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飛來峽船閘安全監(jiān)測設(shè)備防雷改造探討

文檔作者：麥慧光巫俊鋒文檔來源：廣東省飛來峽水利樞紐管理處		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年11月04日
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! ! 二 墜 廣東水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)2011年第9卷第2期
CN 44-1587／Z Journal ofGuangdong Technical College of Water Resourees and Electric Engineering，201 l，Vo1．9， No．2
飛來峽船閘安全監(jiān)測設(shè)備防雷改造探討
麥慧光，巫俊鋒
(廣東省飛來峽水利樞紐管理處，廣東清遠(yuǎn)51 1825)
摘要：闡述飛來峽大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)船閘監(jiān)測通訊改造原因、采用新設(shè)備、新措施以及改造
后的運(yùn)行效果等，為其他同類工程提供參考。
關(guān)鍵詞：船閘；監(jiān)測；防雷；設(shè)備改造
中圖分類號：TV74 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672—2841(2011)02—0017—03
飛來峽水利樞紐大壩安全監(jiān)測自動(dòng)化系統(tǒng)是監(jiān)
測大壩狀態(tài)、保障大壩正常運(yùn)行的重要手段，系統(tǒng)
于1998年底安裝并投入運(yùn)行，至今已運(yùn)行近l0
年。其中船閘壩段采用南京水利水文自動(dòng)化研究所
研制的DG一97型分布式大壩安全監(jiān)測自動(dòng)化系統(tǒng)，
測控單元型號為MCU一30型，共布設(shè)2個(gè)MCU
測控單元(分別為MCU1、MCU2)，負(fù)責(zé)對所轄儀
器進(jìn)行控制、測量。其接入的主要傳感器有：電感
式遙測垂線儀2臺，應(yīng)變計(jì)4支、鋼筋計(jì)7支(3
支已壞)、無應(yīng)力計(jì)2支(1支已壞)，分別對船閘
左閘墻水平位移及內(nèi)部應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測。但由于系統(tǒng)
設(shè)計(jì)時(shí)對飛來峽雷電影響估計(jì)不足，采取的防雷措
施不到位，導(dǎo)致幾年來系統(tǒng)多次遭受雷擊，損失嚴(yán)
重。同時(shí)，隨著運(yùn)行時(shí)間的推移，系統(tǒng)穩(wěn)定性、可
靠性也逐步降低，導(dǎo)致設(shè)備故障率偏高。因此，有
必要對船閘安全監(jiān)測設(shè)施進(jìn)行改造，改造內(nèi)容主要
包括系統(tǒng)接地改造、電源線路改造、通訊線路光纖
改造、測控裝置改造。
1 改造目標(biāo)及措施
1．1防雷改造目標(biāo)及常用措施
防雷改造的目標(biāo)是采取各種防雷措施，提高系
統(tǒng)的防雷性能。
根據(jù)多年運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，一般雷電多從電源電
纜、通訊電纜和各種傳感器電纜侵入系統(tǒng)，造成系
統(tǒng)設(shè)備損壞，以上三個(gè)部分是最容易受感應(yīng)雷擊影
響的，所以如何減少感應(yīng)過電壓對監(jiān)測系統(tǒng)中連接在
收稿日期：2011-03．24
作者簡介：麥慧光，男，主要從事大壩安全監(jiān)測工作。
電源電纜、通訊電纜和各種傳感器電纜另一端的設(shè)備
造成的破壞，是監(jiān)測系統(tǒng)防雷抗雷的關(guān)鍵所在。
接地、屏蔽和濾波是防止雷擊的三種主要方
法。根據(jù)雷電的特點(diǎn)和耦合途徑的多樣性，為了達(dá)
到較好的效果，應(yīng)把以上三種措施綜合起來實(shí)施。
具體如下：
1)加強(qiáng)系統(tǒng)的屏蔽與接地。屏蔽與接地是抑
制雷擊的重要方法，通過采用鋼管作為各種電纜的
保護(hù)管、采用帶有屏蔽層的電纜作為通訊、電源電
纜，并把設(shè)備的外殼、保護(hù)鋼管、電纜的屏蔽層等
和大地可靠連接，可以極大減少感應(yīng)過電壓對設(shè)備
影響。
2)加裝濾波器設(shè)備。濾波技術(shù)也是抑制雷擊
傳導(dǎo)干擾的手段之一?？梢约友b濾波器的地方有：
交流電源進(jìn)人系統(tǒng)之前，傳感器信號進(jìn)入測控裝置
之前(在不影響傳感器測量的前提下)等。電源總線
常用的濾波器如前所述有隔離變壓器、磁環(huán)和浪涌
吸收器等。這些濾波設(shè)備與其他設(shè)備一起，成為消
除雷擊影響的有效措施。
2 改造
針對多年運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)以及系統(tǒng)出現(xiàn)的問題特征，
以及采用原測控裝置進(jìn)行通訊試驗(yàn)的實(shí)際效果，決
