韓曉濤，袁鵬飛，邱 偉，高海榮，王澤玉，唐雪艷

（國網(wǎng)新源控股有限公司檢修分公司，北京，100068）

0 概述

抽水蓄能電站上水庫一般位于山頂附近，海拔相對較高，四周較空曠，大壩安全監(jiān)測數(shù)據(jù)自動(dòng)采集系統(tǒng)容易遭受雷擊，導(dǎo)致采集箱內(nèi)的采集模塊和傳感器被擊毀、采集系統(tǒng)癱瘓。對于大壩安全監(jiān)測自動(dòng)化系統(tǒng)防雷問題，已引起行業(yè)的高度重視。

張河灣抽水蓄能電站位于河北省石家莊市井陘縣境內(nèi)的甘陶河干流上。電站裝機(jī)4臺(tái)，總裝機(jī)容量1 000 MW，單機(jī)容量250 MW。樞紐工程主要由上水庫、輸水系統(tǒng)、地下廠房及地面出線場、下水庫等組成[1]。2007年8月上水庫開始蓄水，2008年9月28日蓄至最高水位810.2 m，2009年4臺(tái)機(jī)組正常運(yùn)行，并網(wǎng)發(fā)電[1]。

工程安全監(jiān)測系統(tǒng)主要布置在上水庫、輸水系統(tǒng)、地下廠房及下水庫等水工建筑物，設(shè)置了變形監(jiān)測、滲流監(jiān)測、應(yīng)力應(yīng)變及溫度監(jiān)測、環(huán)境量監(jiān)測、地震反應(yīng)監(jiān)測等項(xiàng)目。2011—2014年，監(jiān)測數(shù)據(jù)自動(dòng)采集系統(tǒng)投入試運(yùn)行。上水庫等部位監(jiān)測儀器和采集模塊多次遭受雷擊，因此每到春夏雷雨季節(jié)，上水庫采集系統(tǒng)斷電停運(yùn)，轉(zhuǎn)為人工觀測。

2017—2018年，國網(wǎng)新源控股有限公司檢修分公司承接河北張河灣電站安全監(jiān)測工作后，為了提高采集系統(tǒng)的應(yīng)用水平，與電站共同對采集系統(tǒng)的雷擊問題進(jìn)行研究，經(jīng)過兩年不斷研究和實(shí)踐，最終形成了一套簡單實(shí)用、造價(jià)極低、安裝簡單的采集系統(tǒng)避雷技術(shù)，并設(shè)計(jì)了遠(yuǎn)程遙控電源裝置，由張河灣電站申報(bào)并獲得實(shí)用新型專利1項(xiàng)。

1 雷擊的種類

1.1 直擊雷

帶電積云與地面目標(biāo)之間的強(qiáng)烈放電稱為直擊雷。

1.2 感應(yīng)雷

感應(yīng)雷也稱雷電感應(yīng)，分為電磁感應(yīng)雷和靜電感應(yīng)雷。電磁感應(yīng)雷是雷擊后，超強(qiáng)的雷電流在周圍空間產(chǎn)生強(qiáng)大電磁場，這種磁場感應(yīng)令附近的金屬導(dǎo)體產(chǎn)生很高的電壓，進(jìn)而損壞電氣設(shè)備。靜電感應(yīng)雷是地面凸出物頂部與接近地面的雷云感應(yīng)出大量異性電荷所致[2]。

1.3 雷電侵入波

直擊雷或感應(yīng)雷在架空的金屬線路或金屬管道上產(chǎn)生沖擊電壓，沿著線路或管道迅速傳播的雷電波穿透電氣設(shè)備的絕緣層，會(huì)造成設(shè)備損毀事故。

1.4 球雷

球雷是雷電放電時(shí)形成的高能電火球，球雷通常在空中飄動(dòng)或沿地面滾動(dòng)，能從窗戶、門等通道落進(jìn)屋內(nèi)，造成人身觸電、設(shè)備燒損及火災(zāi)事故。

