水庫大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)雷擊分析

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摘要:碧流河水庫大壩附近是雷擊比較頻發(fā)的地區(qū)，雷電危害嚴(yán)重影響了安全監(jiān)測自動化設(shè)備的運(yùn)行。通過對碧流河水庫大壩安全監(jiān)測設(shè)備雷擊發(fā)生原因進(jìn)行分析，結(jié)合工程特點(diǎn)，采取恰當(dāng)?shù)姆览赘脑齑胧_保碧流河水庫大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

關(guān)鍵詞:安全監(jiān)測;防雷;措施

雷電災(zāi)害已被聯(lián)合國有關(guān)部門列為最嚴(yán)重的10種自然災(zāi)害之一，被中國電工委員會稱為“電子時(shí)代的一大公害”。碧流河水庫位于普蘭店區(qū)與莊河市分界的碧流河干流上，此地雷擊現(xiàn)象頻發(fā)。大壩安全監(jiān)測設(shè)備屬于弱電設(shè)備，自動化程度較高，且大都布置在野外，分布較廣，而水庫大面積水體、較高的壩體，以及附屬金屬設(shè)施等都是容易引發(fā)雷擊的因素。雷電產(chǎn)生高溫、猛烈的沖擊波以及強(qiáng)烈的電磁輻射等物理效應(yīng)，使其能在瞬間產(chǎn)生巨大的破壞作用，對大壩安全監(jiān)測設(shè)備造成嚴(yán)重的威脅。因此，分析雷擊發(fā)生的原因，采取有效的防雷措施，確保大壩安全監(jiān)測設(shè)備正常運(yùn)行十分必要。

1概況

1.1工程概況

碧流河水庫工程由主壩、副壩、溢洪道、輸水洞和發(fā)電站等組成。主壩由混凝土重力壩、瀝青混凝土心墻土壩和堆石壩3種壩型組成，總長708.5m，最大壩高53.5m，壩頂寬10.5m。副壩有3座，一副壩為黏土心墻土壩，最大壩高21.7m，壩長227m;二副壩為均質(zhì)壩，最大壩高9.3m，壩長380m;三副壩為瀝青混凝土心墻堆石壩，最大壩高10m，壩長53.5m。碧流河水庫始建于1975年10月，1986年10月竣工。水庫最大庫容為9.34億m3，是以城市供水為主，兼有防洪、發(fā)電、灌溉、養(yǎng)殖、旅游等綜合效益的大(Ⅱ)型水利樞紐工程。

1.2安全監(jiān)測系統(tǒng)概況

碧流河水庫大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測項(xiàng)目主要包括壩體變形監(jiān)測、滲流監(jiān)測和環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測等。自動化監(jiān)測系統(tǒng)共有采集單元箱(MCU)12個(gè)，其中，滲流監(jiān)測箱5個(gè)，分別位于機(jī)房、1#豎井、一副壩、二副壩等處，變形監(jiān)測箱7個(gè)，分別位于機(jī)房、1#豎井、土壩廊道、基礎(chǔ)廊道等處。廊道內(nèi)的采集單元箱采用ＲS485通訊線通信，廊道外的采集單元箱除二副壩采集箱采用無線通信外，其他均采用光纖通信。自動化監(jiān)測中心位于壩上主機(jī)房內(nèi)，滲流監(jiān)測設(shè)備和變形監(jiān)測設(shè)備分別采用北京基康大壩安全監(jiān)測設(shè)備和南京南瑞壩安全監(jiān)測設(shè)備。采集單元箱相關(guān)布置信息見表1。

1.3安全監(jiān)測系統(tǒng)存在的問題

碧流河水庫大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)分別于2013年、2017年進(jìn)行了設(shè)備的升級改造，目前各測量儀器均能正常工作。但受天氣和環(huán)境的影響，系統(tǒng)自建成以來，每年均有MCU設(shè)備被雷擊損壞，據(jù)水庫管理部門統(tǒng)計(jì)，多年來，所有MCU設(shè)備都曾因雷擊而損壞過。為減少雷擊次數(shù)，降低損失，每逢降雨季節(jié)，水庫管理部門只能采取在采集數(shù)據(jù)時(shí)臨時(shí)開機(jī)的方式，為日常管理帶來極大不便。

