大壩安全監測自動化系統雷擊分析及防范

鄧振華 張明陽

【摘要】現電廠人員結構變化，大壩安全監測依賴自動化監測程度越來越高。但是觀測自動化設備分布較廣，很大部分在野外，大壩附近往往是雷擊發生較頻繁區域，觀測自動設備也就成了雷擊重災區。本文通過對東江大壩安全監測設備雷擊發生情況分析，介紹東江大壩觀測自動化針對性防范措施及效果。

【關鍵詞】觀測自動化；雷擊；防范

大壩安全監測越來重視，監測項目增加，但大壩安全監測人員老齡化，人員減少，新廠人員配置少，人員結構變化，大壩安全監測依賴自動化程度越來越高，大壩觀測自動系統分布廣，環境復雜，很大部分在野外露天，水庫大面積水體，壩體及附屬金屬設施等都是容易引發雷擊的因素，大壩安全觀測自動化設備受雷擊威脅嚴重。

盡管雷擊成因非常復雜，但認識雷擊發生區域及原因，采取正確的防范手段，確保大壩自動化觀測設備正常運行，取得大壩汛期的工作狀況，保證大壩安全。

1.東江大壩安全監測自動化系統概述

東江大壩監測自動化系統監測項目主要包括：大東江壩體、壩區垂線監測（28測點），大東江繞壩滲流監測（13測點），大東江壩體滲壓監測（19測點），大東江斷層監測（4測點），大東江內觀監測（209測點），小東江壩體引張線及兩岸垂線監測（11測點），小東江揚壓力監測（12測點），滑坡體多點位移計監測（10測點）等監測項目；自動化系統監測共有MCU模塊38塊；自動化測點總數306；采集單元箱26個，采集軟件采用南瑞大壩安全監測軟件NDSIMS4.0；通過遠程集控水工自動化環網連接在一起，服務器分別安裝于長沙和小東江，控制終端位于長沙控制室及東江生活區控制室。該系統監測項目比較完整，除垂直位移外，已包含了所有監測目標，總體是目前大壩安全監測比較完善的系統。

但系統建立三年來，每年均受雷擊困擾，小東江滑坡體多點位移尤為嚴重。每年均有多次的雷擊損壞情況。

2.雷擊分析

現場設備做了一些防雷措施，通信主線路使用光隔，采集單元箱與廊道鋼筋連接，傳感器使用屏蔽電纜，繞壩滲流線路使用了鍍鋅鋼管防護，頻繁的雷擊損壞顯示這些措施未能取得防護效果。

2.1 雷擊情況統計

從表1看，大量雷擊導致設備損壞點比較固定，液位傳感器（GK-4500S）、電容式垂線傳感器、內觀傳感器沒有發生過雷擊損壞現象，一般損壞是MCU模塊及弦式測縫計和通信設備，發生頻率最高是小東江滑坡體多點位計，4年發生了15次設備損壞，2013年4月一次損壞7支傳感器和一塊MCU模塊，直接導致備品不足而停測三個月之久。表中僅為設備損壞情況，發生小雷擊，雖然設備未損壞，只造成設備死機，必須人工重啟工作量無具體統計，導致數據丟失，給自動化監測維護帶來沉重負擔。

2.2 雷擊原因檢查分析

首先對單元箱與鋼筋連接的接地進行測量，測量結果發現，這引起鋼筋頭接地電阻達到32歐姆以上，個別達到50歐姆，大大超出國家建筑防雷接地規范要求的10歐姆。也就是整個接地系統無法達到有效釋放雷擊產生的浪涌電流的效果，從測量數據看接地電阻差異比較大，各單元箱連接的鋼筋并未有效連接在一起，無法形成等電位和接地，經過對廊道施工圖紙的了解，認為采用混凝土預制模施工，鋼筋未與大壩主筋焊接，不能達到接地要求。

對設備取電位置及線路檢查，自動化設備均就近取得廊道或附近工作電源，291廊道往后主電源未安裝抗雷防浪涌保護器，小東江左岸安裝一個60KVA抗雷防浪涌保護器，只有一級，Vp值為5KVA，且其后的戶外線路采用了非屏蔽電纜，使保護效果大為減弱，雷擊導致電源損壞，甚至保險管爆裂現象嚴重，進而損壞設備；電源線戶內戶外均采用非屏蔽電纜，這也是雷擊影響比較大原因，有多次保險管爆裂現象。

