāng)時(shí)使用的筆記本電腦被強(qiáng)電磁脈沖干擾致死機(jī),無(wú)法重啟,到第二天才能重新啟動(dòng)電腦。自動(dòng)化系統(tǒng)的電源和通信以及傳感器線路結(jié)構(gòu)如圖1至圖7所示,下面我們分析雷擊損壞的原因:

電源線路:數(shù)次雷擊沒(méi)有造成自動(dòng)化系統(tǒng)中2臺(tái)交流防雷穩(wěn)壓電源損壞;各監(jiān)測(cè)站機(jī)柜中的保險(xiǎn)管也沒(méi)有損壞,220 V電源防雷模塊也沒(méi)有損壞。由此可以得出結(jié)論:雷擊沒(méi)有沿220 V交流電源線路入侵監(jiān)測(cè)站設(shè)備。

通訊線路:2007年4月8#,9#測(cè)站的通訊防雷模塊損壞后,將其架空線改變?yōu)槁竦鼐€路后,再?zèng)]有通訊防雷模塊損壞情況。由此得出結(jié)論:通訊線路改造后雷擊再?zèng)]有從通訊線路進(jìn)入。

傳感器線路:遭受雷擊次數(shù)最多的13#測(cè)站損壞最多的是采集板,處于設(shè)備結(jié)構(gòu)的后端,從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖分析,雷擊應(yīng)該是沿13#測(cè)站傳感器屏蔽線引入,從而造成采集板損壞,在雷電能量大的情況下,雷電還造成主控板、電源控制板甚至線性電源的損壞。9#,14#測(cè)站8月遭雷擊損壞也是由此原因造成的。由此得出結(jié)論:9#,13#,14#測(cè)站的雷擊是從傳感器屏蔽線引入。我們和水電站工作人員一同仔細(xì)檢查了13#測(cè)站在山體外的傳感器線路,最終確認(rèn)是在擴(kuò)機(jī)初期,施工人員沒(méi)有按照設(shè)計(jì)要求使用金屬管保護(hù)接地方式對(duì)傳感器線路進(jìn)行保護(hù),只是簡(jiǎn)單地使用水泥對(duì)裸露在山體外的傳感器線路涂抹,所以13#測(cè)站屢次遭受雷擊也就不足為怪了。9#,14#測(cè)站也有一少部分傳感器的線路情況和13#測(cè)站相同,只是由于地理位置的緣故,在雷電較小時(shí)僥幸沒(méi)有損壞,在8月份的強(qiáng)雷擊下,也有部分設(shè)備被損壞。

2.3 處理方法

找到監(jiān)測(cè)站遭雷擊的原因后,其改進(jìn)措施就是將各監(jiān)測(cè)站傳感器裸露在山體外部的部分采用金屬管接地保護(hù),但現(xiàn)場(chǎng)勘查結(jié)果卻發(fā)現(xiàn)困難很大。因?yàn)閭鞲衅魇窃跀U(kuò)機(jī)初期就埋設(shè)的,由于山體陡峭,需要重新架設(shè)腳手架將傳感器電纜從已經(jīng)凝固的水泥中剝離出來(lái),施工難度非常大,并且不能保證不損壞電纜。如果重新鋪設(shè)傳感器電纜,不僅施工難度大,而且成本將很高。經(jīng)過(guò)多方人員數(shù)次協(xié)商,最終確定對(duì)系統(tǒng)的采集板進(jìn)行技術(shù)改進(jìn),在采集板的傳感器接口處采用繼電器,平常傳感器的線路和采集板電路斷開(kāi),只有測(cè)量時(shí)才接通。此改進(jìn)的缺陷是在系統(tǒng)測(cè)量時(shí)(每天8:00測(cè)量,一個(gè)測(cè)站完成所有傳感器測(cè)量大約需要2 min時(shí)間)無(wú)法確保不受雷擊,所以另外在機(jī)柜傳感器入口增加防雷器件,如圖8所示。

圖8 防雷改進(jìn)措施示意圖Fig.8 Diagram of new lightning-proof measure

3 結(jié)語(yǔ)

在系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造后,防雷措施起到了作用,至今未出現(xiàn)雷擊損壞事件。通過(guò)此次雷擊事件,我們得出的教訓(xùn)是:對(duì)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的防雷措施,除在系統(tǒng)前期的設(shè)計(jì)階段采取一定的措施外,在施工階段必須嚴(yán)格按照規(guī)范執(zhí)行,只有這樣才能保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。需要強(qiáng)調(diào)的是,雖然采取了各種有效的防雷措施,但是日常維護(hù)工作必不可少,特別是在雷暴天氣過(guò)后,一定要仔細(xì)檢查防雷設(shè)備是否完好,如有損壞或性能降低,需要立即更換。只有設(shè)計(jì)、施工、管理全部到位,才能保證自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)正常運(yùn)行。

[1](德)哈塞.低壓系統(tǒng)的防雷保護(hù)(第二版)[M].傅正才,葉蜚譽(yù),譯.北京:中國(guó)電力出版社,2005.

[2]虞昊.現(xiàn)代防雷技術(shù)基礎(chǔ)(第二版)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2005.

[3]鄭軍奇.EMC電磁兼容設(shè)計(jì)與測(cè)試案例分析[M].北京:電子工業(yè)出版社,2006.

[4]楊克俊.電磁兼容原理與設(shè)計(jì)技術(shù)[M].北京:人民郵電出版社,2004.

[5]周志敏,周紀(jì)海,紀(jì)愛(ài)華,等.電氣電子系統(tǒng)防雷接地實(shí)用技術(shù)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2005.

(編輯:趙衛(wèi)兵)

Automatic Monitoring System of Lightning Stroke Proof Measure of Some Hydropower Station

ZHANG Shi-zhong,HU Zhe
(Institute of Crustal Dynamics,China Earthquake Administration,Beijing 100085,China)

This paper introduces the automatic monitoring system on inner observation of a hydropower station, especially describes lightning proof measures that have been used in the system.Several lightning strokes took place in August,2007.By means of analysis,it is concluded that the causation is lightning stroke to be led into inner of equipments through the shield-lines of the sensors so as to damage equipments.Some measures to improve the lightning proof capability of the automatic monitoring system were taken,and they are in perfect order at present.

hydropower;automatization;lightning stroke

TV737

A

1001-5485(2009)05-0031-03

2008-07-25;

2008-12-16

張世中(1970-),男,甘肅會(huì)寧人,碩士,副研究員,主要從事自動(dòng)化儀器研制及在工程中的應(yīng)用,(電話)010-62846750(電子信箱)zsz70@163.com。