水闸的雷击电磁脉冲防护

2012-01-26张沸沸赵现祥龚武明

中国水利 2012年2期

张沸沸，赵现祥，龚武明

（上海市崇明县水利工程管理所，202150，崇明）

水闸一般建于河道口，周围没有更高建筑物，是雷电的多发区。水闸建设逐步引入的自动化管理系统，对防雷击技术提出了高要求。

以崇明水利工程管理所崇西水闸为例。崇西水闸由4部分组成：高38 m的观光水塔、管理房、配电房和一座3孔12 m节制闸，为上海最高的水闸。水闸内有远程监控系统、水位检测系统、CCTV视频监控系统等，其工作电压低，电子设备数量和规模大，因而受到过电压、特别是雷电袭击而受到损坏的可能性就大大增加。雷击中心2 km范围内都可能产生危险过电压，损坏线路上的设备，其后果可能使整个系统运行中断，并造成难以估计的经济损失。

一、雷击电磁脉冲侵入信息系统的途径

①雷电直击信息设备所处建筑及信息设备场所附近的构筑物、地面突出物或大地时，雷电电磁脉冲将在信息系统内产生过电压和过电流，即空间电磁感应。

②与信息系统设备相连的传输线路、电源线路等设施遭受直击雷时，感应在线路上的电磁脉冲经线路传导侵入信息系统内产生过电压和过电流。

③雷电直击信息设备所处建筑物的接闪装置时，雷电流沿接闪器、引下线进入接地装置引起地电位升高，信息系统接地导线和其他导体间产生反击过电压而损坏设备。

④信息设备的安装方法不当，如线路布局、摆放位置不规范，在遭受雷电时因受空间分布的磁场影响而损坏，这种磁场脉冲产生的危害称为辐射性危害。例如，磁场强度达到0.07GS时，会使计算机出错；磁场强度达到2.4 GS时，电子计算机的MOS器件会完全损坏。

二、雷击电磁脉冲防护措施

1.直击雷的防护

采用φ12 mm热镀锌圆钢沿屋面女儿墙、屋架、天沟明敷避雷带，与建筑物混凝土内的钢筋相连，构成暗装避雷网。其网格面积小于或等于10 m×10 m（或 12 m×8 m）；支撑卡子水平间距1 m，转弯处0.5 m，高为15 m。不同高度的避雷带、凸出屋面的金属管道及金属构造物与天面避雷接闪装置通过采用φ12 mm热镀锌圆钢不少于两处的可靠焊接。

利用建筑物钢筋混凝土结构柱或剪力墙内两根φ16mm以上钢筋上下通长焊接作引下线，间距小于或等于18m。

从建筑物30 m高度起，以上部分每3层沿外墙周边的窗框顶水平敷设25 m×4 m热镀锌扁钢作均压环，上下层的金属结构、门窗及管道等通过均压环与引下线连接。垂直敷设的金属管道及金属物的顶端和底端与防雷装置可靠连接，其中间每三层与防雷装置连接一次。1～3层外墙玻璃幕墙的龙骨钢筋与所处建筑物的防雷装置进行良好电气连接。

该建筑物位于郊区，土壤导电性强。利用建筑物基础钢筋网作为接地装置，防雷接地、电气设备的保护接地和电梯机房、消防控制室、通信设备等的接地共用接地装置，接地电阻小于或等于1Ω。

目前，普遍利用建筑物结构钢筋（天面、柱面、基础）作为接地装置，接地电阻绝大多数都能满足设计要求。

本文第1节主要介绍低电压SRAM测试中的一种比较难以检测的故障:稳定性故障。并且针对低电压SRAM中的稳定性故障,设计出专门的DFT电路来进行对该故障的检测;第2节介绍在March C+算法的基础上,根据故障原语推导相应的新型测试算法来检测更多的故障类型、提高算法的故障覆盖率,最终实现MBIST电路设计;第3节介绍电路仿真结果;第4节给出结论。

该部分配合建筑物土建一起完成。

2.传导性危害的防护

对传导性危害的防护，需要在进入建筑物的信号线和电源线上加装相应的过电压保护器。

（1）供电线路电涌保护器的安装

信息系统雷击电磁脉冲防护等级为A级的电子信息设备宜在低压系统中取3～4级信号电涌保护器（SPD）进行保护。

该水闸动力线采用从配电房引出的专线供电，进入机房后设置了专用配电柜。配电柜一路供机房内UPS用电，另一路供机房空调用电。电源避雷器按三级保护的要求进行设计：

第一级：在配电房低压母线侧安装每相通流容量为50 kA的10/350μs波形SPD。

第二级：在机房专用配电柜输入总线上安装每相通流量为60 kA的8/20波形的SPD。

第三级：在UPS输入端和空调的供电端安装每相通流量为20 kA的8/20波形的SPD。

最后一级电涌保护器须尽量靠近设备，这是因为电涌保护器与被保护设备的距离扩大会由于雷电波的反射效应而在被保护设备上引起高频振荡，使得设备上的电压超过避雷器上的残压而损坏设备，这个距离应小于或等于10 m。