2雷擊分析

2.1雷擊方式說明

雷擊可分為直擊雷和感應(yīng)雷。直擊雷是雷電直接擊在露天的設(shè)備上造成損壞;感應(yīng)雷是當(dāng)建筑物或者電氣設(shè)備遭受雷擊后，巨大的雷電流在周圍迅速變化產(chǎn)生磁場，這種磁場能在其附近的金屬導(dǎo)體上感應(yīng)出很高的電壓，從而對設(shè)備產(chǎn)生破壞。雷擊的破壞通道有空間通道、信號通道、電源通道、地電位反擊通道等，單一的電氣防護(hù)措施是無法滿足防雷要求的，特別是電子設(shè)備對雷電更加敏感，需采取更加嚴(yán)密的防雷措施。

2.2壩址地理環(huán)境

碧流河水庫地處普蘭店區(qū)、莊河市和蓋州市的交界處，為低山區(qū)，多年平均氣溫8.4℃，平均相對濕度為72%，最大濕度90%，年平均水溫12℃，多年平均降水量780mm，多年平均雷暴天數(shù)為21d，平均地閃密度約為2.3次/km2·a，屬于中雷區(qū)。由于山區(qū)雨水滲進(jìn)壩體，經(jīng)常起到引雷和傳遞感應(yīng)電流的作用。

2.3雷擊成因分析

雖然碧流河水庫大壩已有防雷接地系統(tǒng)，但壩上監(jiān)測室及安全監(jiān)測系統(tǒng)沒有與大壩主接地系統(tǒng)可靠連接。另外，土壩廊道及二副壩處的采集單元箱并沒有進(jìn)行接地，無法形成等電位設(shè)計(jì)。一副壩采集單元箱雖已接地，但接地電阻較高，已經(jīng)超過10Ω，可能會形成高電位。同時(shí)，采集單元箱僅采用電源防雷模塊防雷，并沒有采取信號防雷措施，雷電流可能會沿著信號電纜傳導(dǎo)至MCU。MCU設(shè)備供電電源處未安裝防浪涌保護(hù)裝置，也沒有有效防雷措施。設(shè)備的高低壓電纜雜亂布置。另外，負(fù)責(zé)滲流監(jiān)測的數(shù)據(jù)采集單元為2013年安裝，其抗干擾能力已經(jīng)落后，不如經(jīng)過升級換代的新產(chǎn)品。

3防雷改造措施

3.1建立完善的接地網(wǎng)

(1)在大壩廊道內(nèi)建立有效的接地網(wǎng)，在廊道內(nèi)沿墻面敷設(shè)一圈YJV－1×70銅纜作為接地干線，使之形成閉合接地環(huán)，并用卡子固定，將銅纜一端引出用銅鼻子與壩上主接地網(wǎng)可靠連接形成一整個(gè)接地網(wǎng)，連接處做防腐處理，確保接地電阻不大于1Ω。同時(shí)，采用YJV－1×25銅纜將廊道內(nèi)采集單元箱的外殼、接地銅排、電纜架與接地干線可靠連接。(2)主壩機(jī)房接地設(shè)計(jì)采用S型等電位接地設(shè)計(jì)，在上層機(jī)房離地400mm距離沿墻敷設(shè)一段30×3紫銅排，機(jī)房上層所有電氣及電子設(shè)備的金屬外殼、接地排、金屬管道、靜電地板骨架等構(gòu)筑物以及高低壓進(jìn)出電纜的金屬外皮、通訊信號線的金屬外皮均與紫銅排可靠連接，同時(shí)將紫銅排用YJV－1×25銅芯電纜引下至下層等電位端子箱(MEB)。在機(jī)房下層設(shè)置總等電位端子箱(MEB)，機(jī)房下層所有電氣及電子設(shè)備的金屬外殼、接地銅排、金屬管道等構(gòu)筑物以及高低壓進(jìn)出電纜的金屬外皮、通訊信號線的金屬外皮均與MEB可靠連接，同時(shí)將MEB與機(jī)房接地干線可靠連接，以達(dá)到設(shè)備的等電位要求。機(jī)房接地干線要與大壩主接地網(wǎng)可靠焊接，使機(jī)房接地電阻不大于1Ω，如果不滿足要求，需要在室外補(bǔ)打接地極，直至滿足要求。接地極埋設(shè)位置應(yīng)避開巖石，選擇河邊深土層。(3)一副壩離主壩較遠(yuǎn)，難以做到大型開挖，無法將其接地網(wǎng)與主壩主接地網(wǎng)焊接，可采用補(bǔ)打接地極的方式進(jìn)行降阻。在一副壩機(jī)房附近適當(dāng)位置將4根或多根2.5m長的角鋼(∠50×5)垂直打入地下離地面1.0m處，每根角鋼相距5m。用－50×5熱鍍鋅扁鋼將所有角鋼串聯(lián)焊接在一起，形成環(huán)形接體。再用－50×5熱鍍鋅扁鋼將接地極與一副壩機(jī)房接地網(wǎng)可靠焊接，使接地電阻不大于1Ω。一副壩機(jī)房內(nèi)部做等電位設(shè)計(jì)，配電箱外殼、金屬管道、采集單元箱的外殼、接地排等與內(nèi)部MEB可靠連接。接地極埋設(shè)位置應(yīng)避開巖石，選擇河邊深土層。(4)二副壩處的采集單元箱沒有做接地，需要補(bǔ)打接地極，其方法與一副壩做法相同。(5)其他為采集單元箱提供電源的房間場所均做S型等電位設(shè)計(jì)，做法參見機(jī)房。(6)接地極焊接處需做防腐處理，將焊縫處理干凈后涂刷防腐導(dǎo)電漆三遍。

