淳安農(nóng)村供水站防雷安全技術探討

摘" 要：該文主要著眼于淳安農(nóng)村供水站系統(tǒng)的特點及工作原理，分析直擊雷、雷擊電感脈沖、雷電波入侵及地電位反擊方面對農(nóng)村供水站運行產(chǎn)生的危害及損失。該文分別從供排水系統(tǒng)、自動化儀表系統(tǒng)、供配電系統(tǒng)及終端設備方面，提出較為系統(tǒng)的農(nóng)村供水站雷電防護的應對措施，以供大家參考。

關鍵詞：農(nóng)村；供水站；防雷；安全技術；系統(tǒng)特點

中圖分類號：P429" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）25-0181-04

Abstract： This paper mainly focuses on the characteristics and working principle of Chun'an rural water supply station system， and analyzes the harm and loss caused by direct lightning， lightning inductance pulse， lightning wave invasion and ground potential counterattack to the operation of rural water supply station. From the aspects of water supply and drainage system， automatic instrument system， power supply and distribution system and terminal equipment， this paper puts forward more systematic lightning protection measures for your reference.

Keywords： rural area; water supply station; lightning protection; safety technology; system characteristics

雷電是自然界最為壯觀的大氣放電現(xiàn)象之一。當它來臨時，伴隨著光、聲、電等多種物理現(xiàn)象。強電流、強電磁場、強沖擊波、強電磁輻射和高溫熱等物理效應會在瞬間產(chǎn)生巨大破壞，往往造成人員傷亡和財產(chǎn)損失。隨著我國社會經(jīng)濟和現(xiàn)代科學技術的快速發(fā)展，雷電危害的范圍已經(jīng)從傳統(tǒng)的電力、建筑等領域擴大到幾乎所有部門，雷電災害造成的經(jīng)濟損失也更加嚴重。農(nóng)村供水站承擔著供水生產(chǎn)與處理、輸配水、汛期防洪排澇等工作。它的安全穩(wěn)定運行涉及到千家萬戶的日常生活和工作秩序。供水系統(tǒng)包括凈水處理、原水泵站、排水泵站、供水加壓泵站和供水管網(wǎng)等設施，其中包括各種類型的建（構）筑物和大量的電氣電子設備，以及各種電纜和管道。其占地面積大、線路長、出露多，常處于空曠的礦井和潮濕的水汽環(huán)境中[1]。在工作中也發(fā)現(xiàn)，農(nóng)村供水站設備因雷擊損壞而停運的情況較為頻繁，雷擊對農(nóng)村供水系統(tǒng)的正常運行和員工的人身安全造成了一定的威脅。

1" 淳安縣農(nóng)村供水站的特點及工作原理

將淳安縣供水設施現(xiàn)狀分為城鎮(zhèn)水廠、鄉(xiāng)鎮(zhèn)水廠、村級供水站、單村供水站和分散人口供水設施。其中，城市水廠2座，鄉(xiāng)鎮(zhèn)水廠14座，村級供水站5座，單村供水站600多座，分散人口供水設施36處?，F(xiàn)代農(nóng)村供水系統(tǒng)充分利用物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、GIS信息、衛(wèi)星定位系統(tǒng)和大數(shù)據(jù)等先進技術手段，實現(xiàn)水務數(shù)據(jù)的實時在線運行，業(yè)務流程數(shù)據(jù)的及時采集、處理和分析，實現(xiàn)水務系統(tǒng)的生產(chǎn)、運營、服務和管理。更加精細化、動態(tài)化的管理將不斷提高供水企業(yè)的經(jīng)濟效益和社會效益，保障農(nóng)村供水安全。供水站數(shù)據(jù)采集設備主要由水位傳感單元、數(shù)據(jù)采集單元、供電單元和通信單元4個部分組成[2]。隨著供水站供排水量的變化，各相應水位水量感應單元輸出的電量也發(fā)生變化，這種變化由水位水量到數(shù)字信號要素轉換，并進行線性化和定標化處理，再傳輸?shù)竭h程城鄉(xiāng)供水管理平臺實時顯示，從而控制給排水數(shù)據(jù)的質量。由于傳輸數(shù)據(jù)是微電流信號，數(shù)據(jù)采集端采集到計算機的信號對電磁環(huán)境非常敏感。惡劣的電磁環(huán)境會嚴重影響數(shù)據(jù)信號、失真乃至設備損壞。

