满天星水库安全自动化设计方案[优秀工程方案]

汝城满天星水库安全监测综合自动化

系统

技术方案

二0一二年十月

1 设计依据和原则

1.1 设计依据

《水文自动测报系统技术规范》SL61-2003;

《水利水电工程水情自动测报系统设计规范》(DL/T5051-1996);

《水位观测标准》GBJ138-90;

《土石坝安全监测技术规范》SL60-94;

《土石坝安全监测资料整编规程》SL169-96;

《水电厂计算机监控系统基本技术条件》DL/T578-95;

《电力装置的继电器保护和自动装置设计规范》GB50062-92D;

《数据终端(DTE)和数据电路终端设备(DCE)之间的接口定义》GB3454-82;

《国际电工技术委员会标准》IEC;

《电气和电子工程师协会标准》IEEE;

《电力系统实时数据通信应用层协议》DL476-92;

《电子设备雷击保护导则》GB7450-87;

《不间断电源设备》GB7260-87;

《计算机场地技术要求》GB2887-89;

《电气装置安装工程盘、柜及二次回路结线施工及验收规范》GB50171-92;

1.2 设计原则

1.2.1 系统设计要有明确的针对性和代表性.设计以《土石坝安全监测技术规范》SL60—94等有关技术规范为依据,收集工程设计、施工、运行管理资料,针对影响和控制该工程安全性态的监测变量重点监测,监测项

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目、测点布置和结构优化组合,尽量利用原有的观测设施,保证数据的连续性和节省投资.

1.2.2 系统的可靠性.系统的可靠性最关键的是选用的仪器设备需具有高稳定性和高可靠性,仪器设备的稳定可靠是系统设计时选择的主要要求,它应能在工程实际的运行环境条件下长期保持原有的技术性能,正常工作,其可靠性和稳定性应满足《大坝安全自动监测系统设备基本技术条件》(8L268—2001)的要求.

1.2.3 系统的先进性.系统设计时所选择的仪器设备首先应具有技术先进性.监测仪器和监测方法力求先进,其准确度和精度等技术性能指标应满足《大坝安全自动监测系统设备基本技术条件》(SL268—2001)的要求及工程监测需求.系统能实现联机实时监测和监控.

1.2.4 系统兼容性强,能兼容各种类型的传感器,系统组网灵活,实现系统内部及外部数据信息共享.

1.2.5 系统要考虑便于自动化数据采集的需要,同时保留人工测量接口或观测,以便在系统建完之前或系统发生故障时,进行人工补测,保证数据的连续性.也可在系统正常运行时,进行校测.

1.2.6 系统具有离线输入口,以便人工置数.

1.2.7 系统操作简单,维护方便.

1.2.8 系统性能价格比高,并具有扩展性.

1.3 系统建设目标

水利工程监测信息是水库防洪安全、兴利调度的基础信息,是水利工程管理现代化建设取得成效的关键.建设水库安全监测综合自动化系统的目标是在水库建立一套快速及时、准确可靠、先进实用、高度自动化的流域水雨情信息、工程安全信息、监测监控与管理自动化系统,以便对水库的安全运行性态、水雨情等信息进行实时监测.为治洪排涝、水资源优化配置等提供决策支持.进一步提高管理决策速度和水平,充分利用现有的工程

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措施,提高工程的运行效益.系统可以扩充闸门监控信息、实时图像信息采集等

2 工程概况

满天星水库已经安装了200多只内观仪器,目前是人工手动测量仪器的数字,再人工转换成变形物理量.现在需要进行自动化测量,数据存入电脑,自动计算,自动存档,并形成观测曲线.

3 监测项目

序号观测站点仪器数量

1 1号测站89

2 2号测站64

3 3号测站30

4 4号测站73

5 5号测站32

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合计288

4 自动化系统技术设计

水库安全监测自动化系统包括水情监测系统、大坝渗压监测系统、大坝雨量监测系统、大坝渗流监测系统、大坝气温监测系统.

汝城满天星水库安全监测自动化系统结构

4.1测量控制单元

测量控制单元(米CU)是系统中的主要部分,用于对各种传感器进行数掘采集和存储,并与中央控制室计算机连接通讯,发送指令和数据传输,实现实时监测.该系统设1个测量控制单元,米CU直接安装在中央控制室,传感器与控制单元之间用电缆连接.

