水質(zhì)觀測站雷擊過程分析及其防護(hù)

黃聲錦 鄭棟棟

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水質(zhì)觀測站雷擊過程分析及其防護(hù)

黃聲錦 鄭棟棟

福建省漳州市氣象局

水文站由于位于河邊、湖邊等易遭受雷擊的地方，在現(xiàn)場檢測中發(fā)現(xiàn)水文站信息控制系統(tǒng)及其設(shè)備經(jīng)常遭受雷擊損壞。本文針對(duì)水文站防雷裝置設(shè)計(jì)的關(guān)鍵要素進(jìn)行理論分析，并結(jié)合該站的建筑特點(diǎn)和系統(tǒng)特性，因地制宜提出綜合防護(hù)措施，使雷電危害控制在安全范圍內(nèi)。

雷電危害 綜合防護(hù) 水質(zhì)觀測站

0 引言

在現(xiàn)場防雷檢測中發(fā)現(xiàn)水文站防雷設(shè)計(jì)存在以下不足：①跨江索道未設(shè)計(jì)避雷線，導(dǎo)致設(shè)備和線路容易遭受直擊雷損壞；②未充分考慮兩岸索道鐵塔接地的地電位反擊對(duì)設(shè)備的損壞；③浪涌保護(hù)器（SPD）參數(shù)的選取及其安裝不規(guī)范，不能有效防止雷電波侵入，導(dǎo)致設(shè)備因過電壓損壞；④電源線路、控制線路及其水文站信息機(jī)房未采取屏蔽措施，導(dǎo)致設(shè)備因雷擊電磁脈沖產(chǎn)生過電壓損壞。由于防雷是系統(tǒng)工程，不能顧此失彼，必須對(duì)水文站的雷擊原因進(jìn)行解析，以期找到合理的防雷措施。下面就針對(duì)以上幾個(gè)關(guān)鍵問題作如下闡述。

1 直擊雷防護(hù)

直擊雷防護(hù)由接閃器、引下線、接地裝置構(gòu)成[1]。對(duì)具體建筑物采取防護(hù)時(shí)，應(yīng)采取因地制宜的措施，針對(duì)其主要隱患采取重點(diǎn)防護(hù)措施，找到問題根源，采取合理解決方案。

1.1 接閃器安裝

對(duì)架空索道應(yīng)采取防直擊雷措施，通常在索道上方采取架設(shè)避雷線防護(hù)[1]，避免索道由于直擊雷產(chǎn)生的過電壓對(duì)水文觀測設(shè)備造成損壞。架空避雷線至索道空氣中的間隔距離見圖1。其距離應(yīng)按下列公式計(jì)算（不應(yīng)小于3m），如果間隔距離太近，那么當(dāng)避雷線在遭受雷擊時(shí)，設(shè)備會(huì)遭受雷電流的旁側(cè)閃擊。

圖1 索道架空避雷線安裝示意圖

1.2 引下線敷設(shè)

防雷引下線設(shè)置的目的是索道避雷線遭受雷擊時(shí)，將接閃的雷電流從避雷線傳導(dǎo)至接地裝置，給雷電流提供泄放通道（見圖2）。

圖2 水文站外部防雷接地示意圖

由于雷電流具有很高的脈沖幅值，為防止雷電流經(jīng)過引下線至防雷接地裝置時(shí)所產(chǎn)生的高電壓對(duì)被保護(hù)的建筑物或與其有聯(lián)系的鐵塔接地、信息機(jī)房設(shè)備接地、信息機(jī)房電源系統(tǒng)接地發(fā)生反擊[2]，應(yīng)使防雷裝置與這些接地線路保持一定的間隔距離，如果只設(shè)計(jì)單根防雷引下線，那么單根引下線通過雷電流時(shí)對(duì)接地裝置產(chǎn)生的電壓為：

