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关于水库自动化监控系统雷电防护工程技术的实践与效果
发布时间:2018/6/12 | 阅读次数:383 | 返回新闻列表>>

摘要:随着计算机与信息技术的快速发展,采用新技术、新设备对整个水库的设备与管理进行现代化改造,进行水库智能化建设,可以进一步挖掘水库的潜力,加强水库运行的可靠性,提高防治洪涝干旱灾害,提高水资源管理决策水平。而视频监控系统作为水库自动化管理系统一部分,把各个视频监控子系统组成网络视频监控系统,实现系统间数据共享、协同工作来提供一个完整的、综合的水库信息化管理平台

密云水库管理处沿库区南岸建设了自动化管理系统,由于雷害的原因,严重影响了水库自动化管理系统的正常运行。本文介绍了密云水库管理处视频监控系统雷电防护工程的设计,供大家参考和提出宝贵的意见。

关键词:水库 视频监控系统 感应雷 防雷

0引言  

水库作为水利系统最基层的工程,其智能化建设是水利信息化的基础,随着计算机与信息技术的快速发展,采用新技术、新设备对整个水库的设备与管理进行现代化改造,进行水库智能化建设,可以进一步挖掘水库的潜力,加强水库运行的可靠性,提高防治洪涝干旱灾害,提高水资源管理决策水平。而视频监控系统作为水库自动化管理系统一部分,把各个视频监控子系统组成网络视频监控系统,实现系统间数据共享、协同工作来提供一个完整的、综合的水库信息化管理平台。随着电子技术的飞速发展,电子元器件的微型化、集成化程度越来越高,各类电子设备的耐过电压能力下降,遭雷击电磁脉冲的危害明显增加。据历年气象资料统计,北京市年平均雷暴日为363天,属于雷暴活动和雷电灾害较频繁,而视频监控系统又多处于旷野、山地或大坝上,周围土壤电阻率较高,根据对北京市密云水库多个视频监控站点土壤电阻率的测量,得出结论多数为150~800Ω˙m。正确地了解雷电知识,并采取相应措施进行有效防雷,对保护水库视频监控系统安全,保证水利枢纽正常发挥作用具有重要意义。

1 现场勘查

密云水库是华北地区最大的水库,有“燕山明珠”之称。它坐落于燕岭群峰之中,横截潮、白两河,建于1958年9月~1960年9月,面积188万平方公里,水面137000亩,水深40米至60米,分白河,潮河、内湖三个库区。

水库按千年一遇洪水设计、万年一遇洪水校核,设计水位157.5m,库容为43.75亿立方米。枢纽挡水建筑物的两座主坝,五座副坝,坝顶宽度均为8m,总长4559.8米,坝顶高程160米,最大坝高66米。

枢纽输水建筑物有:白河发电输水隧洞,潮河输水隧洞,九松山引水隧洞。

枢纽泄水建筑物有:第一、二、三溢洪道,走马庄隧洞,白河泄空隧洞,潮河泄空隧洞,潮河人防洞。

密云水库管理处沿库区南岸建设了自动化视频监控系统,由于雷害的原因,严重影响了水库自动化管理系统的正常运行。由于大部分设备为进口产品,价格昂贵,每年自动化视频监控系统因雷击损失造成近300万的损失,并系统得不到正常运行;于是北京水务局密云水库管理处决定完善防雷措施,对自动化管理系统的19处监控站及21个监控摄像机进行防雷改造。


1.1 密云水库视频监控系统的组成

密云水库视频监控系统主要站点有19个(共21个摄像监控点)组成:小西库挡水闸、北白岩副坝、白河主坝右岸、白河主坝左岸、走马庄副坝、西石骆驼、南石骆驼副坝、九松山副坝(有2个摄像监控点)、第九水厂引水隧洞、白河电站、潮河主坝左岸、潮河主坝右岸、第一溢洪道、第二溢洪道、第三溢洪道、潮河输水洞出口(有2个摄像监控点)、九松山防火塔、

监控摄像机一般安装在较高处,如坝顶、山坡上,安装在8m高的镀锌钢管组成的金属杆上,每根杆上焊接一根1m的接闪杆,杆下部距地面1m处安装专用金属箱,箱内安装解码器(电源线、视频线、控制线、电源整流器)。上端电源线、视频线、控制线从钢管内送到监控摄像机上,下端通过埋地金属管输送到监控站房内。

