寧波水文觀測(cè)設(shè)施的防雷現(xiàn)狀與對(duì)策

陳小健

(寧波市水文站,浙江 寧波 315016)

1 問(wèn)題的提出

1752年美國(guó)科學(xué)家富蘭克林成功引雷并發(fā)明避雷針至今,人類(lèi)對(duì)雷擊研究和探索取得了重大的突破。隨著社會(huì)的進(jìn)步,科學(xué)的發(fā)展,水文觀測(cè)已經(jīng)從人工測(cè)報(bào)過(guò)度到數(shù)字化、智能化,而水文測(cè)報(bào)設(shè)施的防雷問(wèn)題尤為突出。在造成經(jīng)濟(jì)損失的同時(shí),也給防汛防臺(tái)決策帶來(lái)重大的隱患。

2 水文觀測(cè)設(shè)施的防雷現(xiàn)狀

分析水文觀測(cè)設(shè)施的防雷現(xiàn)狀,主要存在以下的幾個(gè)問(wèn)題。

2.1 水文觀測(cè)設(shè)施的使用環(huán)境容易受到雷擊

水文觀測(cè)設(shè)施許多都是建在山頂或空曠地帶,如超短波中繼站建在相對(duì)較高的山頭上,水文纜道建立相對(duì)在空曠的河流上等。

2.2 水文觀測(cè)設(shè)施沒(méi)有強(qiáng)制的防雷規(guī)范

目前水文纜道的防雷設(shè)計(jì)執(zhí)行的是《建筑防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》(GBJ 57—83)。電力裝置過(guò)電壓保護(hù)設(shè)計(jì)執(zhí)行的是 《工業(yè)與民用電力裝置的過(guò)電壓保護(hù)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GBJ 64—83)。電力裝置接地設(shè)計(jì)應(yīng)執(zhí)行《工業(yè)與民用電力裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范》(GBJ 65—82)。而國(guó)家頒布的超短波 《水文自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)通信電路設(shè)計(jì)規(guī)定》(SL l99—97)文件中對(duì)其他問(wèn)題都有了相應(yīng)的規(guī)定,但沒(méi)有對(duì)防雷作出相應(yīng)的要求。

2.3 防雷意識(shí)不強(qiáng)

整體防雷意識(shí)不強(qiáng),目前很大一部分人認(rèn)為做不做防雷系統(tǒng)沒(méi)關(guān)系,做了也不一定有用,不做也能過(guò),最多壞了換套設(shè)備。這種思想直接導(dǎo)致了許多需要建設(shè)防雷系統(tǒng)的水文觀測(cè)設(shè)施,要么沒(méi)有做防雷系統(tǒng),要么防雷系統(tǒng)沒(méi)有按照相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)。隨意找個(gè)鐵器接上就算防雷,有的在天饋線上接1個(gè)浪涌保護(hù)器,但浪涌保護(hù)器沒(méi)有接地就算是防雷。

2.4 防雷設(shè)備建設(shè)不標(biāo)準(zhǔn),后期維護(hù)不到位

防雷接地工程只有經(jīng)過(guò)專(zhuān)業(yè)的設(shè)計(jì),按照設(shè)計(jì)的要求施工,才能達(dá)到理想的防雷水平。目前已有的水文觀測(cè)設(shè)施的防雷系統(tǒng),除衛(wèi)星傳輸系統(tǒng)等少數(shù)經(jīng)過(guò)專(zhuān)業(yè)部門(mén)的設(shè)計(jì)外,大多數(shù)沒(méi)有專(zhuān)業(yè)部門(mén)的設(shè)計(jì)。而施工中所使用的材料、施工的方法、地網(wǎng)建設(shè)的大小、接地組件的阻值以及建設(shè)后期的維護(hù)不到位都是防雷不理想的原因。

3 水文觀測(cè)設(shè)施的防雷對(duì)策

好的防雷對(duì)策就是在加強(qiáng)防雷意識(shí)的同時(shí)按照相關(guān)的規(guī)范設(shè)計(jì)建設(shè),下面先要了解雷擊的基本原理及防雷系統(tǒng)的建設(shè)。

3.1 雷擊的基本原理

雷擊就是當(dāng)某處積累的電荷密度很大,激發(fā)的電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到空氣游離狀態(tài)(空氣擊穿)的臨界值時(shí),雷云便開(kāi)始向下梯級(jí)式放電,接近地面物體達(dá)到一定的距離時(shí),地面物體在強(qiáng)電場(chǎng)作用下產(chǎn)生尖端放電,形成向雷云方向逐漸向上先導(dǎo)放電,二者匯合形成雷電通路,異種電荷劇烈中和形成很大的雷電流并發(fā)出強(qiáng)烈的閃電和雷擊。雷擊通?？煞譃?種形式:一種是直擊雷,另一種為感應(yīng)雷。通常設(shè)備被雷擊都是感應(yīng)雷引起的。

