船闸集中控制系统防雷研究

2023-02-01禤德钊

广西水利水电 2023年6期

禤德钊

（广西西江开发投资集团有限公司，南宁 530022）

1 概况

当前，广西西江开发投资集团有限公司已经实现对广西境内长洲、桂平、贵港、西津、邕宁、老口、金鸡滩、鱼梁、老口、大藤峡、红花、金鸡滩12个梯级19座大型船闸的统一联合调度，其中11座船闸的设备实现统一集中控制，实现集中控制的船闸现场运维人员较以往大幅减少，实现了“无人值守、少人应急”运行值班模式。西江流域大部分船闸周围都是开阔地带，且处于强雷区，大部分船闸的年雷暴日数超过90 d，因此船闸的建筑物和电气更易遭受到雷击损坏，船闸控制系统很多设备安装于船闸的水面区位，进而潜在性地推高了控制系统设备遭遇雷击破坏的几率，有时偶然一次雷雨过程，就会造成数个梯级船闸的工业电视系统摄像头损坏、广播系统无法正常播音、控制系统机电设备不能正常启动等情况，导致应急维护人员疲于应对，不能在短时间内修复船闸控制系统损毁的设备，造成船闸通航受阻，且在一定程度上也增加了船闸运维成本，造成经济损失。

本文通过对多个船闸现场防雷应用的经验及效果进行分析，综合考虑在复杂环境条件下如何减轻雷击造成的影响，降低设备故障率，确保船闸设备正常运行，据此提出防范雷电灾害的综合防护措施、建议。

2 雷击的主要危害形式

（1）直击雷。雷电直接击在闸区露天电气设备上，或直接击在架空线缆上，由于电磁效应、热效应和机械效应等混合力作用直接对设备造成损坏，这种雷击方式造成的破坏最严重，但出现几率比较小。

（2）感应雷。感应雷是雷云之间的雷电或雷云对地放电，靠近外部传输信号线，埋入电线，设备之间的连接线产生电磁感应并侵入设备，造成串联在线路中的电子设备损坏，分为电磁感应和静电感应。当闪电发生时，周围会产生强大的瞬态电磁场。电磁场中的监控设备和传输线检测到可能损坏连接设备的显著电动势。一般来说，对于线路，在一定强度的雷电云下，低压架空线路可以感应100 kV 的过电压，在电信线路上也可以感应40～60 kV 的过电压，这是电磁感应。当带电雷云出现时，雷云下的建筑物、控制设备和输电线路会产生与雷云相反的电荷，产生瞬时浪涌。这种现象称为静电感应。感应雷电对设备外观造成的损坏不是直接雷电造成的，但通常会导致设备内部电子部件损坏，导致设备运行异常。这种类型的感应闪电最常见。

（3）雷电波侵入。射线或感应可导致射线波，其特征在于雷电不能直接放置在建筑物和放电设备中，但在建筑物外的电线、放电信号传输控制系统或其他金属电缆室中，以沿电缆线路的浪涌速度或接近浪涌速度，电缆两端控制系统设备的入侵和危害。当闪电导致接地网络的接地电位升高时，高压通过地面设备的接地线反向引入设备，造成反击伤害。

3 船闸设备控制系统防雷措施

船闸主体建筑物如闸室、现地机房、引航道等通常都布有接地网、接地带且已形成统一的等电位连接体，保证导电物体之间不产生有害的电位差，完善的等电位连接还可以防止闪电电流入地造成的地电位升高所产生的反击。控制系统设备可以在此区域等电位基础上根据具体子系统自身特点分类采取针对性的综合防雷措施。

3.1 直击雷的防护

通常的做法是使用避雷针、避雷带、避雷线、避雷网或金属屏蔽作为棘爪接收器，接收雷电电流并将其引导至由金属导体埋置的接地装置，金属导体将导线引导至地面。

船闸集中控制系统前端设备有室外和室内两种分布方式，室内分布的一般不会受到直击雷击，但需考虑防止雷电过电压对设备的侵害，而室外的设备则同时需考虑防止直击雷。

前端设备如工业电视系统的摄像头，广播系统的音柱和喇叭，控制系统的水位计、信号灯等应置于避雷针或金属防护罩有效保护范围之内，避雷针保护高度根据滚球法确定，但避雷针接闪过程中容易在被保护物体上形成感应电流，不适合独立保护弱电设备，在实际使用中需要采用多级防雷系统进行综合保护。对于已经在避雷针保护区内的前端设备或其他避雷针或相邻较高建筑物的防雷系统，通常不再考虑直接防雷；对于未包含在防雷系统中的前端设备，应考虑直接防雷。电网线路、电线铺设在电缆通道中，因此不太可能发生直接雷击。

船闸根据现场环境特点，对部分关键设备采用球面防护罩防雷，球面设计改变了磁场和电荷的分布，使其相对于避雷针更不易引雷，大大降低遭受雷击的风险。

贵港船闸则采用电晕场驱雷器，无需电源、利用雷云电场自激发电晕放电，在电晕场驱雷器及被保护物体上方形成电晕屏蔽层，有效削弱雷云电荷和阻断雷云电荷与被保护目标之间的雷击通道导通，进而有效保护被保护目标，起到了良好的防雷驱雷效果。