监控站房内设有光端机柜、稳压器、UPS。交流电从室外埋地进入室内,输送到稳压器输入端,再通过稳压器输到UPS的输入端,UPS输出端分二路:一路供室外监控摄像机、一路供光端机用电。从监控摄像机与室内光端机连接由视频线和控制线。

光端机输出端通过光缆传输到管理处监控中心。

监控摄像头用电均从室内UPS供电(220V),供到摄像杆;视频线和控制线从室内光端机连接监控摄像机底座,摄像机的解码器在摄像头的底座,所有的摄像头均为BNC接口;所有摄像头的控制线均小于6V。

2 雷电防护设计思路

2.1 设计依据

1. GB50057-2010   《建筑物防雷设计规范》

2. GB50343-2012     《建筑物电子信息系统防雷技术规范》

3. GB50303-2011     《建筑电气工程施工质量验收规范》

4. 05D10         05系列建筑标准设计图集-防雷接地工程与等电位联结》

5. GB 16895.22-2004  《建筑物电气装置 第534节:过电压保护器》

6. GB18802.21-2004/IEC 61643-21:2004,《低压电涌保护器 第21部分:电信和信号网络的电涌保护器(SPD)性能要求和试验方法》

7. GB50601-2010   《建筑物防雷工程施工与质量验收规范》

9. GB/T21431-2015  《建筑物防雷装置检测技术规范》

10. 现场勘察情况及建设方介绍

2.2 确定防雷类别

根据甲方介绍,安装视频监控系统以来,每个站点每年均能遭受一次以上雷击。根据甲方的要求,由于设备使用的重要性和经常遭受雷击,将被保护建筑物按照GB50057-2010 《建筑物防雷设计规范》的第二类防雷建筑设计

2.3 设计原则

安全可靠性:由于建筑物内人员的安全性和无线电检测设备的重要性,如果雷击对其造成损害,则由此所造成的影响和损失将会很大。依据国际、国内标准,根据采取全面系统地防雷措施,通过我们积累的设计经验,对本次工程进行安全化设计和评审,以确保系统的安全可靠。

技术先进性:在现有条件下,尽量采用当今国际、国内最先进和成熟的技术和产品,对建筑物、信息系统和检测设备等起到最好的保护,能够最大限度地适应今后技术和业务发展的需要 。

经济合理性:根据设计要求和现场实际情况,在确保安全可靠的前提下,对产品材料进行优化组合,力求最优性价比,并不一味追求产品单项指标和档次。

特殊化原则:由于本工程地处山区,邻近水边,且处于落雷区,经常遭受雷击,因此,本工程的设计在遵循标准规范要求的同时,某些产品的参数要高于标准、规范的要求,以期达到更好的保护效果。

3 防雷设计

3.1 接闪器

3.3.1改善直击雷防护效果

3.3.1.1改装摄像机塔杆上的接闪杆:包括19个监控站的21台摄像机杆。

室外监控摄像机的直击雷防护,安装一根接闪杆,接闪杆距离摄像杆1m,接闪杆、摄像杆与摄像头成三点一线,摄像头距离摄像杆0.3m。

接闪杆保护半径计算:

rx

r0

其中:

rx ── 接闪杆在hx高度的xx平面的保护半径(m);

hr ── 滚球半径,按照GB50057-94/2000版第5.2.1条确定;

hx── 被保护建筑物的高度;

r0 ── 接闪杆在地面上的保护半径

rx

1.3=

1.3= -26.04

h=9.26(m)

9.26-8.3=0.96(m)

经过计算,摄像机塔杆安装接闪杆反方向探出1m,摄像机与接闪杆水平距离为1.3m,摄像机高度为0.3m,接闪杆的应高出摄像机0.96m以上(滚球半径为45m)。

具体措施:

A.拆除现有接闪杆;

B.采用热镀锌材料重新制作接闪杆,规格为Φ19mm×1500mm;

C.采用胶木棍制作探出支架。

3.3.1.2监控站房的直击雷防护

根据监控站房屋顶材料和所处位置,分三种情况:

屋面为金属彩钢板的,屋面为混凝土结构的,防火塔接闪杆安装在屋顶的。

(1)屋面为金属彩钢板的,据了解彩钢板厚度大于0.5mm,可做为接闪器使用,在两个屋角安装引下线。

(2)屋面为混凝土结构的,这种站必须在屋顶做接闪带,具体做法:围绕站房屋顶四周安装接闪带,接闪带采用Φ10热镀锌圆钢,接闪带采用接闪卡支撑,接闪带高度15cm,均采用热镀锌材质。