大壩安全監(jiān)測自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)備遭受雷擊主要是感應(yīng)雷、雷電侵入波及直擊雷。

2 采集系統(tǒng)遭受雷擊現(xiàn)象分類

2017—2018年，檢修公司張河灣項(xiàng)目部會(huì)同電站水工人員，多次到現(xiàn)場反復(fù)檢查采集系統(tǒng)遭受雷擊的部位、供電線路、通訊線路、采集模塊、儀器種類和周邊環(huán)境，研究采集系統(tǒng)遭受雷擊的原因和解決辦法。結(jié)合新源公司系統(tǒng)內(nèi)其他電站監(jiān)測系統(tǒng)雷擊問題，經(jīng)反復(fù)研究，得出系統(tǒng)遭受雷擊主要有下列原因：

（1）電站廠用電線路遭受雷擊。采集系統(tǒng)供電電源通常由廠用電供電，當(dāng)電站廠用電線路遭受雷擊時(shí)，其供電分支——監(jiān)測系統(tǒng)供電線路產(chǎn)生瞬間高壓和強(qiáng)電流，通過供電線路傳導(dǎo)至采集箱內(nèi)，進(jìn)而燒毀電源模塊或采集模塊等設(shè)備。

（2）監(jiān)測專用供電線路或雙絞線通訊線路遭受雷擊。專用的監(jiān)測供電線路或雙絞線通訊線路未單獨(dú)鋪設(shè)金屬保護(hù)套管，部分線路裸露在外遭雷擊，進(jìn)而燒毀電源模塊或采集模塊等設(shè)備。

（3）專用供電線路受其他線路影響損壞監(jiān)測設(shè)備。專用供電線路與其他動(dòng)力電源共用電纜橋架，當(dāng)其他動(dòng)力電源遭受雷擊時(shí)產(chǎn)生瞬時(shí)高壓，監(jiān)測專用電源線路受其感應(yīng)，導(dǎo)致監(jiān)測設(shè)備供電電壓瞬時(shí)偏高，進(jìn)而燒毀電源模塊或采集模塊等設(shè)備。

（4）雷電侵入波串入觀測箱。雷電侵入波沿著金屬保護(hù)套管、電源線路或通訊線路串入觀測箱，毀壞監(jiān)測線路和設(shè)備的絕緣，燒毀電源模塊或采集模塊等設(shè)備。

（5）雙絞線通訊線路受供電線路影響損壞監(jiān)測設(shè)備。雙絞線通訊線路與供電線路共處一個(gè)保護(hù)套管內(nèi)或靠近其他電源線路時(shí)，當(dāng)其電源線路遭受雷擊時(shí)產(chǎn)生瞬時(shí)高壓，雙絞線通訊線路受其感應(yīng)，導(dǎo)致通訊線路電壓瞬時(shí)偏高，進(jìn)而燒毀通訊模塊或采集模塊等設(shè)備。

（6）儀器通訊線路遭受雷擊。直擊雷、感應(yīng)雷或雷電侵入波通過埋設(shè)的監(jiān)測儀器通訊線路擊毀采集模塊和埋設(shè)的監(jiān)測儀器，如邊坡上埋設(shè)的裸露的金屬錨桿、錨索、多點(diǎn)位移計(jì)等部分監(jiān)測點(diǎn)。

3 新式大壩安全監(jiān)測自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)避雷技術(shù)

考慮到主動(dòng)式防雷設(shè)備技術(shù)復(fù)雜、研發(fā)難度大、費(fèi)用及造價(jià)高昂，檢修公司張河灣項(xiàng)目部會(huì)同電站水工人員研究出一套簡單實(shí)用、造價(jià)低廉且極易實(shí)現(xiàn)的新式采集系統(tǒng)避雷技術(shù)。其工作原理是使用遠(yuǎn)程遙控電源裝置控制交流接觸器，將受雷擊干擾的電源線路、通訊線路與采集系統(tǒng)其他設(shè)備徹底物理隔離，避免雷擊。

