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      水庫大壩安全監測系統雷擊分析

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      水庫大壩安全監測系統雷擊分析

      摘要:碧流河水庫大壩附近是雷擊比較頻發的地區,雷電危害嚴重影響了安全監測自動化設備的運行。通過對碧流河水庫大壩安全監測設備雷擊發生原因進行分析,結合工程特點,采取恰當的防雷改造措施,確保碧流河水庫大壩安全監測系統安全穩定運行。

      關鍵詞:安全監測;防雷;措施

      雷電災害已被聯合國有關部門列為最嚴重的10種自然災害之一,被中國電工委員會稱為“電子時代的一大公害”。碧流河水庫位于普蘭店區與莊河市分界的碧流河干流上,此地雷擊現象頻發。大壩安全監測設備屬于弱電設備,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,以及附屬金屬設施等都是容易引發雷擊的因素。雷電產生高溫、猛烈的沖擊波以及強烈的電磁輻射等物理效應,使其能在瞬間產生巨大的破壞作用,對大壩安全監測設備造成嚴重的威脅。因此,分析雷擊發生的原因,采取有效的防雷措施,確保大壩安全監測設備正常運行十分必要。

      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、發電、灌溉、養殖、旅游等綜合效益的大(Ⅱ)型水利樞紐工程。

      1.2安全監測系統概況

      碧流河水庫大壩安全監測系統監測項目主要包括壩體變形監測、滲流監測和環境質量監測等。自動化監測系統共有采集單元箱(MCU)12個,其中,滲流監測箱5個,分別位于機房、1#豎井、一副壩、二副壩等處,變形監測箱7個,分別位于機房、1#豎井、土壩廊道、基礎廊道等處。廊道內的采集單元箱采用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。自動化監測中心位于壩上主機房內,滲流監測設備和變形監測設備分別采用北京基康大壩安全監測設備和南京南瑞壩安全監測設備。采集單元箱相關布置信息見表1。

      1.3安全監測系統存在的問題

      碧流河水庫大壩安全監測系統分別于2013年、2017年進行了設備的升級改造,目前各測量儀器均能正常工作。但受天氣和環境的影響,系統自建成以來,每年均有MCU設備被雷擊損壞,據水庫管理部門統計,多年來,所有MCU設備都曾因雷擊而損壞過。為減少雷擊次數,降低損失,每逢降雨季節,水庫管理部門只能采取在采集數據時臨時開機的方式,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雷。直擊雷是雷電直接擊在露天的設備上造成損壞;感應雷是當建筑物或者電氣設備遭受雷擊后,巨大的雷電流在周圍迅速變化產生磁場,這種磁場能在其附近的金屬導體上感應出很高的電壓,從而對設備產生破壞。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,單一的電氣防護措施是無法滿足防雷要求的,特別是電子設備對雷電更加敏感,需采取更加嚴密的防雷措施。

      2.2壩址地理環境

      碧流河水庫地處普蘭店區、莊河市和蓋州市的交界處,為低山區,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,多年平均雷暴天數為21d,平均地閃密度約為2.3次/km2·a,屬于中雷區。由于山區雨水滲進壩體,經常起到引雷和傳遞感應電流的作用。

      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,但壩上監測室及安全監測系統沒有與大壩主接地系統可靠連接。另外,土壩廊道及二副壩處的采集單元箱并沒有進行接地,無法形成等電位設計。一副壩采集單元箱雖已接地,但接地電阻較高,已經超過10Ω,可能會形成高電位。同時,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至MCU。MCU設備供電電源處未安裝防浪涌保護裝置,也沒有有效防雷措施。設備的高低壓電纜雜亂布置。另外,負責滲流監測的數據采集單元為2013年安裝,其抗干擾能力已經落后,不如經過升級換代的新產品。

