水文纜道站防雷電波研究與實踐

田有成，陳 超

(長江中游水文水資源勘測局，武漢 430010)

水文纜道站防雷電波研究與實踐

田有成，陳 超

(長江中游水文水資源勘測局，武漢 430010)

雷電波對水文纜道測站構(gòu)成重大安生隱患，以雙指數(shù)函數(shù)模型分析了雷電波的特性與參數(shù)，并根據(jù)測站的實際情況分析了雷電波可能侵入的途徑，對每種侵入途徑從技術(shù)與工程規(guī)范層面上采取了針對性的防范措施。

水文纜道；雷電波；接地技術(shù)

0 引 言

隨著水利信息化建設(shè)步伐的加快實施，目前長江中下游地區(qū)長江干流及中小支流都建有水文纜道測站，為長江防汛及地方水利建設(shè)提供水情信息。特別是近幾年來，纜道站的自動化程度不斷攀高，智能測流系統(tǒng)、無線水位和雨量測報系統(tǒng)等多種弱電系統(tǒng)的電子設(shè)備都安裝在纜道控制室的操作臺機(jī)柜中，它們極易受強電磁波的干攏而無法正常工作，甚至造成設(shè)備損壞。從纜道測站的防雷現(xiàn)狀來看，對主索、塔架和測站建筑物防直接雷基本上按水文纜道設(shè)計規(guī)范采取了相應(yīng)的防雷措施，但雷電波對測流系統(tǒng)以及測站其它通信系統(tǒng)的入侵卻防范不力，特別是在訊期因雷電安全事故頻發(fā)，嚴(yán)重影響了測驗作業(yè)，因此，對雷電波的防范應(yīng)引起足夠的重視并采取有效應(yīng)對措施，將其阻塞在一定安全范圍內(nèi)，保證系統(tǒng)運行安全可靠。

1 雷電波及其特性

雷電波主要是由雷電效應(yīng)引起的。當(dāng)雷擊發(fā)生時,一方面由于雷云接近地面，在地面凸出物頂部感應(yīng)出大量異性電荷，雷云與其他部位放電后，凸出物頂部的電荷失去束縛，以雷電波的形式，沿凸出物極快地傳播。另一方面由于雷擊后，巨大的雷電流在周圍空間產(chǎn)生迅速變化的強大磁場，磁場在附近金屬導(dǎo)體上感應(yīng)出很高的電壓，通過導(dǎo)線以波的形式傳播進(jìn)入室內(nèi)。

由Brace和Golde提出的雙指數(shù)函數(shù)模型可知，雷電波電流為：i(t)=KIm(e-αt-e-βt),其中，Im為峰值電流，α為決定電流衰減的時間常數(shù)，β為決定電流上升的時間常數(shù)，K為峰值電流修正因子。其波形如圖1所示。雷電流的波前時間t1處于1～4μs范圍，平均為2.6μs，波長t2約為20～100μs，平均為40μs，雷電波Im達(dá)到100～200 kA?？梢娎纂姴▊鞑タ?，瞬時能量大。另外對雙指數(shù)函數(shù)進(jìn)行頻譜分析雷電流所包含的頻率從低頻到高頻都有分量，但主要集中在低頻部分。根據(jù)IECl312-l提供的雷電流頻譜資料顯示，其頻率主要分布為100kHz的范圍內(nèi)。

2 雷電波對纜道站的幾種入侵途徑

纜道站的建筑物分布主要是纜道房與控制室及水位自記臺。利用循環(huán)索傳回的水下信號(水深、流速、水面及水底信號)與起點距經(jīng)纜道房由通信線路傳輸至控制室的測驗設(shè)備。通信線路通常包括水下信號電纜、水位數(shù)據(jù)線、起點距數(shù)據(jù)線。施工時通常是通過管道進(jìn)入控制室的機(jī)柜。控制室主要是供電線路和網(wǎng)絡(luò)線路，有些測站還有無線通信介質(zhì)。從多次雷擊事故分析結(jié)果來看，雷電波侵入導(dǎo)致測驗電子裝置損壞幾率占80%以上。雷電波侵入主要有以下三種途徑：

(1)通過低壓配電線路侵入。當(dāng)雷擊發(fā)生時，雷電波通過變電房高壓側(cè)線路向變電房傳播，產(chǎn)生的過電壓施加于配電變壓器的原邊繞組上，經(jīng)過變壓器的電磁耦合感應(yīng)到低壓側(cè)，使電子設(shè)備的供電發(fā)生過電壓，以及雷電波的其它諧波分量使電子器件因過壓而損壞。

(2)通過通信電纜侵入。由于纜道房臨近塔架，測站建筑防直接雷是通過塔架將引下與接地體連接，將雷電流向地排泄，因此，在導(dǎo)線的周圍產(chǎn)生強電磁場并沿著導(dǎo)線產(chǎn)生很高的過電壓，通過通信電纜轉(zhuǎn)播到控制室。

(3)通過共用接地電阻形成反擊而侵入。在測站接地系統(tǒng)中，除防雷地、保護(hù)地以外，通常將多個電子設(shè)備的工作地采用共地的方式以保證電子電路的等電位而避免共模干擾，但是當(dāng)雷擊發(fā)生時，雷電波在接地電阻上產(chǎn)生過電致使設(shè)備損壞。

3 纜道站雷電波的防范技術(shù)

