雷電環(huán)境下供水系統(tǒng)電子儀表的防護措施

文 | 深圳市鐵崗·石巖水庫管理處 曾育彬

雷電環(huán)境下供水系統(tǒng)電子儀表的防護措施

文 | 深圳市鐵崗·石巖水庫管理處 曾育彬

本文介紹了采用外部防雷、等電位連接、接地、線路浪涌攔截、線路屏蔽改造等雷電環(huán)境下供水系統(tǒng)電子儀表的防護措施，并給出了設(shè)計參數(shù)和經(jīng)驗做法。

雷擊環(huán)境；防雷措施

華南沿海一帶，四季多雨，每年雷電日平均超過100天。特別是在山區(qū)、丘陵地帶受雷電環(huán)境影響嚴重，供水系統(tǒng)的儀表經(jīng)常發(fā)生雷擊事故。為保障供水，儀表防雷就顯得十分重要。儀表屬計量電子設(shè)備，為保證計量準確有效和穩(wěn)定，需要有可靠的防雷保證，根據(jù)儀表本身特性，可通過采用外部防雷、等電位連接、接地、線路浪涌攔截、線路屏蔽改造等措施來提高儀表設(shè)備的雷電防護能力，并取得良好的防雷效果。

一. 雷擊的類別

雷電對儀表設(shè)備的影響，主要由以下四個方面造成：

①直擊雷；②傳導雷； ③感應(yīng)雷；④過電壓。其中三種雷擊為：

直擊雷：雷電直接擊中建筑物，雷電的不到50%的能量將會從引下線等外部避雷設(shè)施泄放到大地，接近40%的能量將通過建筑物的供電系統(tǒng)分流，還有5%左右的能量通過建筑物的通信網(wǎng)絡(luò)線纜分流，其余的雷擊能量通過建筑物的其他金屬管道、纜線分流。這里的能量比例會隨著建筑物內(nèi)的布線狀況和管線結(jié)構(gòu)而變化。直擊雷脈沖波形約為10/350us。

傳導雷（雷電波侵入）：在更大的范圍內(nèi)（幾公里甚至幾十公里），雷電擊中電力或信息通訊線路，然后沿著傳輸線路侵入設(shè)備，其中地電位反擊也是傳導雷中的一種。

雷電擊中附近建筑物或附近其他物體、地面，導致地電壓升高，并在周圍形成巨大的跨步電壓。雷電可能通過接地系統(tǒng)或建筑物間的線路入侵而使建筑物內(nèi)部設(shè)備形成地電位反擊。

感應(yīng)雷（雷電波感應(yīng)）：在周圍1000公尺左右范圍內(nèi)（有資料為 500公尺或 1500公尺，距離應(yīng)隨著雷擊大小和屏蔽措施而變化）。發(fā)生雷擊時，在上述有效范圍內(nèi)，在所有的導體上產(chǎn)生足夠強度的感應(yīng)浪涌。感應(yīng)雷可通過兩種不同的感應(yīng)方式侵入導體，一是靜電感應(yīng)，二是電磁感應(yīng)，研究表明：靜電感應(yīng)方式引起的浪涌數(shù)倍于電磁感應(yīng)引起的浪涌。

二. 防雷措施

防雷措施包括外部防雷和內(nèi)部防雷兩個方面措施：

外部防雷包括采用避雷針、引下線、接地極等措施。

內(nèi)部防雷是為保護建筑物內(nèi)部的設(shè)備以及人員的安全而設(shè)置的。主要采用等電位連接、接地、安裝SPD（防雷器）、屏蔽等措施。具體措施和經(jīng)驗做法如下：

1.安裝避雷針：

在獨立的儀表房最高處天面上安裝避雷針以保護建筑物。工藝要求：1）避雷針安裝應(yīng)充分考慮郊外臺風影響，針桿及基座應(yīng)澆注牢固；2）焊接部位連接長度應(yīng)符合規(guī)范要求；3）要求雙面焊接、焊縫飽滿，不虛焊；焊接完成后應(yīng)敲除清理焊渣，勿使焊渣滯留于混凝土中；4）焊接部位應(yīng)采取防腐措施。

儀表房獨立避雷針保護半徑RX的計算

RX= √ h(2hr— h) — √ hX(2hr—hx) =7.4m

通過避雷針泄放入大地時所產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢會對內(nèi)部所有的金屬線路產(chǎn)生破壞作用的感應(yīng)雷電流，正是由于電源、網(wǎng)絡(luò)、通訊等線路出現(xiàn)感應(yīng)雷電流，增加了儀表房內(nèi)部較為敏感的電子設(shè)備的破壞，因此安裝避雷針時還要做好完備的內(nèi)部防護感應(yīng)雷的措施。