定從下述幾方面采取措施，對系統(tǒng)進(jìn)行改造完善：
(1)對船閘電源系統(tǒng)進(jìn)行改造； (2)對船閘通訊
系統(tǒng)進(jìn)行改造； (3)對船閘測控裝置進(jìn)行改造；
(4)對船閘防雷接地進(jìn)行改造。
l8 廣東水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)
2．1電源系統(tǒng)改造
大壩安全監(jiān)測自動(dòng)化系統(tǒng)主要采用220V50Hz
交流電給監(jiān)控計(jì)算機(jī)和測控裝置供電。由于大部分
雷擊高電位是從電源線侵入的，為保證設(shè)備安全，
在電源上應(yīng)設(shè)置三級避雷保護(hù)器：第一級為氣體放
電器，一般充有惰性氣體，通常構(gòu)造的這類放電器
可以排放20干安、8／藝0微妙以內(nèi)的瞬變電流或者
2．5千安、10／350微秒以內(nèi)的瞬變電流；第二級一
般采用壓敏電阻，壓敏電阻不能象氣體放電器那樣
排放很大的電流，但可進(jìn)一步降低線路中的殘壓，
且在毫微秒時(shí)間范圍內(nèi)具有更快的響應(yīng)時(shí)間，不會
產(chǎn)生后續(xù)電流的問題；第三級一般為反應(yīng)靈敏的抑
制二極管，它們的響應(yīng)時(shí)間可達(dá)微微秒級。
在監(jiān)控機(jī)房內(nèi)電源入口處，設(shè)置安裝電源防雷
器、隔離變壓器、電源穩(wěn)壓器、不問斷電源
(UPS)等設(shè)備的電源系統(tǒng)，防感應(yīng)雷不低于
1500W (電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布置如圖1所示)。由于隔
離變壓器的工作電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于雷電波的電壓，使得
激勵(lì)的磁感應(yīng)強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鐵芯允許通過的最大磁
感應(yīng)強(qiáng)度，變壓器鐵芯飽和，變壓器的磁電變換暫
時(shí)失效，雷電高電壓不能傳輸?shù)阶儔浩鞯拇渭?，?
而保護(hù)變壓器次級的設(shè)備。 (以上電源防雷器選用
德國OBO MC50一B／3+NPE15，最大工作電壓：385
V，最大放電電流：100 kA，殘壓：<2000 V，
保護(hù)線數(shù)：2線，響應(yīng)時(shí)間：≤25ns，工作溫度：
- 40oC 60℃ )
測控裝 防宙 爻壓
置 器 器
圖1 電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布置
重新埋設(shè)RVVP一22型鎧裝電纜作為新系統(tǒng)的
電源電纜，替代原來的普通電源電纜。鎧裝電源電
纜具有很好的屏蔽作用，能大大降低感應(yīng)雷電壓的
強(qiáng)度。采用鋼管保護(hù)，在電纜溝內(nèi)放置鎧裝電源電
纜保護(hù)鋼管，鋼管之問進(jìn)行焊接，提高防雷效果，
每2O米～30米留一小孔，便于穿線和施工。
2．2通訊系統(tǒng)改造
船閘采用雙絞屏蔽電纜作為通訊介質(zhì)，穿釧管
后通過電纜溝敷設(shè)，這種通訊方式設(shè)置簡單，易于
擴(kuò)充，成本也相對較低，采用RS485通訊方式白
效通訊距離一般可達(dá)3km (通訊距離和通訊波特率
有關(guān))。但由于飛來峽水利樞紐處在高雷區(qū)，雖然
船閘通訊與電源線路保護(hù)較好，但感應(yīng)雷還是可能
從線路串入。也正因此原因，同時(shí)借鑒土壩改造成
功的例子，船閘部分系統(tǒng)通訊也采用光纜。
光纖通訊也是有線通訊，隨著光纖通訊技術(shù)的
發(fā)展，光纜和光設(shè)備成本的降低，光纖通訊在自動(dòng)
化系統(tǒng)中的應(yīng)用已越來越普遍，由于光纖的『J、】芯足
由SiO2制成，由激光擔(dān)負(fù)信號傳送，所以對電磁
干擾脈沖(EMP)有良好的絕緣性能，這一點(diǎn)住水
電站或水庫這些雷電活動(dòng)頻繁或具有強(qiáng)電磁場環(huán)境
的地方顯得尤其重要。采用光纖構(gòu)成通訊媒介時(shí)組
成系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。
二_
上
圖2 系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
接在監(jiān)控主機(jī)COM口的光端機(jī)和各個(gè)觀測箱
的光端機(jī)，通過光纜依次串聯(lián)，各個(gè)觀測箱都超過
一個(gè)測控裝置，相互間由雙絞線構(gòu)成485通訊總線
進(jìn)行通訊，具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、成本低、可靠性高
等優(yōu)點(diǎn)。由于光纜不是導(dǎo)體，不感應(yīng)雷電，所以采
用光纖通訊后可徹底解決由通訊線路上引起的雷擊
光纖通訊線路直接由機(jī)房光端機(jī)引出，住混凝
土主壩段、船閘段放人電纜溝內(nèi)敷設(shè)(建議套PVC
或鋼管保護(hù)，防止人為破壞)。
2_3測控裝置改造
目前飛來峽水利樞紐監(jiān)測系統(tǒng)船閘使用2個(gè)
