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金麗溫高速公路溫州段隧道設備雷擊事故淺析

來源:張工 發布時間:2011-11-10 8:51:21

金麗溫高速公路溫州段隧道設備雷擊事故淺析

2011-07-13 15:42:10 
20088月浙江金麗溫高速公路全線機電系統進行防雷整改,整改結束后,仍發生了多起隧道弱電設備雷擊情況,其中木西岙隧道尤顯嚴重,給高速公路的正常運行帶來很大安全隱患。根據高速公路管理中心相關人員反映,發生在隧道的雷擊事故情況有兩種:一是在SPD未損壞的情況下,控制系統的編碼轉換器、PLC通訊端口、隧道口攝像機等設備損壞;二是設備運行正常,而線路中的電涌保護器損壞。金麗溫高速公路管理中心多次組織整改,包括對地電位反擊的處理、提高相應線路上的電涌保護器通流量等,但效果仍不理想。本文從理論角度分析引起以上雷擊事故的原因,提出整改措施。希望能為類似防雷整改項目提供一些借鑒。
隧道設備與雷擊事故簡況

以木西岙隧道為例:木西岙隧道為過山隧道。隧道設備為隧道口有變配電房和UPS控制機房。隧道供電通過附近的10kV高壓電網拉到變壓器變380V后分配使用。隧道內配電系統主要以箱式變電站、發電機房及UPS設備間并排建立組成。隧道口可變限速標志是分布在隧道兩頭,一頭一個,一頭可變限速標志與隧道內設備間距離大約200m,另一頭大約600m。供電和通訊線路布線分開并通過管道敷設,電力電纜用的是鋼管,通訊電纜用的是PE管,隧道內攝像機是用視頻線傳輸視頻信號到UPS房光端機。監控設備都是由UPS供電,其它的通訊電纜敷設基本都在房間內部。

歷史氣象資料統計表明,溫州地區年平均雷暴日為51天,屬于高雷區。2008年的防雷整改中,針對隧道的防雷整改措施有:變電所及UPS機房的直擊雷防護、隧道設備供電線路的電涌防護、機電系統設備的等電位接地(含控制線路的電涌防護)。防雷整改后,在49月雷雨季節,木西岙隧道損壞設備有RTU(區域控制器),照明控制PLC,隧道口可變限速控制單元,隧道內攝像機。這些弱電設備中尤其以隧道口可變限速控制單元雷擊事故率最高。只要是雷雨天氣,可變限速控制單元均發生不同程度損壞,見圖1、圖2。

雷擊事故原因分析

    2008年浙江金麗溫高速公路全線機電系統防雷整改中,針對供電線路、通訊線路設置了完善的電涌保護裝置,可以說電涌保護器設防覆蓋了全部的系統線路。
2009年雷擊事故發生后,建設單位和施工單位及時組織相關人員現場勘查分析,提出一些補救措施。

措施一:把先前共地的高壓電網接地和用戶內部接地分開各自獨立,達到接地電阻都小于4Ω??墒切Ч⒉焕硐?,雷擊還是會損壞設備。

措施二:提高安裝在損壞設備線路上的電涌保護器通流量,增加其內部一個元器件的功率。改造后效果比較明顯,但過了三個月左右一次雷擊過程后新更換上的SPD還是基本被損壞。而后再更換, SPD仍有出現損壞的情況,設備都還正常運行。

從第一項補救整改結果看,各系統間的共地和獨立接地不是造成雷擊事故的根本原因。從第二項補救整改結果看,設備供電、通訊線路是存在雷擊過電壓的;安裝在系統線路的SPD被擊壞,SPD起到了保護設備的作用,但SPD的經常性損壞也會對系統設備帶來安全隱患,同時也造成維護成本的增加。

那么是什么原因引起的這些系統設備經常性雷擊損壞呢?

首先,從直擊雷防護角度分析。溫州市年平均雷暴日為51天,屬于高雷區。隧道處于山地環境,雷暴日明顯多于市區。隧道變電所和UPS控制機房按照要求實施了直擊雷防護,從局部來說是滿足了防直擊雷要求。

其次,從電源線路雷電侵入分析。引入隧道變電所的高壓電源線路為架空線,由變電所進入隧道的供電線路采用埋地穿金屬管敷設,且在低配端安裝了B級電涌保護器,在UPS機房電源配電柜、通訊控制柜、UPS電源線路安裝C級電涌保護器,考慮到雷擊環境的惡劣情況,在各系統現場控制端也安裝了D級電涌保護器。變電所接地網、UPS控制機房接地網、現場設備接地實施了共地等電位連接。接地電阻為1.2Ω。實踐也證明,供電線路的電涌防護是可靠的、合理的。