(3)防火塔建筑物安装接闪带,具体做法:接闪带采用Φ10热镀锌圆钢,接闪带采用接闪卡支撑,接闪卡高度15cm,均采用热镀锌材质,接闪带的敷设沿着屋檐和屋角;

        

3.2 引下线

(1)屋面为金属彩钢板对角安装两根引下线,引下线采用50mm2BVR铜接地线,与彩钢板压接方式并进行锡焊和防腐处理。

 

(2)屋面为混凝土结构对角安装2根引下线,具体做法:引下线采用Φ12热镀锌圆钢,引下线固定采用接闪卡支撑,接闪卡高度15cm,均采用热镀锌材质。

(3)防火塔建筑物对称四角安装4根引下线,具体做法:引下线采用Φ12热镀锌圆钢,引下线固定采用接闪卡支撑,接闪卡高度15cm,均采用热镀锌材质;

 

(4)摄像杆上的接闪杆引下线采用50mm2BVR铜接地线,接地线穿金属屏蔽管,并与接地装置进行焊接,屏蔽管采用支架固定在摄像杆上。

引下线为连接接闪器与接地装置的金属导体,作用为分流且把闪电电流传导至接地极泄放到大地。建筑物的引下线地面上1.7m至地面下0.3m的一段引下线采用改性塑料管或橡胶管等保护措施。

 

3.3加强屏蔽、等电位连接措施

     3.3.1屏蔽措施:

(1)摄像头线缆进入摄像杆穿金属软管,金属软管两端与摄像杆之间采用6mm2BVR铜接地线压接处理。

(2)监控摄像机到监控站房传输线的屏蔽金属管应两端接地,监控摄像机一端接到金属杆上,监控站房一端接在站房的接地装置上,金属管每隔15m安装1根接地极。这种方法不但加强了屏蔽效果,同时也实现了两者共地。

(3)监控站内的信号线和电源线均穿屏蔽槽,屏蔽槽与等电位连接镀锡铜排不少于2点连接。

3.3.2机房等电位连接措施:

(1)监控站房内均压等电位连接:包括19个监控站房。

由于机房面积过小,所以整体机房的等电位设计均采用等电位连接带,即在机房内侧墙高度150~200mm位置采用30×3mm2镀锡紫铜带环绕一周,每隔500mm打一个Φ8孔,固定在墙上。因为设备均靠在墙体,使用16mm2BVR铜接地线将所有设备外壳连接到等电位连接带镀锡紫铜,使用不等长双线对角连接,并将站房金属门、窗,金属屏蔽槽、外来线缆的金属屏蔽层均连接到等电位连接带上。等电位连接带与接地装置直接连接,具体方式如下图所示:

3.3 接地装置

(1)接地系统是防雷工程中最重要的环节,在实际测量中,19个监控点只有小西库挡水闸(2.01Ω)和北白岩副坝(3.36Ω),南石骆驮(1.3Ω)的接地电阻符合信息系统接地电阻值的要求。接地电阻没有达到4Ω的站房,增加人工接地装置。

金属彩钢板和混凝土结构机房接地方法

防火塔机房接地方法

(2)监控摄像机接地系统:因监控摄像头均架设在山上或大坝等,土石混杂,石块较多,地理环境负责,土壤电阻率较高的地方,安装接地电阻要求小于10Ω,摄像杆增加人工接地装置。

摄像杆接地方法

根据以上要求,需要增加人工接地装置站房和摄像头,安装接地电阻4Ω10Ω进行设计,接地电阻的计算如下:

(3)4Ω接地体设计。因站房均设在大坝下方或山体下面,土壤电阻比较好,土壤电阻率按照300 Ω•m进行设计,本工程接地方式,水平接地体采用4 mm×40mm热镀锌扁钢,垂直接地体采用长2m,50mm×50mm×5mm热镀锌角钢。

垂直接地体的接地电阻值按下式计算:

ρ:土壤电阻率300 Ω•m

l :接地体长度2 m

d :接地体的等效直径  cm

η----利用系数(0.75)。

      (

R1 =125.32Ω

n取24根

R1=Rn /η×n

Rn=4.67Ω

    (

ρ:土壤电阻率 300Ω•m

l :水平接地体的长度 96m

h : 水平接地体的埋深 0.8m

d :接地体的等效直径0.4 m

A : 水平接地体的形状系数

6.29Ω

=3.57

经计算得出:接地网的接地电阻3.57Ω,满足4Ω的要求。

 