（2）信号线路避雷器的安装

水闸信号系统包括计算机网络系统、电话系统、音视频监控系统、水位探测系统和电机控制系统等。

①计算机网络系统分为外部网络和内部网络。外部网络通常使用光纤或电话线路ADSL来实现远端的监控，采用光缆传输的信号线不需加装SPD，但光缆的金属外皮、金属加强筋应在进入光端机前可靠接地；用电话线路ADSL上网的必须在电话线入机房侧安装电话线路的SPD。计算机内部网络系统由内部交换机、路由器、PLC等通过以太网传输的设备组成，除作好屏蔽与接地措施外，应在网络接口处安装信号SPD。

②电话系统是指进入水闸的电话线路要在其配线架上加装保安单元，或是在进机房处加装电话线路SPD，并对配线架和交换机等设备进行可靠的接地处理。

③音视频系统中,音频系统为水闸的扩音呼叫系统，可通过在功率放大器音频线路输出端加装音频线路电涌保护器，用于功率放大器音频线路保护；视频系统指的是在外河、内河等安装的监视摄像机系统，可在摄像机处安装三合一（电源、视频、控制）摄像机专用电涌保护器，并在视频信号和控制线路进机房侧安装相应的电涌保护器。

④水位探测系统包括超声波水位探测仪、水位显示仪、信号转换隔离器、接入计算机网络的板卡及水闸开度仪等，由于各个设备处于不同的防雷界面处，所以需要在各个设备前安装相应的信号电涌保护器。

⑤电机控制系统由变频器、电动机及PLC等组成，需要在这些设备的电源和信号侧安装相应的电源保护器。

选择安装SPD时，必须了解网络的拓扑结构、网络的传输速率、选用的传输介质等内容。

3.雷击过电压防护

针对雷击过电压防护传入途径，最有效的办法就是采取等电位措施。等电位连接技术是现代防雷技术的核心，现行国标及IEC标准都是围绕此项内容展开的，电涌保护器也是一种等电位连接器件。等电位连接应采用公用接地系统。

关于水闸信息机房内的等电位连接措施应设计为M形等电位连接。这种连接一方面可以使各设备工作地线最短，消除高频干扰，满足设备正常工作要求；另一方面又不会出现低频（工频）杂散电流的干扰，尤其是在雷击情况下能使各设备处在真正的等电位状态下而避免损坏。

崇西水闸的等电位连接是将建筑物内的钢筋结构与各种金属装置及金属管线，都连接成统一的良好导电体。在雷电流泄放时，各点电位同时升高，以保证相互之间处于等电位。

钢筋混凝土结构的建筑最具实现等电位措施的条件。防直击雷设计时应将建筑基础钢筋、梁柱钢筋、金属框架、建筑物防雷引下线进行可靠焊接。

为实现建筑物楼层间的等电位，应至少每隔3层增加1层有均压环的连接，同时再把各种金属设备和金属管线与之焊接或卡接起来，形成闭合良好而接地的法拉第笼。

将建筑物各部分的交流地、保护地、直流地、防雷地与建筑法拉第笼良好接地，可避免接地线之间存在电位差，以消除感应过电压的产生。

同时，可以利用建筑物和房间内部钢筋及附设于其上的金属框架等相互等电位连接在一起，并与防雷装置相连，同时对穿越的导电金属就近进行等电位连接以实现对建筑物的屏蔽。《建筑物防雷设计规范》给出格栅形网格大空间屏蔽内磁场强度的计算要求，其中有一前提是格栅形网格宽度小于或等于5 m。

工程实践中应注意处理好如下等电位连接问题：①建筑物内不带电金属物的等电位连接，包括各种金属管道、建筑钢筋、电缆屏蔽层、供电系统中的中性线或保护接地线、各种金属机械设备的外壳和它们间的金属管路等。②建筑物顶不带电金属物的等电位连接，如电梯、通风管道、空调、旗杆、广告牌、铁栏杆等。③建筑物外带电金属物的等电位连接，如上述设施的电源线、信号线、控制线等。

4.辐射性危害的防护

电气设备在摆放时，特别要防止雷电流经防雷引下线流入接地装置时产生的高电位对附件电气设备或电气线路的电磁辐射，在《建筑物防雷设计规范》中对几种不同情况都有比较明确的规定。在摆放电气设备及为电气设备布线的时候，要尽量远离建筑物的外墙及结构柱子，通常电气设备离外墙应保持1m的安全距离，或是最好摆放在建筑物的几何中心位置。同时，还要考虑综合布线对防雷电电磁脉冲的重要性，并严格按照标准执行。