2.引下線：采用40×4熱鍍鋅扁鋼沿儀表房兩側(cè)與地網(wǎng)相連作為避雷針的引下線、每根引下線外套絕緣套管，引下線的間距不大于18m，引下線與地網(wǎng)連接處安裝等電位連接器，引下線的沖擊接地電阻小于4Ω。工藝要求：1）引下線與人工地網(wǎng)連接時，如需要彎折，應(yīng)做成慢彎鈍角，禁止做成銳角；2）要求雙面焊接、焊縫飽滿，不虛焊；3）焊接部位應(yīng)采取防腐措施。

3.儀表房、傳感器等電位連接及接地：

防雷等電位連接是將分開的導電裝置各部分用等電位連接導體或電涌保護器（SPD）做等電位連接。防雷等電位區(qū)別于電氣安全的等電位連接，最主要是將不能直接連接的帶電體通過電涌保護器做等電位連接。

表房內(nèi)所有的設(shè)備地線（含原來的設(shè)備專用地線）均與等電位接地基準平面進行了電氣聯(lián)結(jié)，線路的金屬屏蔽管，金屬橋架、配電盤的外殼、進入室內(nèi)的水管、表房的金屬屏蔽層、金屬隔斷、金屬門窗以及金屬支架也均與等電位母排或接地基準平面進行了電氣聯(lián)結(jié)。

設(shè)環(huán)形接地匯集排（40*4 鍍鋅扁鋼），在表房內(nèi)沿墻環(huán)型敷設(shè)，環(huán)型母排與人工地網(wǎng)至少在兩處進行焊接連接，（通過銅鐵專用接頭）接地電阻應(yīng)小于4Ω。保證了整個表房成為一個等電位體。如將儀表房內(nèi)所有不帶電的金屬構(gòu)件設(shè)備外殼、金屬槽、防雷器接地線、金屬門窗等用Ф10mm2導線連接。電源PE線、信號接地線、與環(huán)形母排連接，連接應(yīng)符合、平、直、短的接地要求。

儀表傳感器等電位連接及接地：1)前端傳感器接地線、設(shè)備機殼、管道及不帶電金屬構(gòu)件均與接地排連接。各處接地電阻必須保持一致。接地線從機房地網(wǎng)處理地引入至傳感器地網(wǎng)處形成等電位接地體，2)焊接部位連接長度應(yīng)符合規(guī)范要求；3)要求雙面焊接、焊縫飽滿，不虛焊；，焊接完成后應(yīng)敲除清理焊渣，勿使焊渣滯留于混凝土中。4)焊接部位應(yīng)采取防腐措施。

現(xiàn)代防雷技術(shù)原則如同防洪，是將洪水疏導入海一樣，是為雷電流提供一條低阻抗的對地泄放途徑，同時要防止其泄放過程中對弱電設(shè)備的干擾。

接地裝置的接地電阻，須小于4Ω，測量并確認該阻值后，將專用接地端子雙面焊于地網(wǎng)主鋼筋上，

并用Ф35mm多股銅導線連接于流量計儀表房匯流排作為整個設(shè)備的接地裝置，匯流排采用T2 30×3紫銅帶制作。

4.防雷過電壓保護：

過電壓保護就是將一切從室外來的電源線、數(shù)據(jù)線、信號線與接地線之間并聯(lián)一種適當?shù)睦擞窟^電壓保護裝置SPD(避雷器)，使侵入系統(tǒng)的沖擊過電壓限制在設(shè)備耐受允許的水平。

按原郵電部的統(tǒng)計：約占80%的雷擊事故都是由電源侵入的感應(yīng)雷造成的，因此，對建筑物內(nèi)的系統(tǒng)設(shè)備進行感應(yīng)雷防護時，電源是重點。

弱電設(shè)備由于其運行電壓低（幾伏或十幾伏）、電流?。ê涟布墸?、頻率高，其防御電源線路的過電壓能力，大大低于電力設(shè)備和電力線路。一般都是根據(jù)截斷感應(yīng)源、重點保護的策略，使瞬間過電壓、過電流被抑制到動力設(shè)備、計算機、通信、儀表設(shè)備能夠承受的安全狀態(tài)。

三.IEC要求的防雷理念和措施

IEC（國際電工委員會）定義了防雷的保護分區(qū)，根據(jù)保護分區(qū)的要求，需要在每個分區(qū)的交界處安裝相對應(yīng)的防雷器，即第一級為B級防雷器，第二級為C級防雷器，第三級為D級防雷器。其工作原理為利用分級的防雷器層層泄放雷電感應(yīng)的能量，逐級減低浪涌電壓，從而保護終端設(shè)備。