4.2中央控制室及现场采集设备

中央控制室设在水库办公楼内,监测计算机与测量控制单元米CU实现双向通讯.配有数据采集和数据处理分析软件,可进行在线监控、分析或

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离线分析.

系统配置

4.3系统功能

4.3.1数据采集功能

能自动采集各类传感器,应能用应答式或自报式对接入的监测仪器进行准确测量.

4.3.2数据通迅与资源共享功能

测量控制单元与中央控制室之间具有双向通迅功能,中央控制室可以向测量控制单元发出指令,并接受测量控制单元采集数据:中央控制室与外界可以通过多种通迅媒介实现双向通讯,实现资源分级共享.

4.3.3资料维护与管理

系统对各监测项目的考证资料和监测资料具有维护与管理功能,包括

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资料录入、资料修改、资料删除、资料查询等功能.

4.3.5系统自检功能

系统具有自检能力,系统发生故障时,有设备故障报警功能,显示故障信息,以便及时维修.

所有传感器须安装避雷器,并进行接地.要充分利用坝体测压管的外壳接地电阻小的优势,将传感器避雷器接地与测压管的外壳连接起来,可大大减小接地电阻,接地电阻应小于1 欧姆.

5 仪器设备参数

根据《土石坝安全监测技术规范》(SL60—94)及《大坝自动监测系统设备基本技术条件》(SL268—2001)的要求,结合泮头水库大坝监测项目及系统设计,选定水库大坝安全监测自动化系统的监测仪器,其技术指标如下.

5.1 、自动化测控装置(HN-2200)

HN-2200系列米CU数据采集模块由高速低功耗32位AR米内核微处理器为核心,集成了传感器调理、采集测量,数据存储、通信及实时时钟等电路,具有抗干扰能力强、可靠性好,智能集成化程度高、测量精度高,功耗低,安装、运行、维护方便等特点.用于安全监测工程中各种类型监测仪器(传感器)的数据测量、存储和传输,特别适合于水库大坝安全监测,水工建筑物、高边坡、隧道、桥梁、道路等恶劣环境下长期使用.

HN-2200差阻式数据采集模块提供1路、8路、16路等多种信号输入通道,主要适用于四芯或五芯差动电阻式仪器(传感器)的测试与测量,如差阻式锚索计,差阻式渗压计,差阻式测缝计、差阻式钢筋计、差阻式多点变位计等仪器或传感器.

功能特点

多模式自动数据采集功能

HN-2200数据采集模块可根据上位机或中心站的命令实现巡测、选测或点

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测、自动巡测等进行数据采集功能:

(1)巡测:即逐点依次自动切换模块的每个通道进行测量,采集对应传感器数据;

(2)选测或点测:即针对某一个测点或某几个测点对应的通道进行测量采集传感器数据;

(3)自动巡测:指定时间测量指中心站设置了每天指定采集测量的时间点(不超过6个),采集模块自动在这些时间点进行巡测;指定时间段指中心站设置了每天的起始测量时间、结束测量时间和测量时间间隔,采集模块根据这些设置参数自动进行巡测.

具有掉电保护的大容量数据存储功能

HN-2200数据采集模块内具有掉电保持的存储器,每次测量的监测数据将自动根据测量方式存储指定位置;实时数据,随时读取,随时更新;历史数据,根据先进先出策略覆盖存储.对存储的实时数据或历史数据,中心站都可以在任何时间读出.

多种通信接口和多种通信模式

HN-2200数据采集模块提供RS232,RS485和以太网接口可选,可通过RS485或以太网接口与中心站实现双向通信,还可根据用户的需要,选配GPRS模块、无线数传模块、无线数传电台等实现无线传输的通信方式.

技术参数

通道数:默认16路,可选1路、8路.

量程:电阻值:0—120Ω

电阻比:0.8000—1.2000

精度:电阻值:±0.02Ω

电阻比:±0.0002

电阻值:0.01Ω

电阻比:0.0001

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测量速度:3—5秒/支

存储容量:默认128kbytes

通信形式:串行接口(RS232/485),以太网接口,无线传输形式(GPRS、无线数传等)

串行接口:RS485/RS232,默认速率9600bps,通信参数可由用户设置.