為了保證測驗工作的安生可靠，避免人身傷害及設(shè)備損壞，從雷電波入侵的途徑出發(fā)，采取有針對性的防雷措施。

3.1 供電電源系統(tǒng)的防雷電波措施

供電電源的防雷電波可采取兩級保護(hù)，第一級對配電變壓器進(jìn)行防雷，降低雷電波通過變壓器的電磁感應(yīng)而產(chǎn)生的過壓風(fēng)險。其方法可分別在變壓器的原、副邊加上避雷裝置，并將中線接地，一方面減輕高地電壓反擊強度，另一方面避免或減輕雷電波對低壓終端用戶的危害。防雷保護(hù)電路如圖2所示。對于小容量的配電變壓器可選用FS系列閥型避雷器，接地電阻應(yīng)小于2.5Ω。第二級防雷電波采用隔離變壓器，將隔離變壓器的次級輸出作為供電電源，這樣就可以再次將雷電波的行波抑制，為了達(dá)到較好的抑制效果，應(yīng)在初次級線圈上加上防電涌裝置。其電路原理如圖3所示。圖中TL1～TL4為退耦電感，SPD1～SPD7為氧化鋅電涌保護(hù)器，初級接地為TT系統(tǒng)，次級按地為TN-C系統(tǒng)。初次級間不共地。

3.2 防雷電波通過通信電纜侵入措施

當(dāng)纜道房附近的雷電經(jīng)避雷器注入地網(wǎng)，使測站接地網(wǎng)中的沖 擊電流增大時，將產(chǎn)生暫態(tài)的電位波動，同時地網(wǎng)的接地電阻也將暫時升高而產(chǎn)生感應(yīng)電壓，由于信號電纜由纜道房至控制室只有30～50m，感應(yīng)的雷電波通過信號電纜侵入控制室內(nèi)，高電壓直接加在測驗設(shè)備的接口上，使設(shè)備損壞。在防雷措施上，可通過以下方式來實現(xiàn)。

圖2 電源防雷電波電路圖

圖3 隔離變壓器防雷電波原理圖

(1)傳輸線纜應(yīng)選屏蔽電纜。為了保證較好的屏蔽效果，同時兼顧雷電感應(yīng)電壓不至于通過屏蔽層產(chǎn)生回流而損壞電纜屏蔽層，用單端接地來消除雷電波的影響，接地方式如圖4所示。在線纜末端串接防浪涌信號防雷器，在安裝時注意防雷器的輸入端(IN)與信號通道相連，防雷器的輸出端(OUT)與被保護(hù)設(shè)備相連。

圖4 屏蔽層接地方式

(2)選用光纜作為傳輸介質(zhì)。這樣不僅通信容量大，而且損耗低。光纜的光纖是絕緣體材料，它不受自然界的雷電干擾、電離層的變化和太陽黑子活動的干擾，也不受周圍環(huán)境及其它電氣設(shè)備引起的工業(yè)干擾。因此，使用光纜作為信號傳輸線可以抑制雷電波對測驗設(shè)備的影響。

3.3 改善接地

在強大的雷電波作用下，接地電阻泄流作用的均壓效果不好, 會使接地網(wǎng)的部電位升高,導(dǎo)致地電位干擾形成反擊。一方面應(yīng)盡量降低接地網(wǎng)的接地電阻，使其符合規(guī)程所要的電阻值，另一方面，在接地方式上，盡量不采用共用接地方式，防雷地、保護(hù)地單獨按接地工程規(guī)范進(jìn)行施工，多個設(shè)備的工作地采用單點接地，接地引下線不串接，各工作地用等電位聯(lián)接。在接地過程中，要注意保持各接地點的安全距離不小于15m。

4 結(jié)束語

實踐表明，雷電波對水文纜道測站的安全作業(yè)構(gòu)成重大安全隱患，必須引起高度重視，在建設(shè)過程中要嚴(yán)格按照防雷規(guī)范做好接地工程和加裝必要的防雷裝置，在日常維護(hù)過程中，對避雷裝置、避雷設(shè)施和接地裝置做到定期進(jìn)行安全技術(shù)檢測，發(fā)現(xiàn)問題及時整改，使之符合技術(shù)規(guī)范要求，達(dá)到應(yīng)有的防雷效果，確保安全生產(chǎn)，減少經(jīng)濟(jì)損失。

[1] 騰 旭，胡志昂.電子系統(tǒng)抗干擾實用技術(shù)[M].北京:國際工業(yè)出版社，2004.

[2] 劉丙江.實用接地技術(shù)[M].北京:中國電力出版社，2012.

[3] G.夏里克，候景韓譯.接地工程[M].北京:人民郵電出版社，1988.

[4] 劉有菊.雷電波數(shù)學(xué)模型[J].保山學(xué)院學(xué)報，2010(9).

[5] 周方君，等.隔離變壓器在電源系統(tǒng)防雷中的應(yīng)用[J].氣象科技,2015(10).

[6] 蔡建初.信息系統(tǒng)接地工程技術(shù)的探討[J].氣象研究與應(yīng)用,2010(5).

Research and Practice of Lightning Wave Protection of Cableway Station

TIAN You-cheng， CHEN Chao

(Hydrological and Water Resources Survey Bureau of the Middle Reaches of Yangtze River, Wuhan 430010，China)

Lightning wave is a severe potential risk to cableway stations. The characteristics and parameters of lightning wave are analyzed by using a dual-exponential function mode and the possible invading paths of lightning waves are analyzed based on the actual situation of cableway stations, and targeted preventive measures are put forward for each kind of invading paths from technology and engineering specification level.

cableway stations; lightning wave; grounding technique

2017-03-02

田有成(1989-)男，甘肅慶陽人，工程師，大學(xué)，主要從事水文纜道的設(shè)計與水文儀器研制工作。

P427.32

A

1673-0496(2017)02-0024-03

10.14079/j.cnki.cn42-1745/tv.2017.02.008