3.2 防雷接地系統(tǒng)

防雷接地不是單一的一項(xiàng)工程,而是一個(gè)整體的系統(tǒng)。包括避雷針、接地線、浪涌保護(hù)器(水文遙測(cè)中主要是超短波天線的同軸電纜浪涌保護(hù)器)、接地地網(wǎng)等。

3.2.1 避雷針

避雷針 (又稱為接閃器)的防雷作用主要是把閃電從保護(hù)物上方引向自己并安全地通過(guò)自己泄入大地,因此,避雷針的引雷性能和泄流性能是至關(guān)重要的。

3.2.1.1 避雷針的保護(hù)范圍

當(dāng)避雷針的高度h≤hr時(shí) ,距地面 hr處作1條平行于地面的平行線,以避雷針的針尖為圓心,hr為半徑畫(huà)弧,交水平線于A、B兩點(diǎn),又分別以A、B兩點(diǎn)為圓心,hr為半徑,從針尖向地面畫(huà)弧。如圖1所示,則圖中曲線就是避雷針保護(hù)范圍的邊界,保護(hù)范圍是1個(gè)對(duì)稱的錐體。hr的取值:一類(lèi)防雷建筑物為30m;二類(lèi)防雷建筑物為45m;三類(lèi)防雷建筑物為60m。

3.2.1.2 避雷針的制作與安裝

避雷針的所有金屬部件必須鍍鋅,主要是為了防止金屬部件的腐蝕,保證金屬部件的電器性。采用鍍鋅鋼管管制作針尖,管壁厚度不得小于3mm,針尖刷錫長(zhǎng)度不得小于70 mm。避雷針應(yīng)垂直安裝牢固。垂直度允許偏差為3/1 000。焊接時(shí)應(yīng)采用搭接焊,其搭接長(zhǎng)度是:扁鋼為其寬度的2倍(且至少3個(gè)棱邊焊接);圓鋼為其直徑的6倍;圓鋼與扁鋼連接時(shí),其長(zhǎng)度為圓鋼直徑的6倍。遙測(cè)系統(tǒng)天線一般都是架設(shè)在屋面上,屋面上的避雷針采用直徑不小于25mm鍍鋅鋼管。

圖1 避雷針的保護(hù)范圍示意圖

3.2.2 天饋線浪涌保護(hù)器

天饋線浪涌保護(hù)器主要用于各類(lèi)信號(hào)線路侵入設(shè)備的雷電 (過(guò)電壓)防護(hù),它的特點(diǎn)是通流容量大,采用多級(jí)保護(hù)內(nèi)置快速半導(dǎo)體保護(hù)器件,響應(yīng)速度快,殘壓低。插入損耗低,確保線路通暢。

3.2.3 地網(wǎng)接地系統(tǒng)

地網(wǎng)接地是防雷系統(tǒng)的核心部分,當(dāng)避雷針成功引雷后,所有電流要經(jīng)地網(wǎng)接地系統(tǒng)流入大地。如有幾個(gè)獨(dú)立的地網(wǎng),為防止雷擊時(shí)反擊到其它接地系統(tǒng),各獨(dú)立地網(wǎng)相互間距離應(yīng)大于15m。這樣做的目的是為了避免出現(xiàn)雷電流時(shí),經(jīng)防雷接地點(diǎn)流入大地后各接地系統(tǒng)地線之間相互干擾和反擊。

3.2.3.1 接地材料

接地材料以金屬為主,型式很多,要根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)情況選用適當(dāng)之型式。主要有:接地棒、銅管、銅包鋼、銅帶、銅板、單股銅線、熱鍍鋅角鋼、熱鍍鋅扁鋼等。

3.2.3.2 接地極接地電阻之計(jì)算公式

不同的材質(zhì)其接地電阻的計(jì)算方式不同,下面列舉不同類(lèi)型接地極接地電阻計(jì)算公式 [參見(jiàn) 《工業(yè)與民用電力裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范(GBJ 65—82)].,供設(shè)計(jì)人員作參考:

(1)單極式。以銅棒或銅管接地極單根打入或直埋,其公式為:

式中:R為單根接地棒或銅管之接地電阻值 (Ω);L為接地棒或銅管長(zhǎng)度 (cm);ρ為大地電阻率(Ω-cm);r為接地棒或銅管外圍半徑(cm)。接地棒可以是銅棒、銅包鋼棒或不銹鋼棒等,銅管則為適當(dāng)厚度銅管。