2" 近年淳安農(nóng)村供水站設施受損情況

根據(jù)相關資料分析，通信線路上感應到的雷電過電壓約為5 kV，電流為幾百安培。低壓輸電線路上的雷電過電壓一般在6 kV以下，電流為3～4 kA。雷擊大地產(chǎn)生的電磁效應半徑約為400～800 m，晶體管設備約800～1 200 m，微電子器件對超過2 000 m[3]。例如，雷電通信線路產(chǎn)生的磁感應強度約為107～106 T量級；供水站的電子設備距離雷擊點10～100 m，雷擊電力線引起的磁感應強度為0.6～2×10-5T[4]。據(jù)不完全統(tǒng)計，2022年淳安農(nóng)村供水站設施因雷災直接經(jīng)濟損失近60多萬元。全縣23個鄉(xiāng)鎮(zhèn)均不同程度受災，受災人口達23萬多，600多個農(nóng)村供水站中，主板模塊受損22處，水泵站壓濾機受損15處，加藥機故障10處，跳閘100多次。由此可見，完善淳安農(nóng)村供水站的雷電防護設施刻不容緩。

3" 雷電災害分類

3.1" 直擊雷

直擊雷是指雷電直接擊中供水站內(nèi)的設備或人員、建（構）筑物等造成損傷的一種災害。因淳安農(nóng)村供水站均未安裝有雷電防護裝置，所以雷擊直接造成損害，此種情況較為多見。普查全縣所有的農(nóng)村供水站，去年均發(fā)生過這種雷擊事故11次，直接經(jīng)濟損失近30萬元。

3.2" 雷電電磁脈沖

雷電電磁脈沖是由于雷電流在周圍空間快速變化產(chǎn)生瞬態(tài)強電場和強磁場，耦合到電氣或電子信息系統(tǒng)中，會產(chǎn)生很高的浪涌電流或浪涌電壓。雷電電磁脈沖會產(chǎn)生高電位反擊、靜電感應、電磁感應等效應。產(chǎn)生的高電位主要通過傳輸線引入電路和計算機信息系統(tǒng)，造成電路元器件損壞和計算機信息系統(tǒng)中斷。其中，供水站開關設備系統(tǒng)集成了大量的半導體元器件，在雷擊事故中往往首當其沖。2022年7—8月，接連2個月內(nèi)發(fā)生在淳安縣大墅鎮(zhèn)的2次強雷雨天氣，程控機主板模塊均被擊壞。

3.3" 雷電流沿線路侵入

雷電對金屬管道、架空線路或電纜線路會產(chǎn)生影響，雷電流會沿管道侵入室內(nèi)，危及人身安全或損壞設備。農(nóng)村供水站的電力需求，是通過低壓輸電線路來滿足的。然而，一旦這些電力線路受到雷擊，就會形成行波，這些行波會沿著輸電線路直達供水站設備，進而引發(fā)故障甚至損壞。此外，當雷電擊中高壓輸電線路時，會產(chǎn)生過電壓，這種過電壓會通過變壓器的作用，傳遞到二次側，從而在低壓線路上產(chǎn)生雷電過電壓。與此同時，低壓輸電線路上還會因為雷電的影響，產(chǎn)生靜電感應和電磁感應[5]。由于電源配電箱與交流市電連接，在對淳安縣農(nóng)村供水站雷擊事故的統(tǒng)計中，電源及設備受損是出現(xiàn)故障概率最多的設備。2022年受雷擊危害，電源跳閘100多次，水泵站壓濾機受損15處，加藥機故障10處。

