水库大坝安全监测系统雷击分析

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摘要:碧流河水库大坝附近是雷击比较频发的地区，雷电危害严重影响了安全监测自动化设备的运行。通过对碧流河水库大坝安全监测设备雷击发生原因进行分析，结合工程特点，采取恰当的防雷改造措施，确保碧流河水库大坝安全监测系统安全稳定运行。

关键词:安全监测;防雷;措施

雷电灾害已被联合国有关部门列为最严重的10种自然灾害之一，被中国电工委员会称为“电子时代的一大公害”。碧流河水库位于普兰店区与庄河市分界的碧流河干流上，此地雷击现象频发。大坝安全监测设备属于弱电设备，自动化程度较高，且大都布置在野外，分布较广，而水库大面积水体、较高的坝体，以及附属金属设施等都是容易引发雷击的因素。雷电产生高温、猛烈的冲击波以及强烈的电磁辐射等物理效应，使其能在瞬间产生巨大的破坏作用，对大坝安全监测设备造成严重的威胁。因此，分析雷击发生的原因，采取有效的防雷措施，确保大坝安全监测设备正常运行十分必要。

1概况

1.1工程概况

碧流河水库工程由主坝、副坝、溢洪道、输水洞和发电站等组成。主坝由混凝土重力坝、沥青混凝土心墙土坝和堆石坝3种坝型组成，总长708.5m，最大坝高53.5m，坝顶宽10.5m。副坝有3座，一副坝为黏土心墙土坝，最大坝高21.7m，坝长227m;二副坝为均质坝，最大坝高9.3m，坝长380m;三副坝为沥青混凝土心墙堆石坝，最大坝高10m，坝长53.5m。碧流河水库始建于1975年10月，1986年10月竣工。水库最大库容为9.34亿m3，是以城市供水为主，兼有防洪、发电、灌溉、养殖、旅游等综合效益的大(Ⅱ)型水利枢纽工程。

1.2安全监测系统概况

碧流河水库大坝安全监测系统监测项目主要包括坝体变形监测、渗流监测和环境质量监测等。自动化监测系统共有采集单元箱(MCU)12个，其中，渗流监测箱5个，分别位于机房、1#竖井、一副坝、二副坝等处，变形监测箱7个，分别位于机房、1#竖井、土坝廊道、基础廊道等处。廊道内的采集单元箱采用ＲS485通讯线通信，廊道外的采集单元箱除二副坝采集箱采用无线通信外，其他均采用光纤通信。自动化监测中心位于坝上主机房内，渗流监测设备和变形监测设备分别采用北京基康大坝安全监测设备和南京南瑞坝安全监测设备。采集单元箱相关布置信息见表1。

1.3安全监测系统存在的问题

碧流河水库大坝安全监测系统分别于2013年、2017年进行了设备的升级改造，目前各测量仪器均能正常工作。但受天气和环境的影响，系统自建成以来，每年均有MCU设备被雷击损坏，据水库管理部门统计，多年来，所有MCU设备都曾因雷击而损坏过。为减少雷击次数，降低损失，每逢降雨季节，水库管理部门只能采取在采集数据时临时开机的方式，为日常管理带来极大不便。

2雷击分析

2.1雷击方式说明

雷击可分为直击雷和感应雷。直击雷是雷电直接击在露天的设备上造成损坏;感应雷是当建筑物或者电气设备遭受雷击后，巨大的雷电流在周围迅速变化产生磁场，这种磁场能在其附近的金属导体上感应出很高的电压，从而对设备产生破坏。雷击的破坏通道有空间通道、信号通道、电源通道、地电位反击通道等，单一的电气防护措施是无法满足防雷要求的，特别是电子设备对雷电更加敏感，需采取更加严密的防雷措施。

2.2坝址地理环境

碧流河水库地处普兰店区、庄河市和盖州市的交界处，为低山区，多年平均气温8.4℃，平均相对湿度为72%，最大湿度90%，年平均水温12℃，多年平均降水量780mm，多年平均雷暴天数为21d，平均地闪密度约为2.3次/km2·a，属于中雷区。由于山区雨水渗进坝体，经常起到引雷和传递感应电流的作用。

2.3雷击成因分析

虽然碧流河水库大坝已有防雷接地系统，但坝上监测室及安全监测系统没有与大坝主接地系统可靠连接。另外，土坝廊道及二副坝处的采集单元箱并没有进行接地，无法形成等电位设计。一副坝采集单元箱虽已接地，但接地电阻较高，已经超过10Ω，可能会形成高电位。同时，采集单元箱仅采用电源防雷模块防雷，并没有采取信号防雷措施，雷电流可能会沿着信号电缆传导至MCU。MCU设备供电电源处未安装防浪涌保护装置，也没有有效防雷措施。设备的高低压电缆杂乱布置。另外，负责渗流监测的数据采集单元为2013年安装，其抗干扰能力已经落后，不如经过升级换代的新产品。