3.2電源改造

電源改造的目的是在雷電流來臨時(shí)，在電源端將電流快速泄入大地，從而對設(shè)備進(jìn)行保護(hù)。(1)碧流河水庫所有采集單元箱的電源均取自附近配電箱，在所有配電箱內(nèi)安裝放電電流不小于50kA的一級防浪涌保護(hù)器，作為電源防護(hù)的第一級保護(hù)措施。同時(shí)確保電源箱與主接地網(wǎng)可靠連接。(2)為所有采集單元箱電源線路、計(jì)算機(jī)電源線路安裝隔離變壓器，進(jìn)一步濾除雜波，穩(wěn)定電源。(3)在廊道內(nèi)每個(gè)采集單元箱安裝放電電流不小于50kA一級防浪涌保護(hù)器，在其他采集單元箱安裝放電電流不小于20kA的二級防浪涌保護(hù)器，實(shí)現(xiàn)電源防護(hù)的第二級保護(hù)措施。

3.3供電線路改造

(1)廊道外所有供電線路采用穿鍍鋅鋼管的形式埋地敷設(shè)或電纜溝敷設(shè)，廊道內(nèi)電纜應(yīng)采用穿管明敷方式，電纜應(yīng)盡量避開高壓電氣線路及設(shè)備。廊道內(nèi)鋼管采用不銹鋼管，廊道外鋼管選用鍍鋅鋼管，鋼管連接處應(yīng)采用絲接，管箍兩端采用接地線卡做跨接接地處理。所有電纜保護(hù)鋼管均在進(jìn)戶處與附近接地干線可靠相連，廊道內(nèi)鋼管每隔30m接地一次。(2)所有電纜保護(hù)鋼管均在進(jìn)戶處與附近接地干線可靠相連。低壓電纜的金屬外皮也應(yīng)與采集單元箱的接地銅排相連。
3.4通信線路改造

(1)壩上原有光纜均換成無金屬光纜。將廊道內(nèi)通信電纜換成無金屬光纜，并穿不銹鋼管保護(hù)，為每個(gè)采集箱增加光電轉(zhuǎn)換模塊。(2)鋼管連接處采用絲接，管箍兩端采用接地線卡做跨接接地處理，鋼管應(yīng)在進(jìn)戶處可靠接地。廊道內(nèi)鋼管每隔30m接地一次。(3)嚴(yán)格將進(jìn)出箱體的高低壓線纜分開布置。

3.5傳感器電纜改造

(1)為防止雷電感應(yīng)電流沿傳感器電纜擊中采集箱，在每個(gè)傳感器電纜上安裝信號防雷模塊，其內(nèi)置防浪涌器件可以對每根芯線都進(jìn)行防雷保護(hù)。(2)將傳感器電纜屏蔽層與采集箱中接地母排可靠連接。

3.6數(shù)據(jù)采集單元升級

將負(fù)責(zé)滲流監(jiān)測的數(shù)據(jù)采集單元進(jìn)行升級，更換為最新產(chǎn)品，以提高其防雷抗干擾能力。

4總結(jié)

碧流河水庫大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)于2020年底完成改造，在2021年雷雨季節(jié)，未發(fā)生任何因雷擊導(dǎo)致的設(shè)備損壞事故，各設(shè)備均正常運(yùn)行，可見防雷改造措施起到了對監(jiān)測設(shè)備的保護(hù)作用。

參考文獻(xiàn)

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作者:董柏琪 單位:遼寧省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司