船閘集中控制系統(tǒng)防雷研究

禤德釗

（廣西西江開發(fā)投資集團有限公司，南寧 530022）

1 概況

當(dāng)前，廣西西江開發(fā)投資集團有限公司已經(jīng)實現(xiàn)對廣西境內(nèi)長洲、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個梯級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)備實現(xiàn)統(tǒng)一集中控制，實現(xiàn)集中控制的船閘現(xiàn)場運維人員較以往大幅減少，實現(xiàn)了“無人值守、少人應(yīng)急”運行值班模式。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，有時偶然一次雷雨過程，就會造成數(shù)個梯級船閘的工業(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)機電設(shè)備不能正常啟動等情況，導(dǎo)致應(yīng)急維護人員疲于應(yīng)對，不能在短時間內(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維成本，造成經(jīng)濟損失。

本文通過對多個船閘現(xiàn)場防雷應(yīng)用的經(jīng)驗及效果進行分析，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)備正常運行，據(jù)此提出防范雷電災(zāi)害的綜合防護措施、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)和機械效應(yīng)等混合力作用直接對設(shè)備造成損壞，這種雷擊方式造成的破壞最嚴重，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地放電，靠近外部傳輸信號線，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，周圍會產(chǎn)生強大的瞬態(tài)電磁場。電磁場中的監(jiān)控設(shè)備和傳輸線檢測到可能損壞連接設(shè)備的顯著電動勢。一般來說，對于線路，在一定強度的雷電云下，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，雷云下的建筑物、控制設(shè)備和輸電線路會產(chǎn)生與雷云相反的電荷，產(chǎn)生瞬時浪涌。這種現(xiàn)象稱為靜電感應(yīng)。感應(yīng)雷電對設(shè)備外觀造成的損壞不是直接雷電造成的，但通常會導(dǎo)致設(shè)備內(nèi)部電子部件損壞，導(dǎo)致設(shè)備運行異常。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，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)自身特點分類采取針對性的綜合防雷措施。

3.1 直擊雷的防護

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)分布的一般不會受到直擊雷擊，但需考慮防止雷電過電壓對設(shè)備的侵害，而室外的設(shè)備則同時需考慮防止直擊雷。

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、信號燈等應(yīng)置于避雷針或金屬防護罩有效保護范圍之內(nèi)，避雷針保護高度根據(jù)滾球法確定，但避雷針接閃過程中容易在被保護物體上形成感應(yīng)電流，不適合獨立保護弱電設(shè)備，在實際使用中需要采用多級防雷系統(tǒng)進行綜合保護。對于已經(jīng)在避雷針保護區(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)場環(huán)境特點，對部分關(guān)鍵設(shè)備采用球面防護罩防雷，球面設(shè)計改變了磁場和電荷的分布，使其相對于避雷針更不易引雷，大大降低遭受雷擊的風(fēng)險。

貴港船閘則采用電暈場驅(qū)雷器，無需電源、利用雷云電場自激發(fā)電暈放電，在電暈場驅(qū)雷器及被保護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目標之間的雷擊通道導(dǎo)通，進而有效保護被保護目標，起到了良好的防雷驅(qū)雷效果。

3.2 感應(yīng)雷的防護

雷擊產(chǎn)生的瞬變電磁場會影響電子設(shè)備的電磁作用，對封閉的金屬回路產(chǎn)生壓電流，對開口的金屬回路產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。由于雷電電磁脈沖的作用十分強烈，感生的電壓可能很高。經(jīng)地線入地的雷電流會導(dǎo)致地網(wǎng)電壓升高，在接地系統(tǒng)中各接地點間產(chǎn)生很大的電壓差，它們都可能對自動化設(shè)備造成干擾，輕則影響正常運行，嚴重的則會引起設(shè)備損壞。

如長洲三線四線船閘、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控制器及攝像機等均遭損壞。為此對船閘集中控制系統(tǒng)的電源、信號線路分別設(shè)置防雷裝置。

3.2.1 信號防雷

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

PLC 控制系統(tǒng)通訊（如DP、MB+等）基于RS485的現(xiàn)場總線電纜一般采用專用屏蔽雙絞線，雷電在此處瞬時感應(yīng)電壓約l～2 kV，因此可能會造成較大的損害，可采用在設(shè)備接口兩端加裝RS485通訊專用信號SPD，當(dāng)通信電纜感應(yīng)雷產(chǎn)生瞬態(tài)過電壓時，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分開。當(dāng)受到雷擊時快速有效地將感應(yīng)雷電流通過雷電支路泄放到大地。

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

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

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

針對同軸電纜的工業(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，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、專用SPD、光纜等材料，將基于RS485 通信的現(xiàn)場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。對于光端機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級防雷。第一級安裝在電源箱中，IN=40 kA SPD電源。第二層安裝在機房控制柜中，IN=20 kA SPD電源。第三級對精密設(shè)備采取最終級保護措施，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。

攝像機電源通常使用AC220V或DC12V。攝像機由直流變壓器供電。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，攝像機端部也必須與低壓直流SPD連接。

如果無法進行分級電源浪涌保護，建議在機房、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保護。

3.2.3 雷電波入侵防護

控制系統(tǒng)防雷方式應(yīng)采取信號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，在進入建筑物處應(yīng)采用一段長度不小于2 m 的金屬保護管埋地引入，并加裝相應(yīng)的防雷SPD。進入建筑物時，金屬管道必須連接到超導(dǎo)設(shè)備上。一個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)，也是防雷安裝驗收規(guī)范中最基本的安全要求，無論哪種方式的防雷保護，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

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

4 結(jié)語

上面只是簡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)升級改造中進行了推廣應(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，必須針對雷害入侵途徑，以及可能產(chǎn)生雷擊的因素進行排除，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行。

在做好船閘集中控制系統(tǒng)防雷措施的同時，還需提高對雷電的實時監(jiān)測及數(shù)據(jù)分析處理，必要時安裝閃電接收實時報警裝置，根據(jù)閃電分布及發(fā)展情況提前啟動防雷應(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。