通信線檢查，主線路比較長，且使用星形分支，通信質量較低，可能為提高保證通信質量，采用非屏蔽六類雙絞線。大東江主通信線路上在右岸274廊道入口的安裝了光隔，但其前后均有線路在戶外，尤以左岸274出口至左岸294觀測亭明顯，雖然使用了鍍鋅鐵管，但鐵管采用絲口連接，未使用焊接，鐵管間連接電阻較大，鐵管本身并未嚴格接地，屏蔽效果不理想，從左岸294及左岸274頻繁雷擊損壞可見一斑。并且有回擊至右岸274廊道主線路分支光隔現象。

傳感器線路，傳感器使用了RVVP4*0.5屏蔽線，也使用了鍍鋅鐵管保護，液位計本身浸入水中，受雷擊影響小，但NDA1403的通道雷擊情況嚴重。剝開電纜后發現，電纜屏蔽層很稀，經數過只有20網，屏蔽效果極差，導致了繞壩滲流、小東江引張線、滑坡體多點位移的模塊和安裝在表面的弦式傳感損壞嚴重，鍍鋅鐵管也是使用絲口連接，未焊接，未嚴格接地，效果極為有限。

從現場分析認為，東江大壩觀測自動化系統防護措施不系統，不規范，有些甚至沒考慮防護，而導致防護措施失效。

3、改進防護措施

通過對現場分析，參考國家防雷相關規范，確立一系列的改進措施：

3.1 建立完善接地網

原以壩體廊道鋼筋為接地，經檢測不符合規范要求，經過大東江大壩施工圖紙查閱，尋找到已廢棄的右側斜廊道預留接地點，經過檢測，與電廠大接地網僅0.0237歐姆，完全滿足防雷及電子設備保護需求。為解決廊道內潮濕容易銹蝕情況，設計采用Φ70銅纜接入廊道內，并經過斜廊道用Φ120銅纜連接成一個整體接地網。將壩體內單元箱接地與接地網連接。

小東江滑坡體由于處于山坡，與電廠接地網較遠，且難以做較大型開挖，改為沿坡面開挖0.5米淺溝，向大壩方向，約150米長，埋入接地扁鐵，中間打入5個1.5米深角鋼樁，焊接在一起，經過檢測接地電阻值為2.73歐姆，小于4歐姆，能滿足防雷及電子設備保護要求。

3.2 通信線路改光纖或120網屏蔽電纜

為了加強通信質量，縮短RS485通信線路長度，將主干進入廊道的電纜改為光纜，進入廊道后經過RS485分支器后，改用RVVP2*0.5電纜，并將屏蔽層兩端接地，為保證通信質量，通信連接改用菊花鏈式，取消星型連接，必要時采用分支器。出戶外電纜另用鍍鋅鐵管保護，鐵管安裝后焊接在一起并接地。并加裝RS485防浪涌保護器。

3.3 電源改造

大東江觀測自動化電源統一在右岸274取用，并在取電開關位置安裝一級抗雷防浪涌保護器，在每個單元箱安裝二級抗雷防浪涌保護器。戶外電纜一律改用ZR-KVVP2*2.5電纜，并將屏蔽及保護凱用焊接接地線方式接地。

3.4 傳感器電纜處理

這部分主要集中在弦式液位計及測縫計，小東江滑坡體多點位移重新更換為ZR-KVVP電纜。由于繞壩滲流及滲壓力測點數量巨大，并且大部分為鍍鋅鐵管保護，更換線纜費用巨大，采取對鐵管加焊連接，因為管內有電纜，只能用點焊方式，連接效果不是太理想，在2015年仍有NDA1403模塊損壞情況，根據弦式傳感器原理，設計在模塊端加裝15KP瞬態防浪涌二極管，釋放雷擊浪涌電流。

4.總結

防雷改造完成于2015年，在2016雷雨季節，東江大壩自動化監測系統未發生一起雷擊設備損壞現象。2016年5月在壩區發生劇烈雷擊事件中，僅發生設備死機情況，無一起雷擊導致數據丟失情況，防雷措施起到了重大保護作用。

雷擊對大壩安全監測系統破壞在國內是比較嚴重，東江大壩采取科學的措施，基本解決大壩安全監測自動化系統自身安全問題。

參考文獻：

[1] GB50057-2010 建筑物防雷設計規范

[2] 防雷裝置設計與安裝 寧建民 寧波 氣象出版社

作者簡介：

鄧振華（1974-），男，本科，工程師，從事大壩安全監測，自動化系統。

張明陽 （1977-），女，博士，副研，從事環境生態景觀研究。