3.2 感应雷的防护

雷击产生的瞬变电磁场会影响电子设备的电磁作用，对封闭的金属回路产生压电流，对开口的金属回路产生感应电动势。由于雷电电磁脉冲的作用十分强烈，感生的电压可能很高。经地线入地的雷电流会导致地网电压升高，在接地系统中各接地点间产生很大的电压差，它们都可能对自动化设备造成干扰，轻则影响正常运行，严重的则会引起设备损坏。

如长洲三线四线船闸、桂平一线二线船闸、那吉船闸曾遭受多次感应雷袭击，瞬态过电压致使广播网络终端、广播功放、PLC控制器及摄像机等均遭损坏。为此对船闸集中控制系统的电源、信号线路分别设置防雷装置。

3.2.1 信号防雷

在信号传输线路中，最基本的做法是采用屏蔽线缆，并在设备前端加装对应的电涌保护器（SPD），用来保护后续设备，防止雷电波从信号线路涌入损伤设备，同时信号线路还需根据设备接口形式、工作电压、阻抗特性、功率等参数要求，选择适配的信号线路SPD：

PLC 控制系统通讯（如DP、MB+等）基于RS485的现场总线电缆一般采用专用屏蔽双绞线，雷电在此处瞬时感应电压约l～2 kV，因此可能会造成较大的损害，可采用在设备接口两端加装RS485通讯专用信号SPD，当通信电缆感应雷产生瞬态过电压时，感应雷电流通过SPD支路经接地装置泄放到大地。

无线基站的天线馈线可在设备接口加装馈线SPD，抑制从天线引入的雷电波，它采用波道分流技术，将雷电流和有用的信号分开。当受到雷击时快速有效地将感应雷电流通过雷电支路泄放到大地。

广播系统的音频信号线路采用音频信号SPD。部分区域广播还采用中间继电器进行隔离，仅在有广播时自动接通，无广播时切断现场音柱与功放的线缆连接，尽可能地保护好主要设备。

控制系统和工业电视系统的以太网信号线路可在网络接口处加装以太网信号SPD。

控制系统的模拟量信号如水位计、开度仪、液压泵站传感器等加装模拟量信号SPD。

针对同轴电缆的工业电视系统也有专用的视频、控制、电源三合一综合SPD，具备一体化防浪涌设计，能很好地平衡各线路电位差，有效防止因视频、控制、电源线等电位差瞬时增大而造成的设备损坏。

桂平一线二线船闸、那吉船闸控制系统即是通过增加光端机、专用SPD、光缆等材料，将基于RS485 通信的现场总线同轴电缆更换为光缆通讯，并将光缆内2 根牵引钢丝短接为一体做好接地处理，以均衡电位，防止接头处产生电弧放电。对于光端机和放大器等做好电源的可靠防雷及接地。经过改造后的控制系统明显提高了抗雷击防护能力。

3.2.2 电源防雷

控制系统的电源线应考虑不少于3级防雷。第一级安装在电源箱中，IN=40 kA SPD电源。第二层安装在机房控制柜中，IN=20 kA SPD电源。第三级对精密设备采取最终级保护措施，交流电源在设备前部采取添加IN=10 kA SPD电源，直流电源在设备电源输入端采取添加SPD DC电源。

摄像机电源通常使用AC220V或DC12V。摄像机由直流变压器供电。单相SPD 电源必须串联在直流变压器的前部。如果直流电源的传输距离超过15 m，摄像机端部也必须与低压直流SPD连接。

如果无法进行分级电源浪涌保护，建议在机房、室内安装三相B+C 型电源，并在UPS 电源前安装单相SPD串联电源，作为电源线的第三级保护。

3.2.3 雷电波入侵防护

控制系统防雷方式应采取信号及低压电源线路全程穿金属管埋地敷设，金属管两端务必做好有效接地，当采用架空线时，在进入建筑物处应采用一段长度不小于2 m 的金属保护管埋地引入，并加装相应的防雷SPD。进入建筑物时，金属管道必须连接到超导设备上。一个100 m的圆圈中的建筑必须经过25 m 左右。抗冲击面料不应超过20 Ω。安装在下水道中的金属管道也必须在建筑物入口处连接到地面。所有这些紧固件应尽可能多地由钢混凝土或用作地板支撑的金属底座制成。

3.2.4 有效接地

接地是防雷系统中最基础的环节，也是防雷安装验收规范中最基本的安全要求，无论哪种方式的防雷保护，都必须具备有效的接地，才能将雷击带来的过电压、过电流在未达设备最大耐受电压、电流之前，就已经泄放到了大地。设备的接地线应尽可能就近，尽可能短。接地装置具有接地电阻要求。控制系统的接地电阻不得大于4 Ω。

3.2.5 日常保养与维护

设备的接地电阻需定期进行监测，发现阻值偏大，要立即进行降阻处理，防范于未然，保障防雷设备在需要的时刻能发挥应有的作用。定期检查每级电涌保护器的本体工作状态：运行指示灯、熔丝或其断路器保护动作等是否正常。