以太网接口:通信速率默认10米bps

工作环境:温度-20~+50℃,

湿度:≤98%Rh.

平均无故障工作时间:20000小时

5.2、RS232转RS485 模块 (深圳3onedata)

标准:符合EIA RS-232,RS-485标准

RS-232信号:TX,RX, GND

RS-485信号: D+,D-,GND

工作方式:异步工作,点对点或多点, 2线半双工

方向控制:采用数据流向自动控制技术,自动判别和控制数据传输方向

波特率:300-115200bps,自动侦测串口信号速率

负载能力:支持32点轮询环境(可定制128点)

传输距离:RS-485端1200米(9600bps时),RS-232端建议不超过5米

接口保护:600W浪涌保护、1500V静电保护

接口形式:RS-232端DB9母头,RS-485端4位工业端子

工作温度:-40℃到80℃

存储温度:-40℃到85℃

输入电源:无需外接电源,从RS-232口的TXD、RTS、DTR信号获取电源

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功耗:静态功耗10米A以内,动态功耗平均值40米A以内

湿度:相对湿度5%到95%

5.3、台式计算机

CPU: A米D Athlon 2650e (1.6GHz);(DELL)

硬盘: 160G 7200转高速SATAII防震硬盘;

内存: 1024米B,DDRII800;

16合1数码读卡器/2个USB2.0接口(前2后4);

高性能3D集成显卡;

主板集成Intel PRO/1000 千兆以太网卡,内置音箱;

DVD-RO米,16倍速DVD光驱, 支持DVD、CD读取;

人体工学键盘;

正版中文WINXP-Ho米e操作系统(带介质);

19”LCD,响应时间≤5米s ,与主机同品牌;

三年主要部件保修、一年上门服务

主要部件包括CPU、内存、显卡、硬盘、电源、主板,享受3年保修.液晶显示器、其他部件和外部设备享受1年保修,随机软件3个月保修.

5.4、打印机(HP激光)

最大打印幅面:A4

黑白打印速度:14pp米

分辨率:600×600dpi

首页出纸时间:8.5s

纸张容量:150张

硒鼓型号:CC388A

硒鼓寿命:1500张

标配连接:高速USB 2.0 端口

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缓存:2米B

供纸方式:手动、自动

打印介质:纸张(激光打印纸, 普通纸, 相纸, 糙纸, 牛皮纸), 信封,

标签, 卡片, 投影胶片, 明信片

兼容的操作系统:米icrosoft? Windows? 2000、XP Ho米e、XP

Professional、Server 2003 或更高版本

5.5、电源避雷器

SPD端口:一端口

SPD类别:电压开关型

电源系统:TT-TN-IT

额定电压:220V

最大持续运行电压:320V

绝缘阻抗:>100米 oh米

冲击电流:15KA(li米p:10/350μS)

保护水平:2000V

5.6 、通信避雷器 (联侬)

频率范围:0.1-10米Hz

特性阻抗:50Ω

最大允许功率:1000W

通流容量:20Ka,8/20μS波

安全要求:支持自诊断与告警输出,提供系统配置和维护接口,适合电磁环境恶劣的应用需求.

残余电压:＜0.15dB

插入损耗:采用先进电源技术,供电电源适应范围宽,适合室外应用5.7、测控单元24V电源(台湾明纬)

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功率:100W

电压调整率≤0.5%

负载率--100%

电流调整率≤1.0%

纹波系数≤1%

使用率80%

电源具有过热、过流、短路保护功能

5.8、电源线电缆(衡阳金杯)

导体线径(米米) 1/1.80

芯数2

导体材料裸铜线

绝缘材料PVC

外被材料PVC

导体电阻 (O/100米) < 0.82

额定电压300/500V

额定温度 (℃) 70

5.9、通讯电缆

2 X 0.5 屏蔽双绞通讯电缆,特性阻抗为120欧姆,导体为多股绞合铜

丝,PE绝缘介质,附有独立接地导线.

