浅谈水利工程电气自动化系统防雷设计措施

浅谈水利工程电气自动化系统防雷设计措施

董霄,解宇晖,张梅

陕西省水利电力勘测设计研究院  陕西省西安市   710000

【摘要】水利工程系统内部施工事务涉及到的学科繁杂，除了基础建设学科外，建设方还需关注电气专业方面的施工处理工作。水利施工过程中需应用的电气设备种类多，大部分建设单位都考虑使用自动化电气系统来提升电气管控工作的实际可行性。为了完善自动化电气系统，实现安全用电，需对电气系统实施防雷保护，线探讨适合新时期水利工程的防雷手段。

【关键词】水利工程；电气自动化系统；防雷措施

1常见的雷击情况分析

水利工程管理方应当全面分析各种雷电现象，明确雷电的不同形式，筛选防雷方案。

1.1球状雷

直击雷相较于任何雷雨天气都可能形成，球形雷大多产生于雷暴天气，其形成后会发出非常耀眼的红光或白光，形态犹如火球，若是水利工程有缝隙或烟囱、门窗等通道存在，球形雷便会借此进入室内，给自动化设备带来损害。就危险性而言，球形雷要比直击雷更高。

1.2雷电侵入波

雷电产生的电流除了流入地下，还会进入输电线路、金属管道，借由金属的电流传导作用到达自动化设备中，使电气设备自身的绝缘消失或严重削弱，高压与低压之间流通，发生触电事故。

1.3直击雷

这种雷击类型破坏力较强，若直接作用于人、畜的身体，将会使其直接死亡。直击雷形成于云层、地面突出物体之间的放电行为，若是直击雷接触到自动化设备，电流会随着金属物流入地下，进而产生较大的对地电压，发挥出巨大的破坏作用。

1.4雷电感应

静电感应、电磁感应是两种常见的雷电感应类型，而雷电感是指雷电形成后与导电物体之间形成了“感应”，自动化设备的金属零件出现火花，致使设备损坏。静电感应是指地面突出物体的表面感应到雷云放出的电荷，二者之间的电荷呈异性相吸状态，表面的电荷摆脱了物体原有的束缚，随雷电电波一同传导、流窜出来，在这个过程中损坏了自动化设备。电磁感应是指金属导体在感应到云层放出雷电后在周边形成的，较之前发生明显变化的强大电磁场，磁场的产生会引动电能，诱发电磁脉冲干扰，进而损坏自动化设备。

2水利工程电气自动化系统防雷措施

2.1配电线路

对于自动化系统来说配电线路是其中非常重要的组成部分，可以使用瞬态过电压保护器(即三级浪涌电压保护器)来进行防雷保护，其应用效果目前尚令人感到满意。这种防雷保护器可以分为三级保护，第一级分布在进线柜断路器后方、变压器二次侧的中性线和三根相线上，这些线路分别对地并联，将外线产生的强电压泄放出去。由于其具有较大的雷通量、可以为各负载进行分流，所以能够达到一般启动电压的2.5倍左右。第二级分布在UPS、PLC专用配电母线的中性线与三根相线上，同样对地并联，以期将第一级残压、其他电器设备在操作中产生的过电压以及电线路在传输中产生的感应过电压或耦合过电压分流出去，预防电磁干扰损坏设备。第三级分布在UPS、PLC等自动化设备的接线板熔断器后方的中性线与相线，对地并联，释放之前的残压，给予自动化设备以进一步的抗过电压干扰保护。除了这种措施，工作人员还可以通过安装限流模块、瞬态电压抑制器、压敏电阻以及三极气体放电管等来构建立体防雷系统，通过多个层次的削弱，可以使UPS发挥出自身本就具有的过电压保护功能。

