韩晓涛，袁鹏飞，邱 伟，高海荣，王泽玉，唐雪艳

（国网新源控股有限公司检修分公司，北京，100068）

0 概述

抽水蓄能电站上水库一般位于山顶附近，海拔相对较高，四周较空旷，大坝安全监测数据自动采集系统容易遭受雷击，导致采集箱内的采集模块和传感器被击毁、采集系统瘫痪。对于大坝安全监测自动化系统防雷问题，已引起行业的高度重视。

张河湾抽水蓄能电站位于河北省石家庄市井陉县境内的甘陶河干流上。电站装机4台，总装机容量1 000 MW，单机容量250 MW。枢纽工程主要由上水库、输水系统、地下厂房及地面出线场、下水库等组成[1]。2007年8月上水库开始蓄水，2008年9月28日蓄至最高水位810.2 m，2009年4台机组正常运行，并网发电[1]。

工程安全监测系统主要布置在上水库、输水系统、地下厂房及下水库等水工建筑物，设置了变形监测、渗流监测、应力应变及温度监测、环境量监测、地震反应监测等项目。2011—2014年，监测数据自动采集系统投入试运行。上水库等部位监测仪器和采集模块多次遭受雷击，因此每到春夏雷雨季节，上水库采集系统断电停运，转为人工观测。

2017—2018年，国网新源控股有限公司检修分公司承接河北张河湾电站安全监测工作后，为了提高采集系统的应用水平，与电站共同对采集系统的雷击问题进行研究，经过两年不断研究和实践，最终形成了一套简单实用、造价极低、安装简单的采集系统避雷技术，并设计了远程遥控电源装置，由张河湾电站申报并获得实用新型专利1项。

1 雷击的种类

1.1 直击雷

带电积云与地面目标之间的强烈放电称为直击雷。

1.2 感应雷

感应雷也称雷电感应，分为电磁感应雷和静电感应雷。电磁感应雷是雷击后，超强的雷电流在周围空间产生强大电磁场，这种磁场感应令附近的金属导体产生很高的电压，进而损坏电气设备。静电感应雷是地面凸出物顶部与接近地面的雷云感应出大量异性电荷所致[2]。

1.3 雷电侵入波

直击雷或感应雷在架空的金属线路或金属管道上产生冲击电压，沿着线路或管道迅速传播的雷电波穿透电气设备的绝缘层，会造成设备损毁事故。

1.4 球雷

球雷是雷电放电时形成的高能电火球，球雷通常在空中飘动或沿地面滚动，能从窗户、门等通道落进屋内，造成人身触电、设备烧损及火灾事故。

大坝安全监测自动化数据采集系统设备遭受雷击主要是感应雷、雷电侵入波及直击雷。

2 采集系统遭受雷击现象分类

2017—2018年，检修公司张河湾项目部会同电站水工人员，多次到现场反复检查采集系统遭受雷击的部位、供电线路、通讯线路、采集模块、仪器种类和周边环境，研究采集系统遭受雷击的原因和解决办法。结合新源公司系统内其他电站监测系统雷击问题，经反复研究，得出系统遭受雷击主要有下列原因：

（1）电站厂用电线路遭受雷击。采集系统供电电源通常由厂用电供电，当电站厂用电线路遭受雷击时，其供电分支——监测系统供电线路产生瞬间高压和强电流，通过供电线路传导至采集箱内，进而烧毁电源模块或采集模块等设备。

（2）监测专用供电线路或双绞线通讯线路遭受雷击。专用的监测供电线路或双绞线通讯线路未单独铺设金属保护套管，部分线路裸露在外遭雷击，进而烧毁电源模块或采集模块等设备。

（3）专用供电线路受其他线路影响损坏监测设备。专用供电线路与其他动力电源共用电缆桥架，当其他动力电源遭受雷击时产生瞬时高压，监测专用电源线路受其感应，导致监测设备供电电压瞬时偏高，进而烧毁电源模块或采集模块等设备。

（4）雷电侵入波串入观测箱。雷电侵入波沿着金属保护套管、电源线路或通讯线路串入观测箱，毁坏监测线路和设备的绝缘，烧毁电源模块或采集模块等设备。

（5）双绞线通讯线路受供电线路影响损坏监测设备。双绞线通讯线路与供电线路共处一个保护套管内或靠近其他电源线路时，当其电源线路遭受雷击时产生瞬时高压，双绞线通讯线路受其感应，导致通讯线路电压瞬时偏高，进而烧毁通讯模块或采集模块等设备。