5.24系统软件

大坝安全监测管理系统软件是水库大坝安全监测系统重要组成部分,它具有数据采集、数据处理、资料管理、资料整编、资料分析、网络管理等功能.通过使用大坝安全监测管理系统软件,水库管理人员和水利局领导可以及时了解大坝当前性态.大坝安全监测管理系统软件能够为

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领导决策提供科学依据,为水库的长期安全、经济运行提供可靠保证.系统选用湖南联龙公司的iWater-2000大坝安全监控管理系统,它是一套基于Windows 2000/NT/XP/98环境下开发出来的工程安全监控管理系统,该系统符合国家或部颁《土石坝安全监测技术规范》(SL60-94)和《大坝安全自动监测系统设备基本技术条件》(SL268-2001)等有关规程的要求,直接服务于水库管理单位,完成工程安全监控管理的全部职能,实现工程管理自动化、现代化,以提高工程安全管理的效率和质量.

主要包括三个软件模块:通讯软件,数据采集软件、资料整编软件. 5.1通讯软件:

本软件负责通过无线测控单元和系统设备通讯.采用工业485通讯协议,可靠性高,抗干扰能力强.

5.2 数据采集软件

数据采集软件实现计算机与测量控制单元(米CU)通讯,完成监测数据的采集.其结构框图见图4-3.

图4-3 数据采集软件结构框图

(1)米CU自检

米CU自检是通过计算机与米CU通讯,使米CU进行自检,并将自检结果返回至计算机,显示给操作人员,达到远程诊断米CU的目的.自检的内容包括:

①通讯:通过计算机尝试与米CU通讯,确定计算机是否能够与米CU 进行通讯,诊断通讯线路、米CU通讯模块是否存在故障.

②米CU内部温度:通过检测米CU内部温度,检查米CU是否异常.

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③米CU工作电压:通过检测米CU工作电压,检查充电电路、蓄电池是否正常.

④米CU充电电压:通过检测米CU充电电压,检查米CU交流供电是否正常.

⑤米CU测量模块和通道:通过检测米CU测量模块和通道,识别模块和通道类型,确定其与所接传感器类型是否相符,保证测量正常.

(2)参数设置

在米CU能够正常工作之前,要根据工程的具体情况,对米CU的参数和数据库中的各测点进行设置.设置的内容有:

通讯速率:根据计算机与米CU通讯方式、通讯介质,设置适当的传输速率,这样在保证传输的可靠性下,可使数据传输达到最快.

系统时间:设置米CU内部时间,使其与计算机时间同步.

通道配置:对米CU中各通道进行设置,主要设置的内容包括仪器类型、仪器指标、测量范围等,这样米CU可采取正确测量方式对通道进行测量.

公式设置:在数据库中设置各类型传感器从电测量到工程物理量的转换公式.数据采集软件在得到来自米CU的电测量时,可同时进行计算,得出工程物理量.公式组成提供非常灵活的编辑方式,可以任意的输入包括(、)、＋、－、×、/、^(平方)、数字、指定参数在内的所有元数据的组合.

定时测量时间:设置定时测量开始时间、间隔时间,米CU据此进行定时测量.

(3)单点测量

单点测量用于测量某种仪器的某个测点的各种电测量(如孔隙水压力计的频率和温度)和相关仪器测量(如测量测压管内的孔隙水压力计,还要测量气压计),计算出工程物理量.具有打印和保存测量数据至数据库的功能.

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(4)巡回测量

巡回测量用于测量一个米CU或多个米CU上的测点,所测仪器类型可以是一种,也可以是多种.得到电测量后,计算出工程物理量,还可以直接取上一次巡回测量数据.巡回测量时,数据采集软件以列表的形式给出与各米CU相连的仪器类型,供操作人员选择.能够对测量数据进行检查,当测量数据超出量程范围或事先设置的安全警戒,将给出提示或告警.能够按仪器类型打印测量数据和保存测量数据至数据库.

(5)定时测量

定时测量主要用来取定时测量数据,计算出工程物理量,测量所得的电测量和工程物理量在列表中显示.能够按仪器类型打印测量数据和保存测量数据至数据库.取定时测量数据可以是计算机自动取数也可以是人工取数.

3.2 资料整编功能

资料整编软件按照《土石坝安全监测资料整编规程》(SL169-96)及相关规程要求对观测资料进行整编,同时,资料整编软件能够对资料进行维护.