3.1 接觸器

接觸器是電力設(shè)備自動(dòng)控制中使用頻繁的部件，主要用來控制開合電路。接觸器分為交流接觸器和直流接觸器。

3.1.1 交流接觸器結(jié)構(gòu)

交流接觸器主要包括電磁系統(tǒng)（吸引線圈、動(dòng)鐵芯和靜鐵芯）、觸頭系統(tǒng)（三組主觸頭和一至兩組常開、常閉輔助觸頭）、滅弧裝置、絕緣外殼及附件等[3]，見圖1和圖2。

圖1 交流接觸器結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of AC contactor

圖2 交流接觸器實(shí)物（常開）Fig.2 Picture of AC contactor(normally open)

3.1.2 接觸器的工作原理

在線圈未供電的情況下，常開觸點(diǎn)通常是斷開的，常閉觸點(diǎn)是關(guān)合的。當(dāng)接觸器線圈通電后，在線圈電流產(chǎn)生的磁場作用下，交流接觸器的觸頭系統(tǒng)動(dòng)作，3個(gè)主觸頭閉合，輔助觸頭斷開或閉合。當(dāng)線圈斷電時(shí)，電磁吸力消失，3個(gè)主觸頭斷開，輔助觸頭閉合或斷開。符號NO表示常開，NC表示常閉。根據(jù)實(shí)際需要，選擇常開的交流接觸器[4]。

3.2 遠(yuǎn)程遙控電源切換裝置

遠(yuǎn)程控制電源切換裝置由控制模塊（含GPRS信號發(fā)送接收裝置、單片機(jī)測控板）、接觸器、空氣開關(guān)、控制保護(hù)箱等組成，可發(fā)送、接收信號，見圖3。雷雨天時(shí)，通過手機(jī)或電腦向遠(yuǎn)程遙控電源切換裝置發(fā)送命令，裝置內(nèi)的單片機(jī)收到信號后通過給接觸器的線圈供電、斷電控制采集電源開路、斷路切換操作[5]。遠(yuǎn)程遙控電源切換裝置要求安裝位置有較好的GPRS信號。

圖3 遠(yuǎn)程控制電源切換裝置設(shè)計(jì)原理Fig.3 Design principles of the remote-control power switching device

3.3 避雷技術(shù)方案一

當(dāng)電站廠用電線路遭受雷擊，導(dǎo)致監(jiān)測系統(tǒng)供電線路產(chǎn)生瞬間高壓和強(qiáng)電流，燒毀電源模塊或采集模塊等設(shè)備時(shí)，在廠用電的監(jiān)測系統(tǒng)供電線路接入處設(shè)置一個(gè)遠(yuǎn)程遙控電源切換裝置，使用手機(jī)APP（圖4），控制監(jiān)測系統(tǒng)供電線路接通和斷開，避免廠用電系統(tǒng)受雷擊影響燒毀觀測設(shè)備。目前，張河灣電站上水庫、桐柏電站上下水庫觀測系統(tǒng)均采用此方式避雷。

圖4 手機(jī)APP遠(yuǎn)程控制電源畫面Fig.4 Interface of mobile APP for remote-control of power

例1：張河灣上水庫大壩采集系統(tǒng)經(jīng)常遭受雷擊，其監(jiān)測專用電源取自上水庫值班樓內(nèi)廠用電，沿環(huán)庫公路防浪墻下的電纜溝內(nèi)鋪設(shè)電源線，并設(shè)置了一寸鋼管防護(hù)，通訊骨干線路為多模光纜，不受雷擊影響，故其雷擊主要來源于上水庫值班樓內(nèi)電站廠用電線路。2017年在值班室內(nèi)的機(jī)柜內(nèi)安裝了一個(gè)遠(yuǎn)程遙控電源切換裝置，雷雨天氣時(shí)監(jiān)測人員使用手機(jī)斷開上水庫大壩監(jiān)測電源，未再出現(xiàn)過監(jiān)測設(shè)備被雷擊現(xiàn)象，見圖5。