(4)10Ω接地电阻设计:因监控摄像头均架设在山上或大坝等,土石混杂,石块较多,地理环境负责,土壤电阻率按照800 Ω•m进行设计;本工程接地方式,水平接地体采用4 mm×40mm热镀锌扁钢,垂直接地体采用长2m,50mm×50mm热镀锌角钢。

接地电阻的计算如下:

垂直接地体的接地电阻值按下式计算:

ρ:土壤电阻率800 Ω•m

l :接地体长度2 m

d :接地体的等效直径  cm

η----利用系数(0.75)。

      (

R1 =334.2Ω

n取24根

R1=Rn /η×n

Rn=10.44Ω

    (

ρ:土壤电阻率 800Ω•m

l :水平接地体的长度 96m

h : 水平接地体的埋深 0.8m

d :接地体的等效直径0.4 m

A : 水平接地体的形状系数

=16.78Ω

=8.58

经计算得出:接地网的接地电阻8.58Ω,满足10Ω的要求。

3.4 综合布线:

尽量将电源线路和信号线路分开敷设,且应相隔一定的距离。

3.5 电源防雷器

本次设计的站房供电,均为变压器低压端埋地约20m进入站房,供电方式均为TN-C方式,根据现场的实际情况(监控站房所处的四周环境恶劣,且站点空间小),所以本次电源SPD考虑使用组合型的方式,既使SPD的通流能力能满足要求,也使SPD保护水平(Up)足够低。

进入站房的总配电箱安装第一、二级组合型SPD:目的在于将雷击产生的大电流瞬间泄放入地,并限制瞬间过电压,根据IEC 60364-5-534的要求:Iimp(10/350μs)不应小于12.5 kA,Up不高于2.5kV。本方案在市电进口处选用电源SPD通流能力每相对地Iimp(10/350μs)25kA,可将瞬间过电压限制在1.5kV以下。

UPS的输出端安装第三级电源SPD泄放后,线路上仍然存在的过电压进一步限制,根据GB 50057-94(2000版)的要求:In(8/20μs)大于5kA,本方案在UPS出线处选用电源SPD,产品的通流能力每相对地Imax(8/20μs)20kA,可将瞬间过电压限制在1.2kV以下的SPD;输出共有两路,一路是给予摄像头供电,一路给予室内设备供电。

供电系统SPD安装图

3.3.8信息系统防雷保护

在室外紧靠摄像机(或壳内)的输出端安装视频、电源组合SPD,选用摄像机专用组合式(视频和电源保护)三合一SPD。其中视频SPD,BNC接口,标称电流5kA(8/20μs),电压限制在15V以下;控制视频SPD,接线柱方式,标称电流5kA(8/20μs),电压限制在15V以下;电源SPD,通流能力每相对地Imax(8/20μs)20kA,可将瞬间过电压限制在1.2kV以下。

(2)在机房光端机的视频线输入端安装视频SPD,标称电流5kA(8/20μs),电压限制在15V以下;在光端机的控制线输入端安装6V控制SPD,标称电流5kA(8/20μs),电压限制在15V以下。

信号SPD安装图

4效果

     自2006年以后,密云水库自动化视频监控系统在工程,经过每年的维护,没有遭受雷击损坏现象,保证了整套系统的正常运行,解决了多年遭受雷击损失的困扰。

5结束语

     我国雷电防护尚处于发展阶段,对于气候的变化和社会的需求,提高对防雷技术发展迫在眉睫。做好雷电风险评估工作的大力开展能够促进防雷技术服务机构、公司与服务对象之间建立和谐的关系,从而拓展服务空间,提高防雷技术服务机构、公司的整体形象和服务能力的知名度。

 

参考文献

[1] GB50057-2010,建筑物防雷设计规范

[2] GB50343-2012,建筑物电子信息系统防雷技术规范

[3] GB50174-2008      《电子计算机机房设计规范》

[4] IEC60364-5-534  《建筑物的电气设施规范》

[5] GB50601-2010   《建筑物防雷工程施工与质量验收规范》

[6] GB/T21431-2015  《建筑物防雷装置检测技术规范》

[7] GB16895.22-2004 《建筑物电气装置 第5-53部分:电气设备的选择和安装,第534节:过电压保护电器》

[8] 05D10 《05系列建筑标准设计图集-防雷接地工程与等电位联结》

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