4" 供水站防雷工作存在的問題

一是無防直擊雷措施，未設避雷針或安裝避雷帶。

二是金屬護欄無接地，供電、通信線路未穿鋼管或敷設金屬槽架并接地。

三是各電子信息線路中未安裝SPD電涌保護器，總配電電源及交換機電源中未安裝T1+T2 SPD電涌保護器。

5" 供水站雷擊防護的應對措施

農(nóng)村供水站是農(nóng)村飲用水的重要來源，供水站防雷保護的好壞將直接影響農(nóng)村居民的飲用水狀況，一次采集核心主板模塊的直接經(jīng)濟損失就是3萬多元，更何況雷電狀態(tài)下電磁環(huán)境對供水站數(shù)據(jù)收集、加藥的劑量產(chǎn)生的長久負面影響。

5.1" 防直擊雷

為確保供水站免受直擊雷的危害，必須重視并加強其直擊雷防護工作。目前，普遍采用的直擊雷防護措施主要包括安裝避雷針、避雷帶、避雷線等避雷裝置。這些裝置能夠有效地將雷電流引導下來，并通過優(yōu)質的接地系統(tǒng)，迅速且安全地將電流導入地下，從而保護供水站免受雷電的侵害。供水站房屋面可采用Φ10 mm熱鍍鋅圓鋼材料沿屋面、角部、檐口等部位鋪設，并在整個屋面形成不大于10 mm×10 mm或12 mm×8 mm的網(wǎng)格。采用Ф10 mm熱鍍鋅圓鋼（每米）架設高度為15 cm的支撐卡；防雷接閃引下線采用規(guī)格為Ф10 mm熱鍍鋅圓鋼，沿建筑物四周均勻對稱布置，熱鍍鋅圓鋼或40 mm×4 mm鍍鋅扁鋼與接地裝置接地網(wǎng)（接地網(wǎng)接地電阻不超過10 Ω）連接時，避雷線間距不宜大于25 m[6]；接地裝置設置環(huán)形接地，水平接地體采用40 mm×4 mm的鍍鋅扁鋼，埋深大于0.5 m。垂直接地體為50 mm×50 mm×5 mm的鍍鋅角鋼，垂直埋深2.5 m。為減小相鄰接地體的屏蔽作用，人工接地體的間距和排布間距宜為5 m，受當?shù)貤l件限制時可適當減小。為避免雷擊接閃時對傳感設備和信息傳輸線的直接影響，條件可能的情況下，可設獨立避雷針，在確定避雷針的設計高度及其保護范圍時，應遵循國家標準GB 50057—2010《建筑物防雷設計規(guī)范》附錄D中的滾球法，以確保接閃器能夠有效地覆蓋并保護所需區(qū)域。在構建避雷針的接地系統(tǒng)時，應優(yōu)先考慮將其與設備接地系統(tǒng)分開，并根據(jù)防雷規(guī)范確保兩接地系統(tǒng)之間保持適當?shù)木嚯x。然而，在受到場地條件限制，難以完全分離兩接地系統(tǒng)的情況下，必須采取額外的電磁屏蔽措施，以防止雷電流引下線對供水站數(shù)據(jù)傳輸線造成干擾。此外，防直擊雷接地系統(tǒng)的沖擊電阻應控制在不大于10 Ω的范圍內(nèi)，以確保接地系統(tǒng)的有效性和安全性。

5.2" 防雷電波入侵

為了箝制雷電電磁脈沖產(chǎn)生的過電壓沿線路入侵室內(nèi)損壞電子儀器設備，農(nóng)村供水站機房應設置二次電涌保護，分別設置在機房配電箱和控制中心機房電源輸入段（圖1）。各級SPD浪涌保護器的參數(shù)選擇見表1。其中，第一級保護要求避雷器標稱通流容量不小于60 kA，第二級保護要求避雷器標稱通流容量不小于20 kA，第二級保護要求在預期100 kA雷電流沖擊下設備端部殘壓小于1 000 V，達到設備的電壓保護等級[7]。此外，進入終端的數(shù)據(jù)信號線和視頻監(jiān)控線應配備配套的信號浪涌保護器，標稱電流不小于 5 kA，插入損耗不大于0.5 dB。