2.2信号系统及天线反馈

一般来说，自动化系统会使用特制的屏蔽线作为信号线，选择穿管方式进行铺设，虽然雷电在通过管道时仅有1-2kV的感应电压，尚在安全范围之内。但是若是雷电直接侵入计算机通讯端口或PLC，便会超过5-48V的安全电压标准，给自动化系统带来严重的损坏。对此，应该结合计算机进行通讯和数据交换时的实时频率来决定选择怎样的避雷器。专用信号避雷器是比较合适的选择，通信电缆因感应雷而出现瞬态过电压后，三级浪涌保护器可以通过支路将电流泄放到地下，其本身所输出的电流依然在设备可以承受的电压范围内。天馈部分应选择天馈线路的专用三级浪涌保护器。若是天线引入了雷电波，便可以借助天馈线路专用的三级浪涌保护器进行波道分流，分离有用的信号与雷电流，快速将雷电流经支路传入地下。

2.3接地与屏蔽

一直以来我国的水利工程都是利用接地与屏蔽措施，从而帮助水利工程设施进行防雷，该方法成本较为低廉，同时又较为有效，因此在我国各个地区都应用的十分广泛。然而，这种措施尽管有着诸多的优势，受到了各个地区的认可，但是还应当注意其接电电阻的阻值和寿命。通过物理知识可以知道，电阻阻值会随着电压值的升高而升高，随着电压值的降低而降低，两者之间存在着正比例关系，所以，要在保证安全的前提中，最大程度上降低接电电阻的阻值，从而保证能够控制电压。当然，小阻值电阻对大多数的地区与企业来说成本相对高昂一些，因此在实际的应用中要根据实际情况进行综合考虑。电气自动化系统的通信设备、控制系统多位于中控室或泵站，在条件允许的情况直接连接防雷接地网，并与各类水利动力装置匹配使用。除了上述接地防雷处理，还要做好屏蔽措施。这是一种实际应用技术，通过把电气系统中间的金属地板、钢筋笼等焊接在一起，或直接安装屏蔽电缆，从而给电气系统创造一个外部笼状结构，根据等电位高压原理屏蔽雷电产生的高压。应当注意的是，在安装金属屏蔽网或屏蔽电缆时，要将其与接地母线相连，且母线需要在机房内部环形、多点均匀架设，以确保安全性。

2.4构筑物及计算机系统

对于构筑物可选择消雷器、避雷带或避雷针作为接地措施，在进行接地处理时不仅可以选择建筑物内部的钢筋结构进行接地，还可以单独设置引下线使其与构筑物的接地网相连接。计算机与自动控制设备应远离避雷网的金属物体，以免引发感应电流，毁坏设备。对于计算机系统，由于其用电系统较为特殊，其节电系统有如下几种:(1)工作接地，电阻小于等于4Ω；(2)安全保护接地，电阻小于等于4Ω；(3)直流工作接地，信号屏蔽地电阻与逻辑接地电阻小于等于2Ω。若是泵站现实工作状况不允许清晰区分上述状况，则可选择联合接地，但接地电阻需低于2Ω。此外，还应该分开设置三大接地网。原因在于:(1)构筑物在修建时大多未考虑到弱电设备，计算机等若干弱电设备需要做好保护，需要将其接闪地与设备地分开设置；(2)普通设备在供电中所使用的高压配电系统与低压配电系统均使用了同一个接地系统，但是用电情况较为复杂，若采取联合接地方式反而会使弱电设备接地电位升高，造成反击的结果。鉴于雷击会导致地网与附近导体产生较高的电位，应确保系统接地时三大地网至少保持10m以上的距离，若是接地线进入室内，则应给予局部绝缘加屏蔽措施。

3结束语

在过去的水利施工活动中，防雷保护方面的工作经常会被忽视，但是雷电给电气系统带去的影响极为严重，工程建设方应当先分析电气系统的使用情况，明确防雷工作的重点内容，参照不同类型的自动化电气体系，选择运用完全不同的防雷技术手段，强化防雷保护工作，减少雷击事件给水利工程建设活动带来的安全隐患。在现有防雷技术手段的支持下更新防雷方法，强化电气防雷效果。

参考文献

[1]项琨.变电综合自动化系统防雷措施应用探讨[J].自动化与仪器仪表,2017(7):197-198.

[2]姚波.水利水电工程电气系统防雷措施[J].民营科技,2018,No.219(06):83-84.

[3]刘明,李鑫.水利电气自动化工程中常见的问题及解决措施探究[J].建材发展导向（上）,2017(2).