再次,從通訊線路雷電侵入分析。這些通訊線路均由隧道口或隧道內的信息采集器采集信號,工作電壓24V。這些模擬信號通過現場控制器轉換為020mA數字信號,這些數字信號通過通信電纜傳輸到UPS控制機房的控制單元模塊集中處理,處理后的信號再通過光端機轉換通過光纜傳輸到高速公路管理控制中心。由于光纜加強筋接地后對空間電磁輻射具有較好的屏蔽作用,現場控制器和UPS控制機房的控制單元模塊雷擊損壞及其線路上安裝的電涌保護器損壞充分說明了從現場控制到機房集中控制的通訊電纜是雷擊事故發生的關鍵點。 

根據防直擊雷設計保護原理,雷電不會直接擊中隧道內通訊線路。雷擊損壞設備及電涌保護器是雷擊產生的感應過電壓、過電流引起的。根據GB 50057-2000第六章推薦的計算雷電電磁場的公式及法拉第定律:

距雷擊點Sa( m) 的磁場強度H0 =i0/2πSa    1

磁感應強度B=μH0=μ·i0/2πSa             2

μ為真空磁導率,μ=·10-7牛頓/安培2

感應回路面積S與磁感應強度B的乘積是變化的磁通量

△Φ= S·B = S·μ·i0/2πSa                        3

根據法拉第定律,取短時雷擊的波頭時間T1,則線路上疊加的感應電壓

U= S·μ·i0/2πSaT1                   4

對于平行敷設的電源、通訊線路,S是線路長度l和線路間距d的乘積;隧道口控制箱距離UPS控制機房的距離l30m,信號線平行間距取0.5m;

首次雷擊i0150kA ,波頭時間T110μs;首次以后雷擊i037.5kA,波頭時間T10.25μs;根據雷擊點Sa的不同,回路上的感應電壓也會不同(見表1)。

在防雷整改中通訊線路選用的電涌保護器額定工作電壓為24V,最大持續工作電壓為27V,標稱放電電流為5kA,電壓保護水平線—線為60V、線—地為30V。而通訊線路工作電壓為直流24V,信號為020mA數字信號,通過理論計算值和電涌保護器參數的比較發現,電涌保護器選取的參數與實際雷擊情況不匹配,就無法對線路雷擊感應電流、電壓起到很好的防護效果。

3 故障解決措施探討深圳安裝避雷針

通過理論分析計算,線路上產生的雷擊感應過電壓、過電流是引起系統設備和SPD損壞的主要原因。如何降低線路上產生的雷擊過電壓、過電流是解決這些雷擊事故的關鍵。合理的屏蔽措施能大大改善雷擊情況,若能從根本上改變線纜的材料是最好的選擇。如將通訊電纜穿金屬管并兩端接地,這樣的屏蔽處理方式能從很大程度上減小線路感應過電壓、過電流的強度。條件允許的可根據當地雷電監測資料,詳細了解該區域最大雷擊強度,通過理論計算空間電磁場強度和線路上可能感應的過電壓、過電流強度,從而選擇適配的電涌保護器和合理的屏蔽措施。對通訊線路,將傳輸電纜更換為光纜能從根本上改善線路引起的雷電感應侵入。建設單位把問題最為嚴重的木西岙隧道的隧道口可變限速標志通訊改為光纜,到目前為止沒有發生過一起雷擊事故。

4 結束語深圳電源防雷器 
隨著電子計算機技術、微波、光通信技術日益發展,各類電子設備在高速公路機電系統中大量應用,雷電感應到附近的導體中形成過電壓,可高達幾千伏、上萬伏,對微電子設備的危害極大。雷電的主要侵入通道有電源線路、各類信號傳輸線路、天饋路線和進入系統的管、纜、橋架等導體侵入設備系統,造成電子設備失效或永久性損壞。因此,雷擊電磁脈沖的防護是在入侵通道上將雷電流泄放入地,從而達到保護電子設備的目的。其主要方法是采用隔離、均壓、濾波、屏蔽、過壓過流保護、接地等方法。因此要設計具體的高速公路的防雷系統必須充分調查,因地制宜,并合理應用各種防護措施,才能保證各設備及系統的正常運轉,避免雷擊造成設備的損壞及人員的傷害。

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本文來自:          http://www.damehaciendo.com                   http://www.dento.com.cn

 

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