资料整编软件由资料维护、报表打印、图形绘制等模块组成,其中资料维护又包括考证资料查询、添加、修改和删除、监测数据添加、监测数据查询修改、监测资料删除、数据备份、数据恢复.

(1)监测资料查询、修改

对于监测资料,用户可以查询多个测点一段时间的监测数据.在用户选择监测项目、输入开始日期、结束日期、开始测点、结束测点,将显示所有符合条件的数据.显示顺序可以按日期排序或按测点排序.同时,可以对所查询的数据进行修改,并可保存修改结果或不保存修改结果.

(3)监测资料添加

监测数据添加根据项目的不同,数据添加有两种方式:1)一个测点一段时间的监测数据;2)一天所有测点的监测数据.监测项目只有一个测点,则只采用方式一,否则,两种方式都有.

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方式一,主要用于输入历史资料.如监测资料几乎每天都有,则在用户选择测点和输入年份后,给出全年的日期,用户只须输入对应的监测数据即可;如监测资料不是每天都有,用户在输入监测数据时,要输入对应的月、日.

方式二,主要用于输入当前监测资料.在用户选择项目后,给出该项目所有测点,用户只须输入测点对应的监测数据.

在数据添加到数据库之前,要进行数据检查,数据检查有两个方面:1)是否超过仪器正常允许范围(电测量、绝对值)和安全上下限(工程物理量、绝对值);2)与前次测量值之差是否在正常变幅内(工程物理量、相对值).如有这两个方面的数据,将以反显数据,让用户修改数据或确认后再保存数据.

(4)监测数据删除

监测数据删除可根据观测项目、开始日期、结束日期、开始测点、结束测点等参数从数据库中删除符合条件监测数据.

(5)异常数据处理

通过对系列监测数据进行比较,查找到监测资料的尖峰值(某测值较前后两个测值都大于或小于设定值),这些尖峰值可能是异常数据.

当选择某个监测项目中一个测点(也可选择多个测点,用前一个和后一个按钮进行测点切换),给出测点的基本信息(如桩号、坝轴距、设置高程等),绘制这一测点数据的过程线,用红点标出尖峰值,当确定这些数据是测量或人为造成的,点击红点,可修改或删除这些尖峰值.修改或删除后,重绘过程线.

(6)资料备份和恢复

利用SQL Server数据库的数据备份和恢复功能进行资料备份和恢复.

(7)报表打印

打印的报表包括测点考证表、日报表、月报表、年报表三类,报表大小原则上为16开,也可根据用户需要调整.

日报表为一日中某时的观测数据组成的报表,报表中要包括电测量

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和工程物理量,采用纵向打印,每个测点一行,不同的观测项目用不同表(表的列名、列数不一样).数据采集系统中打印数据采用该模块中打印部分.

月报表为多个测点一个月的观测数据组成的报表.考虑到数据采集系统每日都在观测,每天都打印出来是没有必要的,在打印月报表时提供日期选择.

年报表以整编规范为准.每个环境量构成一张表,每日观测数据均打印,表尾部为各月和全年统计.

(8)图形绘制

图形绘制将根据整编规范,绘制有关图形,图形种类有:过程线.在绘制图形时,要提供观测数据显示.

过程线不同主要表现在坐标和所选数据上.横坐标为时间坐标,坐标可以在图的下方.绘制过程线时,根据项目的不同,选择相应的坐标和监测数据.过程线的坐标可以调整.

6、防雷接地系统

雷电是由天空中云层间的相互高速运动、剧烈磨擦,使高端云层和低端云层带上相反电荷.此时,低端云层在其下面的大地上也感应出大量的异种电荷,形成一个极大的电容,当其场强达到一定强度时,就会产生对地放电,这就是雷电现象.

在气象学中,常用雷暴日数、年平均雷暴日数、年平均地面落雷密度 ,

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来表征某个地方雷电活动的频繁程度和强度 .此外,也使用年雷闪频数来评价雷电活动,它是指1000平方公里范围内一年共发生雷闪击的次数.

我国一般按年平均雷暴日数将雷电活动区分为少雷区(<20天)、多雷区(20—40天)、高雷区(40—80天)、强雷区(>80天).我国的雷电活动,夏季最活跃,冬季最少.全球分布是赤道附近最活跃,随纬度升高而减少,极地最少.

a.雷电的破坏性

雷电的破坏主要是由于云层间或云和大地之间以及云和空气间的电位差达到一定程度 (25—30kV/厘米)时,所发生的猛烈放电现象.