      3防雷改造措施

      3.1建立完善的接地網

      (1)在大壩廊道內建立有效的接地網,在廊道內沿墻面敷設一圈YJV-1×70銅纜作為接地干線,使之形成閉合接地環,并用卡子固定,將銅纜一端引出用銅鼻子與壩上主接地網可靠連接形成一整個接地網,連接處做防腐處理,確保接地電阻不大于1Ω。同時,采用YJV-1×25銅纜將廊道內采集單元箱的外殼、接地銅排、電纜架與接地干線可靠連接。(2)主壩機房接地設計采用S型等電位接地設計,在上層機房離地400mm距離沿墻敷設一段30×3紫銅排,機房上層所有電氣及電子設備的金屬外殼、接地排、金屬管道、靜電地板骨架等構筑物以及高低壓進出電纜的金屬外皮、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)。在機房下層設置總等電位端子箱(MEB),機房下層所有電氣及電子設備的金屬外殼、接地銅排、金屬管道等構筑物以及高低壓進出電纜的金屬外皮、通訊信號線的金屬外皮均與MEB可靠連接,同時將MEB與機房接地干線可靠連接,以達到設備的等電位要求。機房接地干線要與大壩主接地網可靠焊接,使機房接地電阻不大于1Ω,如果不滿足要求,需要在室外補打接地極,直至滿足要求。接地極埋設位置應避開巖石,選擇河邊深土層。(3)一副壩離主壩較遠,難以做到大型開挖,無法將其接地網與主壩主接地網焊接,可采用補打接地極的方式進行降阻。在一副壩機房附近適當位置將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焊接在一起,形成環形接體。再用-50×5熱鍍鋅扁鋼將接地極與一副壩機房接地網可靠焊接,使接地電阻不大于1Ω。一副壩機房內部做等電位設計,配電箱外殼、金屬管道、采集單元箱的外殼、接地排等與內部MEB可靠連接。接地極埋設位置應避開巖石,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型等電位設計,做法參見機房。(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,在電源端將電流快速泄入大地,從而對設備進行保護。(1)碧流河水庫所有采集單元箱的電源均取自附近配電箱,在所有配電箱內安裝放電電流不小于50kA的一級防浪涌保護器,作為電源防護的第一級保護措施。同時確保電源箱與主接地網可靠連接。(2)為所有采集單元箱電源線路、計算機電源線路安裝隔離變壓器,進一步濾除雜波,穩定電源。(3)在廊道內每個采集單元箱安裝放電電流不小于50kA一級防浪涌保護器,在其他采集單元箱安裝放電電流不小于20kA的二級防浪涌保護器,實現電源防護的第二級保護措施。

      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或電纜溝敷設,廊道內電纜應采用穿管明敷方式,電纜應盡量避開高壓電氣線路及設備。廊道內鋼管采用不銹鋼管,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。所有電纜保護鋼管均在進戶處與附近接地干線可靠相連,廊道內鋼管每隔30m接地一次。(2)所有電纜保護鋼管均在進戶處與附近接地干線可靠相連。低壓電纜的金屬外皮也應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。將廊道內通信電纜換成無金屬光纜,并穿不銹鋼管保護,為每個采集箱增加光電轉換模塊。(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,鋼管應在進戶處可靠接地。廊道內鋼管每隔30m接地一次。(3)嚴格將進出箱體的高低壓線纜分開布置。

      3.5傳感器電纜改造

      (1)為防止雷電感應電流沿傳感器電纜擊中采集箱,在每個傳感器電纜上安裝信號防雷模塊,其內置防浪涌器件可以對每根芯線都進行防雷保護。(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數據采集單元升級

      將負責滲流監測的數據采集單元進行升級,更換為最新產品,以提高其防雷抗干擾能力。

      4總結

      碧流河水庫大壩安全監測系統于2020年底完成改造,在2021年雷雨季節,未發生任何因雷擊導致的設備損壞事故,各設備均正常運行,可見防雷改造措施起到了對監測設備的保護作用。

      參考文獻

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      [3]郭強,周大鵬.水庫自動化系統防雷技術[J].水利科技與經濟,2011,17(7):96-98.

      [4]張阿峰.恰甫其海大壩安全監測系統雷擊影響分析及防護措施[J].水利建設與管理,2011(11):62-65.

      作者:董柏琪 單位:遼寧省水利水電勘測設計研究院有限責任公司

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