1.3 接地裝置

在建筑物四周布設(shè)閉合防雷地網(wǎng)，地網(wǎng)溝深度不小于60cm，寬度不小于40cm，并沿地溝敷設(shè)40mm×4mm鍍鋅接地扁鋼作為水平接地極，每隔5米埋設(shè)50mm×50mm×5mm鍍鋅角鋼(長度宜為2.5米)作為垂直接地極，鋼質(zhì)接地裝置宜采用焊接，焊接部位應(yīng)做防腐處理。在人員出入處，對(duì)水平接地體深埋不應(yīng)小于1m，防止跨步電壓對(duì)人體的傷害。

2 感應(yīng)雷與雷電電磁脈沖防護(hù)

雷電感應(yīng)防護(hù)是系統(tǒng)工程，需要采取綜合防護(hù)措施，對(duì)一切雷電感應(yīng)造成的雷電破壞分別采取等電位、屏蔽、安裝SPD等措施進(jìn)行防護(hù)。

2.1 等電位連接

所謂等電位連接，就是使建筑物內(nèi)的各種設(shè)備形成一個(gè)相等的電位差。在建筑物內(nèi)要做一個(gè)接地總匯流等電位端子板，使之與增設(shè)的人工地網(wǎng)相連，同時(shí)使交流工作接地、直流工作接地、設(shè)備安全保護(hù)接地、防雷接地等多種接地共用一組接地裝置。采用聯(lián)合接地網(wǎng)后，消除獨(dú)立地網(wǎng)之間的電位差，保證設(shè)備不因雷電反擊而損壞。

2.2 屏蔽設(shè)計(jì)

雷電電磁脈沖（Lighting Electromagnetic Pulse，簡稱LEMP），是指大氣中雷電流的電磁脈沖輻射對(duì)建筑物電力線路的電子設(shè)備所造成的一種電磁干擾。當(dāng)閃電直接擊中水文站信息機(jī)房建筑物時(shí)，機(jī)房內(nèi)產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度計(jì)算如下：

在閃電直接擊在信息機(jī)房時(shí)或與其連接的接閃器上的情況下，其機(jī)房內(nèi)部某點(diǎn)的磁場強(qiáng)度應(yīng)按下式計(jì)算：

通常水文站的建筑規(guī)模比較小，一般按三類防雷建筑物進(jìn)行設(shè)計(jì)。雷電流取i=100kA，當(dāng)信息機(jī)房建筑物遭受首次雷擊時(shí)（當(dāng)機(jī)房沒有屏蔽時(shí)，W取建筑物框架柱筋之間的距離，通常取6m），機(jī)房空間內(nèi)的磁場強(qiáng)度計(jì)算如下：

磁感應(yīng)強(qiáng)度：

以下對(duì)雷擊電磁脈沖輻射的破壞機(jī)理進(jìn)行分析:

我們知道，計(jì)算機(jī)設(shè)備的絕緣程度低，其內(nèi)部電路的集成度越來越高，使其抗過電壓和過電流能力越來越差，對(duì)雷電引起的外部侵入造成的電磁干擾敏感，因而一旦受到雷電電磁波的沖擊，其集成塊及相應(yīng)電路極易損壞，輕則造成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)失靈，重則造成計(jì)算機(jī)設(shè)備的永久性損壞。當(dāng)計(jì)算機(jī)電子設(shè)備系統(tǒng)感受到磁場強(qiáng)度為0.07GS時(shí)，元件失效；當(dāng)感受到磁場強(qiáng)度為2.4GS時(shí)，設(shè)備發(fā)生故障損壞。屏蔽是防止雷電電磁脈沖破壞的最有效辦法之一。通常采取以下兩種措施：（1）建筑物采取初級(jí)屏蔽，即法拉第籠式的金屬屏蔽結(jié)構(gòu)，還應(yīng)對(duì)機(jī)房增加屏蔽措施，如加裝高密度銅網(wǎng)，并做好門、窗的屏蔽措施。在信息控制機(jī)房的內(nèi)墻（磚墻）抹灰層下面及窗戶上敷設(shè)50mm×50mm不銹鋼網(wǎng)，不銹鋼網(wǎng)邊緣采用金屬條壓接并每隔1m焊接到建筑物鋼筋上。機(jī)房內(nèi)金屬屏蔽門，采用銅編織線進(jìn)行接地，金屬門框與機(jī)房屏蔽網(wǎng)、樓房建筑物主筋作可靠電氣連接。（2）將進(jìn)、出建筑物的電視、網(wǎng)絡(luò)等信號(hào)線纜，采用金屬屏蔽層的電纜埋地敷設(shè)，若沒有采用屏蔽線纜，則應(yīng)穿鋼管埋地，且鋼管兩端應(yīng)與防雷接地連接。