5.3" 等電位連接

等電位連接是現(xiàn)代防雷技術重要的防護措施之一，主要作用為防止電位差。①防雷保護接地就近泄放。屋面避雷帶或避雷針與金屬管道電氣連接，形成等電位連接，防止避雷針雷電流反擊數(shù)據(jù)傳感器[8]。②防止電位差。引下線、信號線、電源線穿管，防止引下線雷電流反擊信號線；電力線和信號電纜必須置于金屬管道或裝有金屬屏蔽層的PVC套管內(nèi)，并可靠接地；室外攝像頭輸出的同軸電纜外層與其他管道外層在進入監(jiān)控室前經(jīng)過等電位連接后接地[9]。③等電位連接排?？刂浦行臋C房應設置等電位連接母線（或金屬板），等電位接地板最好采用銅材質，且厚度不小于3 mm，以降低接地板的直流電阻和高頻電阻[10]；根據(jù)GB 50057—2010《建筑物防雷設計規(guī)范》的要求，機房等電位連接網(wǎng)絡應采用S型星形結構和M型網(wǎng)絡結構。對于淳安農(nóng)村供水站，房間內(nèi)小型設備較少且集中，宜采用S型連接方式（圖2）[11]， 防雷接地、PE線路、設備保護接地，并引入室內(nèi)電纜金屬屏蔽層等統(tǒng)一匯集到一個等電位連接端子。地線盡量平直粗短，為了減少接地線的電感，可以采取用接地板截斷的辦法來減少接地線長度。

5.4" 可靠接地

雷電防護系統(tǒng)的效果如何關鍵在于其接地系統(tǒng)是否安全可靠。在雷電防護系統(tǒng)中，防雷設施的安裝、等電位連接、屏蔽和浪涌防護等，主要是在雷電災害來臨時，將雷電流安全、快速地引入大地，起到保護后端的作用[12]?？煽拷拥乜梢越档屠讚酎c的電位、反擊電位、跨步電壓。從這點來看，正確有效而可靠的接地無疑是建筑物雷電防護的關鍵所在，是保護人們生命及財產(chǎn)安全的一道最有效的屏障。因此建筑物的接地系統(tǒng)是所有電氣接地、工作接地、防雷接地和設備保護地等共用的一組接地網(wǎng)，且接地電阻不超過4 Ω。

6" 供水站防雷整改后效果分析

本文從淳安農(nóng)村供水站系統(tǒng)的特點及工作原理著眼，分析了直擊雷、雷擊電感脈沖、雷電波入侵及地電位反擊方面對農(nóng)村供水站運行產(chǎn)生的危害及損失，從給排水系統(tǒng)、自動化儀表系統(tǒng)、供配電系統(tǒng)和終端設備等方面，提出相應的供水站防雷安全技術防護思路，并應用于實踐。供水站地處丘陵山區(qū)，由于地勢較高，周邊相對空曠，雷電活動頻繁。在每年的雷雨季節(jié)，系統(tǒng)都會出現(xiàn)不同程度的癱瘓，無法正常工作，造成不同程度的經(jīng)濟損失和問題。根據(jù)本文的方案，對防雷技術措施進行整改，運行一年來僅大墅鎮(zhèn)上坊供水站發(fā)生2起SPD浪涌保護器擊穿致空開斷路器跳閘，其他供水站均無因雷電造成的災害情況發(fā)生，大大提高了農(nóng)村供水站的安全運行水平，取得了較好的經(jīng)濟效益和社會效益。農(nóng)村供水站的防雷技術是一項系統(tǒng)工程。嚴格來講，僅使用高性能的防雷系統(tǒng)并不能保證農(nóng)村供水站設備100%安全。在實際應用中，需要結合供水站的外部環(huán)境、運行系統(tǒng)、傳輸電纜接線和屏蔽措施，提高防雷效果，確保農(nóng)村供水業(yè)務系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。

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