（6）仪器通讯线路遭受雷击。直击雷、感应雷或雷电侵入波通过埋设的监测仪器通讯线路击毁采集模块和埋设的监测仪器，如边坡上埋设的裸露的金属锚杆、锚索、多点位移计等部分监测点。

3 新式大坝安全监测自动化数据采集系统避雷技术

考虑到主动式防雷设备技术复杂、研发难度大、费用及造价高昂，检修公司张河湾项目部会同电站水工人员研究出一套简单实用、造价低廉且极易实现的新式采集系统避雷技术。其工作原理是使用远程遥控电源装置控制交流接触器，将受雷击干扰的电源线路、通讯线路与采集系统其他设备彻底物理隔离，避免雷击。

3.1 接触器

接触器是电力设备自动控制中使用频繁的部件，主要用来控制开合电路。接触器分为交流接触器和直流接触器。

3.1.1 交流接触器结构

交流接触器主要包括电磁系统（吸引线圈、动铁芯和静铁芯）、触头系统（三组主触头和一至两组常开、常闭辅助触头）、灭弧装置、绝缘外壳及附件等[3]，见图1和图2。

图1 交流接触器结构Fig.1 Structure of AC contactor

图2 交流接触器实物（常开）Fig.2 Picture of AC contactor(normally open)

3.1.2 接触器的工作原理

在线圈未供电的情况下，常开触点通常是断开的，常闭触点是关合的。当接触器线圈通电后，在线圈电流产生的磁场作用下，交流接触器的触头系统动作，3个主触头闭合，辅助触头断开或闭合。当线圈断电时，电磁吸力消失，3个主触头断开，辅助触头闭合或断开。符号NO表示常开，NC表示常闭。根据实际需要，选择常开的交流接触器[4]。

3.2 远程遥控电源切换装置

远程控制电源切换装置由控制模块（含GPRS信号发送接收装置、单片机测控板）、接触器、空气开关、控制保护箱等组成，可发送、接收信号，见图3。雷雨天时，通过手机或电脑向远程遥控电源切换装置发送命令，装置内的单片机收到信号后通过给接触器的线圈供电、断电控制采集电源开路、断路切换操作[5]。远程遥控电源切换装置要求安装位置有较好的GPRS信号。

图3 远程控制电源切换装置设计原理Fig.3 Design principles of the remote-control power switching device

3.3 避雷技术方案一

当电站厂用电线路遭受雷击，导致监测系统供电线路产生瞬间高压和强电流，烧毁电源模块或采集模块等设备时，在厂用电的监测系统供电线路接入处设置一个远程遥控电源切换装置，使用手机APP（图4），控制监测系统供电线路接通和断开，避免厂用电系统受雷击影响烧毁观测设备。目前，张河湾电站上水库、桐柏电站上下水库观测系统均采用此方式避雷。

图4 手机APP远程控制电源画面Fig.4 Interface of mobile APP for remote-control of power

例1：张河湾上水库大坝采集系统经常遭受雷击，其监测专用电源取自上水库值班楼内厂用电，沿环库公路防浪墙下的电缆沟内铺设电源线，并设置了一寸钢管防护，通讯骨干线路为多模光缆，不受雷击影响，故其雷击主要来源于上水库值班楼内电站厂用电线路。2017年在值班室内的机柜内安装了一个远程遥控电源切换装置，雷雨天气时监测人员使用手机断开上水库大坝监测电源，未再出现过监测设备被雷击现象，见图5。

图5 张河湾上水库远程控制电源切换装置Fig.5 Picture of the remote-control power switching device at Zhanghewan upper reservoir

3.4 避雷技术方案二

当电站厂用电线路遭受雷击，导致监测系统供电线路产生瞬间高压和强电流，烧毁电源模块或采集模块等设备而该处无GPRS信号时，可在其他有电源和GPRS信号处安装一个远程遥控电源切换装置，并在采集系统供电线路取电处至采集系统第一个采集箱中间任一位置布设一条电源线路，作为接触器控制电源。在该处安装一个接触器，使用远程遥控监测电源装置控制接触器的吸合和断开，进而控制监测系统电源。