圖5 張河灣上水庫遠(yuǎn)程控制電源切換裝置Fig.5 Picture of the remote-control power switching device at Zhanghewan upper reservoir

3.4 避雷技術(shù)方案二

當(dāng)電站廠用電線路遭受雷擊，導(dǎo)致監(jiān)測系統(tǒng)供電線路產(chǎn)生瞬間高壓和強(qiáng)電流，燒毀電源模塊或采集模塊等設(shè)備而該處無GPRS信號時(shí)，可在其他有電源和GPRS信號處安裝一個(gè)遠(yuǎn)程遙控電源切換裝置，并在采集系統(tǒng)供電線路取電處至采集系統(tǒng)第一個(gè)采集箱中間任一位置布設(shè)一條電源線路，作為接觸器控制電源。在該處安裝一個(gè)接觸器，使用遠(yuǎn)程遙控監(jiān)測電源裝置控制接觸器的吸合和斷開，進(jìn)而控制監(jiān)測系統(tǒng)電源。

例2：張河灣上水庫庫底廊道內(nèi)的滲漏監(jiān)測系統(tǒng)在2018年上半年遭受雷擊，其電源取自庫底廊道入口控制柜，經(jīng)分析，雷擊來自控制柜內(nèi)的廠用電線路，該廊道入口處無GPRS信號。庫底廊道入口距離上庫環(huán)庫公路電纜溝約100 m，故從上庫環(huán)庫公路電纜溝至底廊道入口最近處將上庫觀測電源引到庫底廊道口，在庫底廊道口安裝一個(gè)接觸器，通過接觸器控制庫底廊道專用觀測電源。雷雨天使用手機(jī)遙控關(guān)閉上庫觀測總電源時(shí)，同時(shí)斷開庫底廊道觀測電源，防止雷擊庫底廊道的滲漏觀測系統(tǒng)，見圖6。

圖6 張河灣上水庫庫底廊道入口電源控制箱Fig.6 The power control box at the entrance of the bottom gal-lery of Zhanghewan upper reservoir

3.5 避雷技術(shù)方案三

采集系統(tǒng)第一個(gè)采集箱前的監(jiān)測專用供電線路或雙絞線通訊線路因未單獨(dú)鋪設(shè)金屬保護(hù)套管遭受雷擊、受其他線路影響損壞監(jiān)測設(shè)備、雷電侵入波串入觀測箱損壞監(jiān)測設(shè)備或因其他未查明的雷擊因素?fù)p壞觀測箱內(nèi)的電源模塊、采集模塊等設(shè)備，可在專用供電線路及雙絞線通訊線路起始端設(shè)置一個(gè)遠(yuǎn)程遙控電源切換裝置，在電源及通訊線路末端（第一個(gè)采集箱內(nèi)的采集設(shè)備前）設(shè)置一個(gè)接觸器。雷雨天時(shí)，使用手機(jī)APP，利用遠(yuǎn)程遙控電源切換裝置和接觸器，將這段電源線路和雙絞線通訊線路兩端徹底進(jìn)行物理隔離，防止雷電通過電源和通訊線路擊毀采集系統(tǒng)硬件設(shè)備。注意雙絞線通訊線路中的一根用接觸器的輔助觸點(diǎn)控制，另一根用主觸點(diǎn)控制，這種接法不是很規(guī)范，但滿足實(shí)際需求，規(guī)范的做法是在接觸器上設(shè)置控制信號線的繼電器，用來控制雙絞線通訊線。例3：2018年5月，在張河灣廠房附近的出線場安裝了避雷遙控電源裝置，以保護(hù)出線場和中支洞內(nèi)采集設(shè)備的運(yùn)行不受雷擊影響。2018年夏季雷雨天，出線場和中支洞內(nèi)的采集模塊一次性被擊毀4塊后，重新研究設(shè)計(jì)避雷方案。在中支洞內(nèi)的采集箱內(nèi)增設(shè)一個(gè)接觸器，雷雨天使用手機(jī)遙控?cái)嚯?，將出線場-中支洞之間的電源線、通訊線兩端進(jìn)行物理隔離，成功有效地防止了雷電通過金屬線路損壞中支洞內(nèi)采集設(shè)備。