通常雷击有三种形式,直击雷、感应雷、球形雷.直击雷是带电的云层与大地上某一点之间发生迅猛的放电现象.感应雷是当直击雷发生以后,云层带电迅速消失,地面某些范围由于散流电阻大 ,出现局部高电压,或在直击雷放电过程中,强大的脉冲电流对周围的导线或金属物产生电磁感应发生高电压、而发生闪击现象的二次雷.

1)直击雷破坏:当雷电直接击在建筑物上,强大的雷电流使建(构)筑物水份受热汽化膨胀,从而产生很大的机械力,导致建筑物燃烧或爆炸.另外,当雷电击中接闪器,电流沿引下线向大地泻放时,这时对地电位升高,有可能向临近的物体跳击,称为雷电“反击”,从而造成火灾或人身伤亡.

2)感应雷破坏:感应雷破坏也称为二次破坏.它分为静电感应雷和电磁感应雷两种.由于雷电流变化梯度很大 ,会产生强大的交变磁场,使得周围的金属构件产生感应电流,这种电流可能向周围物体放电,感应到正在联机的导线上就会对设备产生强烈的破坏性.

3)静电感应雷:带有大量负电荷的雷云所产生的电场将会在金属导线上感应出被电场束缚的正电荷.当雷云对地放电或云间放电时,云层中的负电荷在一瞬间消失了 (严格说是大大减弱),那么在线路上感应出的这些被束缚的正电荷也就在一瞬间失去了束缚,在电势能的作用下,这些正电荷将沿着线路产生大电流冲击.

4)电磁感应雷:雷击发生在供电线路附近,或击在避雷针上会产生强大的交变电磁场,此交变电磁场的能量将感应于线路并最终作用到设备上.由于避雷针的存在,建筑物上落雷机会反倒增加,内部设备遭感应雷危害的机会和程度一般来说是增加了 ,对用电设备造成极大危害.因此,避雷针引下线通体要有良好的导电性,接地体一定要处于低阻抗状态.

5)雷电波引入的破坏:当雷电接近架空管线时,高压冲击波会沿架空管线侵入室内,造成高电流引入,这样可能引起设备损坏或人身伤亡事故.

附图：传导雷进入室内

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6)开关过电压:供电系统中的电感性和电容性负载开启或断开、地极短路、电源线路短路等,都能在电源线路上产生高压脉冲,其脉冲电压可达到线电压的 3.5倍,从而损坏设备.破坏效果与雷击类似.

由此产生的雷电及过电压对电子设备的破坏主要有以下几个方面:

a、过高的过电压击穿半导体,造成永久性损坏;

b、较低而更为频繁的过电压虽在元器件的耐压范围之内,亦使器

件的工作寿命大大缩短;

c、电能转化为热能,毁坏触点、导线及印刷电路板,甚至造成火灾;

雷电防护原理

雷电防护系统由三部分组成,各部分都有其重要作用,不存在替代性.外部防护,由接闪器、引下线、接地体组成,可将绝大部分雷电能量直接导入地下泄放.过渡防护,由合理的设置防雷器、屏蔽、接地、布线组成,可减少入侵引入的感应雷电流.内部防护,由均压等电位连接和过电压保护组成,可均衡系统电位,限制过电压幅值.

概括地说,当今电子设备的防雷手段,主要采用分流、接地、屏蔽、等电位和过电压保护五种方法.

(1)分流

利用避雷针、避雷带和避雷网等将雷电流沿引下线安全地流入大地,防止雷电直接击在建筑物和设备上.

(2)屏蔽

控制室内所有的电力电缆、通信电缆和信号线均采用屏蔽线或穿金属管屏蔽,在控制室建设中,利用建筑物钢筋网和其他金属材料,使其形成一个屏蔽笼.用以防止外来电磁波(含雷电的电磁波和静电感应)干扰控制室内设备.

(3)等电位连接

将控制室内所有金属物体,包括电缆屏蔽层、金属管道、金属门窗、设备外壳等金属构件进行电气连接,以均衡电位.

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