水利工程信息控制系統(tǒng)雷擊分析

黃為民

廣州市水務(wù)工程建設(shè)管理中心

水利工程信息控制系統(tǒng)雷擊分析

黃為民

廣州市水務(wù)工程建設(shè)管理中心

水利工程信息控制系統(tǒng)逐步廣泛應(yīng)用到水利工程過程中，由雷擊造成的信息控制系統(tǒng)組成元器件的損壞日益增多。文章先介紹了水利工程信息控制系統(tǒng)的組成與結(jié)構(gòu)，從其組成和結(jié)構(gòu)入手結(jié)合雷擊的各類方式，分析了累計(jì)對(duì)信息控制系統(tǒng)的破壞作用，從雷擊原理上為其防雷措施提供了思路。

水利工程信息系統(tǒng)雷擊

引言

近年電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用已深入到水利系統(tǒng)，并形成具有其專業(yè)特色的水利工程信息系統(tǒng)。用于監(jiān)測(cè)工況、水文、地震等眾多與水利設(shè)施相關(guān)參數(shù)。對(duì)取得參數(shù)進(jìn)行智能分析、處理、傳遞，使決策者能準(zhǔn)確、及時(shí)、科學(xué)地作出決策。水利工程信息系統(tǒng)有眾多高科技儀器及半導(dǎo)體電子器件加計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)組成，雷電引至的過電壓，最容易對(duì)這些設(shè)備造成破壞。如令排洪閘失控或各種檢測(cè)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤或調(diào)度失當(dāng)，造成事故或錯(cuò)失經(jīng)濟(jì)效益。分析雷電對(duì)水利工程信息控制系統(tǒng)的破壞機(jī)理，保護(hù)這些嬌貴的電子器件安全準(zhǔn)確運(yùn)行就是水利工程信息控制系統(tǒng)防雷課題任務(wù)之一。

1　水利工程信息控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

水利工程信息控制系統(tǒng)按功能劃分有幾大部分：負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)、采樣的傳感器部分；負(fù)責(zé)信號(hào)傳輸、控制線路部分；執(zhí)行指令部分；閉路電視系統(tǒng)、無線電收發(fā)系統(tǒng)、電源部分。圖1是某水庫(kù)信息系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)。

圖1　水庫(kù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成和功能方框圖

以上系統(tǒng)通過布設(shè)在流域各采樣點(diǎn)的雨量計(jì)，取得庫(kù)區(qū)實(shí)時(shí)雨情累計(jì)雨量，并經(jīng)計(jì)算機(jī)與庫(kù)存水位對(duì)比得出水位預(yù)測(cè)，發(fā)電、泄洪指令將據(jù)此做出判斷。它還對(duì)大壩承受壓力，地層溫度、水平、垂直位移、裂度、撓度、滲漏等實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，將數(shù)據(jù)與歷來數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，自動(dòng)發(fā)出各種指令性信號(hào)，如向水庫(kù)區(qū)及有關(guān)部門發(fā)布水位情報(bào)、險(xiǎn)情、搶險(xiǎn)動(dòng)員警報(bào)、庫(kù)區(qū)人員緊急疏散警報(bào)，分析累積數(shù)據(jù)，可為大壩維修，加固提供可靠數(shù)據(jù)。

智能化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能使決策準(zhǔn)確，及時(shí)，執(zhí)行迅速，這是確保人民生命財(cái)產(chǎn)安全、發(fā)揮設(shè)備效益的有效措施，又是充分發(fā)揮水利工程經(jīng)濟(jì)效益的手段。所以水利工程設(shè)施的信息智能系統(tǒng)安全、可靠運(yùn)行是至關(guān)重要的。

2　水利工程信息控制系統(tǒng)雷擊分析

實(shí)踐證明，水利工程監(jiān)控信息系統(tǒng)各部雷害來源主要是以下三個(gè)途徑∶一是電源線引入；二是信號(hào)線引入；三是地線和零線反擊。

2.1雷電從電源線引入

低壓輸電線受到直擊雷襲擊的幾率較少，由電源線引入的雷害往往是直擊雷擊中高壓架空線，雷電從高壓端經(jīng)過變壓器耦合至低壓端，傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)把設(shè)備擊毀；另外是變壓器高壓線被雷擊，雷電波通過高壓避雷器引入地線，而地線又與變壓器外殼和低壓的系統(tǒng)PEN 線相接，雷電波便會(huì)進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)［1］。

2.2感應(yīng)過電壓侵入電源線和信號(hào)線

在電源線和信號(hào)線（尤其是架空的導(dǎo)線）附近發(fā)生空對(duì)地閃擊，或者空對(duì)空即雷云對(duì)雷云之間發(fā)生閃擊都會(huì)發(fā)生電流對(duì)時(shí)間一次導(dǎo)數(shù)的電磁浪涌，它們通過空間以無線電波的形式傳播，這種電磁波在金屬導(dǎo)線中感應(yīng)的電勢(shì)往往可以達(dá)到幾千伏乃至幾萬伏，如圖2所示，雷擊某避雷針時(shí)，避雷針引下線附近有電路L，它與避雷針引下線之間的互感為M，在L線回路兩邊將發(fā)生感應(yīng)電壓［2］：

圖2　雷電流的電感效應(yīng)