3.6 使用光纜和蓄電池解決系統(tǒng)通訊和供電問題

目前，國內(nèi)規(guī)模較大采集系統(tǒng)總線均采用光纜通訊，通訊總線不受雷擊影響；一些監(jiān)測系統(tǒng)規(guī)模較小或測點(diǎn)比較集中的采集系統(tǒng)，其通訊總線采用雙絞線材質(zhì)，當(dāng)通訊總線穿越室外時(shí)，防雷防電磁干擾措施不佳，可能導(dǎo)致雙絞線遭受雷擊傳至采集設(shè)備。當(dāng)增設(shè)防雷保護(hù)金屬套管不方便時(shí)，可將易遭雷擊段雙絞線總線改為光纜，光纜兩端的光電轉(zhuǎn)換器供電處增加蓄電池，系統(tǒng)斷電后，蓄電池為光電轉(zhuǎn)換器供電，如果采集系統(tǒng)各采集模塊均有蓄電池供電，則采集系統(tǒng)在斷電后仍然可以正常運(yùn)行[6]。

如：常規(guī)大壩通訊線路從廊道內(nèi)引至觀測樓內(nèi)時(shí)，可能會(huì)有一段通訊線路暴露在廊道口和觀測樓外，容易遭受雷擊，即可用此辦法解決。

使用遠(yuǎn)程遙控電源切換裝置切斷系統(tǒng)電源，并不影響設(shè)計(jì)合理的采集系統(tǒng)正常運(yùn)行。一個(gè)設(shè)計(jì)合理的采集系統(tǒng)，配有足夠的蓄電池前提下，系統(tǒng)斷電后依然可以正常運(yùn)行3~7 d左右（用電量大的系統(tǒng)除外，如真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)）。目前，國內(nèi)大部分采集系統(tǒng)骨干通訊網(wǎng)介質(zhì)均采用光纜，但采集箱內(nèi)的采集模塊、光電轉(zhuǎn)換器供電電壓不統(tǒng)一，非工業(yè)級電源模塊只能滿足采集模塊運(yùn)行要求，無法為光電轉(zhuǎn)換器供電。在系統(tǒng)斷電前提下，采集系統(tǒng)不能正常運(yùn)行，采集模塊只能定時(shí)采集數(shù)據(jù)，待供電系統(tǒng)恢復(fù)后再將采集的數(shù)據(jù)傳至計(jì)算機(jī)。

4 結(jié)語

在主動(dòng)式防雷設(shè)備技術(shù)復(fù)雜、研發(fā)難度大、造價(jià)高昂的情況下，針對主要由電源端感應(yīng)雷擊引起的系統(tǒng)設(shè)備損壞，國網(wǎng)新源檢修公司和張河灣電站另辟蹊徑，研究出簡單實(shí)用、造價(jià)低廉且極易實(shí)現(xiàn)的新式采集系統(tǒng)避雷技術(shù)。該技術(shù)作為傳統(tǒng)防雷技術(shù)的一個(gè)有效補(bǔ)充，可為存在雷擊風(fēng)險(xiǎn)的大壩安全監(jiān)測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的正常運(yùn)行及設(shè)備安全提供可靠的技術(shù)保證。此項(xiàng)技術(shù)已在張河灣電站和桐柏電站運(yùn)用，且效果良好，在大壩安全監(jiān)測行業(yè)內(nèi)具有廣泛的推廣價(jià)值。