1.第一級電源防雷器:

第一級防雷器，可將幾千伏的過電壓進一步限制到1千多伏，雷電多發(fā)地帶需要具有40KA的通流容量，將由第一級防雷泄放后出現(xiàn)的雷電殘壓以及電源線路中感應(yīng)的雷電流給予再次泄放，防雷器可并聯(lián)安裝在配電柜的電源進入端，此級防雷器并聯(lián)安裝對后接設(shè)備的功率不限。

比如在總配電柜內(nèi)安裝一套OBO V25—B電源SPD（In=60kA，8/20μs，Up≤1.9kV），同時SPD的前端應(yīng)設(shè)置63A/3P過電流保護裝置，SPD接地采用就近接地方式，接地線長度不大于0.5m。

2.第二級電源防雷器:

從總配電柜到分配電柜為三相五線制電源輸入，為了有效防止雷電的竄入，在分配電柜內(nèi)安裝一套防雷器作第二級電源防雷，并在電源避雷器的前端安裝空氣開關(guān)，使所有配電設(shè)備都處在第二級防雷保護之中。

計量設(shè)備機房（市電電源箱、UPS電源箱）配電箱處安裝一套OBO V20—C電源第二級SPD，（同時SPD的前端應(yīng)設(shè)置20A/1P過電流保護裝置，SPD接地采用就近接地方式，接地線長度不大于0.5m。

3.第三級電源防雷器:

第三級防雷器，采用電源防雷并聯(lián)安裝在各需要保護終端設(shè)備前端。目的是將雷電及其他浪涌電壓限制到對設(shè)備沒有損害的水平，特別是對日常天天發(fā)生的電源系統(tǒng)操作過電壓、電源高次諧波等具有限制和保護作用，可以延長設(shè)備的正常使用壽命，減少運行維護成本。

比如計量儀器儀表機柜內(nèi)配置A6-42-0NS電源防雷插座，SPD接地采用就近接地方式，接地線長度不大于0.5m，使控制柜所有配電設(shè)備都處在第三級防雷保護之中。對于裝有多級過電壓保護裝置的系統(tǒng)，通常要求一級與二級SPD距離不小于1Orn，二級與三級間距不小于5m。

四.線路屏蔽與改造措施

屏蔽就是利用屏蔽體把需要保護的對象包圍起來，以阻擋或衰減電磁脈沖的能量傳播，也是一種有效的防雷措施。電子設(shè)備常用的屏蔽體有設(shè)備的金屬外殼、屏蔽室的外部金屬網(wǎng)和電纜的金屬外套等。所有的屏蔽套、殼等均需要接地。具體措施是：

1.戶外信號線應(yīng)與電源線分開敷設(shè)并用Φ32鍍鋅鋼管埋地敷設(shè)；金屬屏蔽線槽進行屏蔽改造，并多點接地，全長電氣貫通。連接處需跨接，多點接地，各處接地電阻必須保持一致，地面開挖及恢復(fù)原樣。

2.戶外架空電源線改造為，用Φ32鍍鋅鋼管理地敷設(shè)；金屬屏蔽線槽進行屏蔽改造，并多點接地，全長電氣貫通。連接處需跨接，各處接地電阻必須保持一致，地面開挖及恢復(fù)原樣。

3.室內(nèi)信號線路用80×50鍍鋅金屬線槽敷設(shè)進行屏蔽改造，并多點接地，全長電氣貫通。連接處需跨接，各處接地電阻必須保持一致。

4.室內(nèi)電源線路用60×40鍍鋅線槽敷設(shè)，進行屏蔽改造，并多點接地，全長電氣貫通。連接處需跨接，各處接地電阻必須保持一致。

結(jié)語

綜合防雷是一個系統(tǒng)工程，在一個完善的防雷系統(tǒng)工程中，特別是電子設(shè)備的防雷工程中，綜合防雷防護措施是缺一不可的，如果缺少某一個環(huán)節(jié)，也起不到良好的防雷作用，還有可能引雷入室，而造成設(shè)備失靈或損壞。

1.《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》GB50057-94/2000

2.《建筑物電子信息系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》GB50343-2004

3.《電子計算機機房設(shè)計規(guī)范》GB50164-93規(guī)范要求

4.《雷電電磁脈沖的防護》IEC 1312

Protection Measures for Electronic Instruments in Water Supply System Under Lightning Environment

This article introduces the following protection measures for electronic instruments in water supply system under lightning environment, such as external lightning protection, bonding, earthing, surge interceptor,line shield transformation etc; indicating as well their design parameters and common practice.

lightning environment；lightning protection measures