其中X1為線路L的一邊與DC的距離，X2為L(zhǎng)的另一邊與DC的距離，把（2）代入（1）得L回路感生電勢(shì)：

其中I為雷電流 i 的峰值。當(dāng)避雷針引下線與L電路不平行而成夾角α?xí)r，（3）再乘以 L 回路對(duì) D C 的投影，即：

其中：I—雷電流；

u—引下線的電壓；

DC—引下線；

L—與引下線之間的互感為M的金屬環(huán)路；

l--金屬環(huán)路導(dǎo)線的長(zhǎng)度；

uI=M（di/dt），電感性感應(yīng)電壓。

2.3雷電從地線、零線反擊與共地網(wǎng)措施

人類對(duì)接地網(wǎng)技術(shù)的認(rèn)識(shí)是循序漸進(jìn)的，關(guān)于信息系統(tǒng)的接地到底應(yīng)該與電源系統(tǒng)的接地分開成兩個(gè)接地網(wǎng)還是共用一個(gè)接地網(wǎng)的問題是爭(zhēng)論了幾十年的老問題。但是，當(dāng)時(shí)使用的電子管，瞬時(shí)的過電壓和過電流的耐受能力較強(qiáng)；然而90年代以后通信技術(shù)有很大提高，普遍采用晶體管和集成電路，這些器件對(duì)瞬間的過電壓、過電流沖擊的耐受能力很脆弱，同時(shí)信號(hào)的形式基本上都采用了數(shù)字通信，都是以“1”、“0”作為信息碼，在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信中，通常“1”為5V，“0”為0V在“0”與“1”之間有很大寬裕范圍，所以它的抗干擾能力很強(qiáng)。只要設(shè)計(jì)合理，50赫茲交流電源殘余電壓的干擾一般不會(huì)影響它的工作可靠性，反而電源接地與信號(hào)接地分開時(shí)，每當(dāng)雷擊的時(shí)候，兩個(gè)地網(wǎng)之間的電位差往往會(huì)使計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的調(diào)制解調(diào)器和網(wǎng)卡損壞。

近幾年來國(guó)際電工委員會(huì)第81技術(shù)委員會(huì)的IEC 1024--1：1900文和我國(guó)的《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50057-94）都明確指出以上接地應(yīng)該采用同一個(gè)地網(wǎng)，或把原來分開接地的幾個(gè)地網(wǎng)連接起來成為統(tǒng)一的接地網(wǎng)。新的接地要求來了一個(gè)180°大拐彎。其根據(jù)是：假定在某一通信設(shè)備（如計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的調(diào)制解調(diào)器、網(wǎng)卡等）內(nèi)有這樣一塊電路板，其信號(hào)輸入端 A 和電源輸入端B（圖3），如果都有自己的不同接地系統(tǒng)，并且兩個(gè)接地系統(tǒng)之間沒有電的聯(lián)系。當(dāng)工作系統(tǒng)所在的大樓或大樓附近落雷，那么落雷點(diǎn)將有很強(qiáng)大的電流入地，這時(shí)地面上將形成一個(gè)電場(chǎng)，假定土壤電阻率是均勻的，那么地面上電場(chǎng)的等位線將為一組同心圓，如圖4所示。

圖中c點(diǎn)是雷電流入地點(diǎn)，a、b點(diǎn)分別為A、B接地點(diǎn)上的電位，即圖中信號(hào)輸入端和電源輸入端的電位。如果把雷電流輸入點(diǎn)c看作是點(diǎn)電源，則地面各點(diǎn)的電位與c點(diǎn)的距離成下式（5）的關(guān)系，根據(jù)電磁場(chǎng)理論，地面上某點(diǎn)電壓：

式中r為測(cè)試點(diǎn)之間 的徑向距離（如圖3中的電源輸入端B和信號(hào)輸入端A），因此兩接地線a、b之間的電壓：

圖3　不同接地系統(tǒng)的通信設(shè)備示意圖

圖4　雷電流入地時(shí)地面上的等電位電場(chǎng)

式中∶ρ—土壤電阻率Ω·m

I—雷電流的峰值，A平均30KA，最高達(dá)200～300KA。

所以Vab很容易達(dá)到幾千伏乃至幾萬伏，即一塊線路板上兩個(gè)接地系統(tǒng)存在這樣高的瞬間電壓，線路板上的元件當(dāng)然很容易被擊壞，如果兩個(gè)系統(tǒng)合用同一個(gè)接地網(wǎng)或把兩個(gè)接地系統(tǒng)之間用導(dǎo)線連接起來使其等電位，那樣上述Vab高電壓就不存在了，線路板被擊穿的可能性便大大降低［3］。

結(jié)束語：

水利工程信息控制系統(tǒng)逐步廣泛應(yīng)用到水利工程過程中，由雷擊造成的信息控制系統(tǒng)組成元器件的損壞日益增多。文章在水利工程信息控制系統(tǒng)的組成與結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，分析了水利工程監(jiān)控信息系統(tǒng)各部雷擊的三個(gè)主要來源∶一是電源線引入；二是信號(hào)線引入；三是地線和零線反擊。詳細(xì)總結(jié)了各來源雷擊的破壞原理，為防雷措施的選擇提供了參考基礎(chǔ)。

［1］ 邱毓昌，施圍，張文元.高電壓工程［M］. 西安：西安交通大學(xué)出版社，1995

［2］ 邱關(guān)源等.電路（第三版）［M］. 北京：高等教育出版社，1989

［3］ 呂仁清，蔣全興.電磁兼容性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［M］. 南京：東南大學(xué)出版社，1989