例2：张河湾上水库库底廊道内的渗漏监测系统在2018年上半年遭受雷击，其电源取自库底廊道入口控制柜，经分析，雷击来自控制柜内的厂用电线路，该廊道入口处无GPRS信号。库底廊道入口距离上库环库公路电缆沟约100 m，故从上库环库公路电缆沟至底廊道入口最近处将上库观测电源引到库底廊道口，在库底廊道口安装一个接触器，通过接触器控制库底廊道专用观测电源。雷雨天使用手机遥控关闭上库观测总电源时，同时断开库底廊道观测电源，防止雷击库底廊道的渗漏观测系统，见图6。

图6 张河湾上水库库底廊道入口电源控制箱Fig.6 The power control box at the entrance of the bottom gal-lery of Zhanghewan upper reservoir

3.5 避雷技术方案三

采集系统第一个采集箱前的监测专用供电线路或双绞线通讯线路因未单独铺设金属保护套管遭受雷击、受其他线路影响损坏监测设备、雷电侵入波串入观测箱损坏监测设备或因其他未查明的雷击因素损坏观测箱内的电源模块、采集模块等设备，可在专用供电线路及双绞线通讯线路起始端设置一个远程遥控电源切换装置，在电源及通讯线路末端（第一个采集箱内的采集设备前）设置一个接触器。雷雨天时，使用手机APP，利用远程遥控电源切换装置和接触器，将这段电源线路和双绞线通讯线路两端彻底进行物理隔离，防止雷电通过电源和通讯线路击毁采集系统硬件设备。注意双绞线通讯线路中的一根用接触器的辅助触点控制，另一根用主触点控制，这种接法不是很规范，但满足实际需求，规范的做法是在接触器上设置控制信号线的继电器，用来控制双绞线通讯线。例3：2018年5月，在张河湾厂房附近的出线场安装了避雷遥控电源装置，以保护出线场和中支洞内采集设备的运行不受雷击影响。2018年夏季雷雨天，出线场和中支洞内的采集模块一次性被击毁4块后，重新研究设计避雷方案。在中支洞内的采集箱内增设一个接触器，雷雨天使用手机遥控断电，将出线场-中支洞之间的电源线、通讯线两端进行物理隔离，成功有效地防止了雷电通过金属线路损坏中支洞内采集设备。

3.6 使用光缆和蓄电池解决系统通讯和供电问题

目前，国内规模较大采集系统总线均采用光缆通讯，通讯总线不受雷击影响；一些监测系统规模较小或测点比较集中的采集系统，其通讯总线采用双绞线材质，当通讯总线穿越室外时，防雷防电磁干扰措施不佳，可能导致双绞线遭受雷击传至采集设备。当增设防雷保护金属套管不方便时，可将易遭雷击段双绞线总线改为光缆，光缆两端的光电转换器供电处增加蓄电池，系统断电后，蓄电池为光电转换器供电，如果采集系统各采集模块均有蓄电池供电，则采集系统在断电后仍然可以正常运行[6]。

如：常规大坝通讯线路从廊道内引至观测楼内时，可能会有一段通讯线路暴露在廊道口和观测楼外，容易遭受雷击，即可用此办法解决。

使用远程遥控电源切换装置切断系统电源，并不影响设计合理的采集系统正常运行。一个设计合理的采集系统，配有足够的蓄电池前提下，系统断电后依然可以正常运行3~7 d左右（用电量大的系统除外，如真空激光准直系统）。目前，国内大部分采集系统骨干通讯网介质均采用光缆，但采集箱内的采集模块、光电转换器供电电压不统一，非工业级电源模块只能满足采集模块运行要求，无法为光电转换器供电。在系统断电前提下，采集系统不能正常运行，采集模块只能定时采集数据，待供电系统恢复后再将采集的数据传至计算机。

4 结语

在主动式防雷设备技术复杂、研发难度大、造价高昂的情况下，针对主要由电源端感应雷击引起的系统设备损坏，国网新源检修公司和张河湾电站另辟蹊径，研究出简单实用、造价低廉且极易实现的新式采集系统避雷技术。该技术作为传统防雷技术的一个有效补充，可为存在雷击风险的大坝安全监测数据采集系统的正常运行及设备安全提供可靠的技术保证。此项技术已在张河湾电站和桐柏电站运用，且效果良好，在大坝安全监测行业内具有广泛的推广价值。