3防雷改造措施

3.1建立完善的接地网

(1)在大坝廊道内建立有效的接地网，在廊道内沿墙面敷设一圈YJV－1×70铜缆作为接地干线，使之形成闭合接地环，并用卡子固定，将铜缆一端引出用铜鼻子与坝上主接地网可靠连接形成一整个接地网，连接处做防腐处理，确保接地电阻不大于1Ω。同时，采用YJV－1×25铜缆将廊道内采集单元箱的外壳、接地铜排、电缆架与接地干线可靠连接。(2)主坝机房接地设计采用S型等电位接地设计，在上层机房离地400mm距离沿墙敷设一段30×3紫铜排，机房上层所有电气及电子设备的金属外壳、接地排、金属管道、静电地板骨架等构筑物以及高低压进出电缆的金属外皮、通讯信号线的金属外皮均与紫铜排可靠连接，同时将紫铜排用YJV－1×25铜芯电缆引下至下层等电位端子箱(MEB)。在机房下层设置总等电位端子箱(MEB)，机房下层所有电气及电子设备的金属外壳、接地铜排、金属管道等构筑物以及高低压进出电缆的金属外皮、通讯信号线的金属外皮均与MEB可靠连接，同时将MEB与机房接地干线可靠连接，以达到设备的等电位要求。机房接地干线要与大坝主接地网可靠焊接，使机房接地电阻不大于1Ω，如果不满足要求，需要在室外补打接地极，直至满足要求。接地极埋设位置应避开岩石，选择河边深土层。(3)一副坝离主坝较远，难以做到大型开挖，无法将其接地网与主坝主接地网焊接，可采用补打接地极的方式进行降阻。在一副坝机房附近适当位置将4根或多根2.5m长的角钢(∠50×5)垂直打入地下离地面1.0m处，每根角钢相距5m。用－50×5热镀锌扁钢将所有角钢串联焊接在一起，形成环形接体。再用－50×5热镀锌扁钢将接地极与一副坝机房接地网可靠焊接，使接地电阻不大于1Ω。一副坝机房内部做等电位设计，配电箱外壳、金属管道、采集单元箱的外壳、接地排等与内部MEB可靠连接。接地极埋设位置应避开岩石，选择河边深土层。(4)二副坝处的采集单元箱没有做接地，需要补打接地极，其方法与一副坝做法相同。(5)其他为采集单元箱提供电源的房间场所均做S型等电位设计，做法参见机房。(6)接地极焊接处需做防腐处理，将焊缝处理干净后涂刷防腐导电漆三遍。

3.2电源改造

电源改造的目的是在雷电流来临时，在电源端将电流快速泄入大地，从而对设备进行保护。(1)碧流河水库所有采集单元箱的电源均取自附近配电箱，在所有配电箱内安装放电电流不小于50kA的一级防浪涌保护器，作为电源防护的第一级保护措施。同时确保电源箱与主接地网可靠连接。(2)为所有采集单元箱电源线路、计算机电源线路安装隔离变压器，进一步滤除杂波，稳定电源。(3)在廊道内每个采集单元箱安装放电电流不小于50kA一级防浪涌保护器，在其他采集单元箱安装放电电流不小于20kA的二级防浪涌保护器，实现电源防护的第二级保护措施。

3.3供电线路改造

(1)廊道外所有供电线路采用穿镀锌钢管的形式埋地敷设或电缆沟敷设，廊道内电缆应采用穿管明敷方式，电缆应尽量避开高压电气线路及设备。廊道内钢管采用不锈钢管，廊道外钢管选用镀锌钢管，钢管连接处应采用丝接，管箍两端采用接地线卡做跨接接地处理。所有电缆保护钢管均在进户处与附近接地干线可靠相连，廊道内钢管每隔30m接地一次。(2)所有电缆保护钢管均在进户处与附近接地干线可靠相连。低压电缆的金属外皮也应与采集单元箱的接地铜排相连。
3.4通信线路改造

(1)坝上原有光缆均换成无金属光缆。将廊道内通信电缆换成无金属光缆，并穿不锈钢管保护，为每个采集箱增加光电转换模块。(2)钢管连接处采用丝接，管箍两端采用接地线卡做跨接接地处理，钢管应在进户处可靠接地。廊道内钢管每隔30m接地一次。(3)严格将进出箱体的高低压线缆分开布置。

3.5传感器电缆改造

(1)为防止雷电感应电流沿传感器电缆击中采集箱，在每个传感器电缆上安装信号防雷模块，其内置防浪涌器件可以对每根芯线都进行防雷保护。(2)将传感器电缆屏蔽层与采集箱中接地母排可靠连接。

3.6数据采集单元升级

将负责渗流监测的数据采集单元进行升级，更换为最新产品，以提高其防雷抗干扰能力。

4总结

碧流河水库大坝安全监测系统于2020年底完成改造，在2021年雷雨季节，未发生任何因雷击导致的设备损坏事故，各设备均正常运行，可见防雷改造措施起到了对监测设备的保护作用。

参考文献

［1］四川省住房和城乡建设厅．建筑物电子信息系统防雷技术规范GB50343—2012［S］．北京:中国建筑工业出版社，2012．

［2］乔国林，陆勤．电子信息系统的雷击风险与雷电防护［J］．工业安全与环保，2008，34(11):41－44．

［3］郭强，周大鹏．水库自动化系统防雷技术［J］．水利科技与经济，2011，17(7):96－98．

［4］张阿峰．恰甫其海大坝安全监测系统雷击影响分析及防护措施［J］．水利建设与管理，2011(11):62－65．

作者:董柏琪 单位:辽宁省水利水电勘测设计研究院有限责任公司