(2)多極直線并聯(lián)式。其公式為:

式中:R為多極直線接地棒或銅管接地電阻值 (Ω);L為接地棒或銅管長(zhǎng)度(cm);ρ為大地電阻率 (Ω-cm);n為接地棒或銅管數(shù)量;S為接地棒或銅管間隔(cm);r為接地棒或銅管外圍半徑(cm)。

(3)多極環(huán)狀并聯(lián)式。其公式為:

式中:R為多極環(huán)狀接地棒或銅管之接地電阻值(Ω);D為環(huán)狀圓半徑(cm);L為接地棒或銅管長(zhǎng)度(cm);ρ為大地電阻率(Ω-cm);n為接地棒或銅管數(shù)量;r為接地棒或銅管外圍半徑(cm)。

(4)裸銅線之接地電阻計(jì)算。其公式為:

式中:R為裸銅線接地電阻(Ω);ρ為大地電阻率(Ω-cm);L為埋入銅線長(zhǎng)度(cm);r為埋入銅線半徑(cm);d為銅線埋設(shè)深度(cm)。

(5)銅帶(紫銅,立埋)接地電阻計(jì)算。其公式為:

式中:R為銅帶接地電阻 (Ω);ρ為大地電阻率 (Ω-cm);L為銅帶埋設(shè)長(zhǎng)度(cm);r為銅帶等效半徑。

3.2.3.3 土壤的電阻系數(shù)

不同土壤的電阻系數(shù)區(qū)別很大。隨著季節(jié)的變化,土壤的電阻也在不斷變化。表1為土壤的電阻系數(shù)對(duì)照表。

表1 土壤的電阻系數(shù)對(duì)照表

3.2.3.4 接地電阻的測(cè)量方法

為了保證設(shè)備的良好接地,利用儀表對(duì)接地電阻進(jìn)行測(cè)量是必不可少的。接地電阻的測(cè)量方法有很多種,手搖式地阻表測(cè)量是一種測(cè)量精度較高,適用于單點(diǎn)接地和多點(diǎn)接地系統(tǒng)方法。需要注意的是測(cè)試時(shí),先將接地極與設(shè)備斷開(kāi),以避免設(shè)備自身接地體影響測(cè)量的準(zhǔn)確性。

3.2.3.5 降阻劑

防雷接地電阻值一般要求在10Ω以下。弱電接地電阻值要求在4Ω以下。在一些特殊的地區(qū) (如山區(qū),場(chǎng)地面積較小等)要達(dá)到要求,常常使用降阻劑來(lái)降低阻值,同時(shí)還能降低地網(wǎng)建設(shè)的面積。日前市面上的降阻劑多種多樣。有固體石墨、離子,液態(tài)等。使用時(shí)可以根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)的情況選用不同的降阻劑。

3.2.3.6 地網(wǎng)接地施工中的防腐蝕

在地網(wǎng)接材料的選用是,一般采用銅、熱鍍鋅材料。這些材料不但有良好的導(dǎo)電性,而且防腐蝕性相對(duì)較強(qiáng)。施工中最簡(jiǎn)單的防腐蝕措施就是對(duì)焊接部分清理干凈后加防銹漆,再采用混凝土包封焊接點(diǎn)的方法來(lái)加強(qiáng)對(duì)焊接頭的保護(hù)。

3.2.3.7 接地地網(wǎng)的連接線

接地地網(wǎng)的連接線要根據(jù)接地功能不同,選用不同的連接線。一般采用單股銅線作為連接線。最小不小于5mm。大型的防雷接地中常采用35～75mm2的單股銅線作為接地的連接線。

3.3 站房的防雷

站房的防雷應(yīng)根據(jù) 《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》 (GB 50057—94)來(lái)建設(shè)。新建站房可以將房子的內(nèi)部鋼筋全部連接,形成法拉第籠。不過(guò)這種方法不適用于GPRS站房。因?yàn)檫@樣的站房里手機(jī)信號(hào)將會(huì)很差。

4 結(jié) 語(yǔ)

隨著水文觀測(cè)設(shè)施的自動(dòng)化越來(lái)越高,種類(lèi)貴重設(shè)備越來(lái)越多,防雷越來(lái)越重要。要充分認(rèn)識(shí)防雷的重要性,根據(jù)當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況,不斷調(diào)查研究,總結(jié)經(jīng)驗(yàn),從現(xiàn)實(shí)出發(fā),設(shè)計(jì)出適合自身特點(diǎn)的防雷接地系統(tǒng),保證水文觀測(cè)設(shè)施的安全。