2.3 安裝浪涌保護(hù)器

對(duì)入戶管線，安裝避雷器。當(dāng)感應(yīng)雷在室外線路上產(chǎn)生的過電壓沿著這些導(dǎo)線進(jìn)入室內(nèi)時(shí)，避雷器工作時(shí)，雷電流經(jīng)過避雷器泄流入地。根據(jù)避雷器泄流特性，需對(duì)雷電流進(jìn)行多級(jí)分流防護(hù)。在設(shè)置避雷器的級(jí)間能量時(shí)，應(yīng)注意級(jí)間電源線路的合理距離、能量匹配和響應(yīng)時(shí)間搭配[1]。綜上所述，在該站總配電處安裝一級(jí)電源避雷器，所裝設(shè)的電源保護(hù)器應(yīng)選用Ⅰ級(jí)試驗(yàn)產(chǎn)品，其電壓保護(hù)水平應(yīng)小于或等于2.5kV，其每一保護(hù)模式應(yīng)選沖擊電流等于或大于10kA；在信息機(jī)房建筑物分配電柜安裝二級(jí)電源避雷器，應(yīng)選用Ⅱ級(jí)試驗(yàn)的電涌保護(hù)器，電涌保護(hù)器每一保護(hù)模式的標(biāo)稱放電電流值應(yīng)等于或大于5kA，電涌保護(hù)器的電壓保護(hù)水平值應(yīng)小于或等于2.5kV。根據(jù)信息系統(tǒng)電子設(shè)備的電磁場敏感特性，線路上安裝避雷器時(shí)必須進(jìn)一步了解信號(hào)傳輸方式、物理接口、阻抗特性、信號(hào)電平等參數(shù)，在通信線纜光端機(jī)處安裝相應(yīng)的浪涌保護(hù)器，以達(dá)到防雷目的。

3 結(jié)束語

防雷工程是系統(tǒng)工程，若只采取一種措施進(jìn)行雷電防護(hù)，則達(dá)不到防雷效果。水文站的防雷要充分考慮到建筑物自身及其系統(tǒng)特點(diǎn)，采取接閃器安裝、引下線敷設(shè)、接地裝置、等電位連接、屏蔽設(shè)計(jì)、安裝浪涌保護(hù)器等綜合措施進(jìn)行防護(hù)，這樣才能為該站的人員安全和設(shè)備的良好運(yùn)行提供可靠的技術(shù)安全保障。

[1] 中國中元國際工程公司. GB 50057-2010, 建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國計(jì)劃出版社，2011.

[2] 中國建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)研究院，四川中光高技術(shù)研究所有限責(zé)任公司. GB 50343-2004, 建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2004.

[3] 國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局電力工業(yè)部信息研究所，東北電管局，北京供電局，等.GB/T 17949.1-2000, 接地系統(tǒng)的土壤電阻率、接地阻抗和地面電位測量導(dǎo)則 第1部分：常規(guī)測量[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2000.

[4] 上海市氣象局. GB/T 21431-2008, 建筑物防雷裝置檢測技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

[5] 張小青建筑防雷與接地技術(shù)[M].北京：中國電力出版社，2002.

[6] 解廣潤．電力系統(tǒng)接地技術(shù)[M].北京：水利電力出版社，1991．