MCU測控單元。MCU由電源板塊、CPU板塊和各
測量板塊通過總線式接插結(jié)構(gòu)組成。CPU板塊具
有：信號通訊、控制各種測量板塊測量、時(shí)鐘查
詢、測板狀態(tài)檢查、測量板塊設(shè)定的功能，但不縣
備光纖通訊接口。根據(jù)光端機(jī)信號輸入要求，對
CPU板塊信號傳輸模式進(jìn)行改造，改造其信號輸出
模式，加裝CPU板塊到光端機(jī)的通訊連接線．使
其符合光端機(jī)信號的要求。
麥慧光，等：飛來峽船閘安全監(jiān)測設(shè)備防雷改造探討 19
2．4接地改造
2．4．1改造后接地要求
中央控制單元(CCU)：CCU接地，接地電阻
應(yīng)小于4Q；計(jì)算機(jī)電源配備UPS，同時(shí)配接交流
隔離變壓器和電源避雷器。
MCU箱：MCU箱布設(shè)地網(wǎng)、地樁，地網(wǎng)接地
電阻小于4Q；MCU供電電源安裝交流隔離變壓器
和電源避雷器，MCU與計(jì)算機(jī)間安裝通訊避雷器。
傳感器：傳感器電纜保護(hù)鋼管應(yīng)全部與土壩測
壓管相連，接地電阻小于4n。
2．4．2防雷器件技術(shù)參數(shù)
德國菲尼克斯信號防雷器(每個(gè)傳感器1個(gè))
型號： LDY—XC12
用途：12V控制信號的防雷保護(hù)
額定工作電壓Un：12V
最大持續(xù)工作電壓Uc：15V
標(biāo)稱放電電流In：5KA
最大放電電流Imax：10KA
傳輸速率Vs：2M bit／s
接線方式：接線端子
安裝：35mm電氣導(dǎo)軌
德國菲尼克斯電源防雷器
型號：OBO MC50一B／3+NPE15
最大工作電壓：385 V
最大放電電流：100 kA
殘壓：<2000V
保護(hù)線數(shù)：2線
響應(yīng)時(shí)間：≤25ns
工作溫度：一40cI=～60℃
2．4．3防雷底板結(jié)構(gòu)
防雷底板安裝在不銹鋼盒內(nèi)，下部與傳感器電
纜直接相連，上部與智能數(shù)據(jù)采集模塊和人工比測
盒相連，中部為四個(gè)防雷器L10M (通道數(shù)：1O
工作電壓：18VDC漏電流：≤200 A 放電電流：
1．5KA／5KA)插座，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。圖中接口
I一1和接口II一1與智能數(shù)據(jù)采集模塊相連，接口
I-2、接口II一2與人工比測盒相連，插座1至插座
4用于安裝防雷器L10M，傳感器接線端子與傳感
圖3 防雷器底板結(jié)構(gòu)
器電纜相連。
L10M防雷器由信號隔離電路和內(nèi)置的信號防
雷器件組成，傳感器的每一根芯線進(jìn)入MCU前均
通過防雷器L10M，采取三級防雷。為了提高測量
電路的防雷抗干擾能力，只有在測量該儀器時(shí)才將
儀器芯線與測量控制電路連接，并在測量控制電路
內(nèi)置信號防雷器件。同時(shí)在電源和通訊接口設(shè)置專
用防雷器。
3 結(jié)論
在船閘監(jiān)測設(shè)施經(jīng)防雷改造后，該設(shè)備已運(yùn)行
3年多時(shí)間。經(jīng)歷了雷雨季節(jié)的考驗(yàn)，運(yùn)行正常，
未發(fā)現(xiàn)因雷擊而造成的通訊故障，它證明船閘自動(dòng)
化監(jiān)測設(shè)備防雷通訊改造是有效的。此改造技術(shù)上
也比較先進(jìn)，經(jīng)濟(jì)上合理實(shí)用，運(yùn)行維護(hù)簡單易
行，且不受氣候和環(huán)境限制。因此，船閘監(jiān)測設(shè)備
通訊防雷改造是成功的，希望以上經(jīng)驗(yàn)可以對同類
水工建筑物的安全監(jiān)測防雷提供參考。
參考文獻(xiàn)：
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與安全，2002，(3)．
Discussion on Lightning Protection Transform ation for Feilaixia Dam
Shiplock Safety M onitoring Equipment
MAI Hui-guang, U J~n-feng
(Feilaixia Water conservancy Project Management Bureau of Guangdong，Qingyuan 5 1 1 825，China)
Abstract：This paper explains the revamping reasons for shiplock monitoring communications in Feilaixia dam safety
monitoring system and introduces the adoptions of new equipment and new measures．The effects of operation after the
innovation are also discussed，which can provide reference for other similar projects．
Key words：shiplock；monitoring；lightning protection；transforInation

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