水質觀測站雷擊過程分析及其防護

黃聲錦 鄭棟棟

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水質觀測站雷擊過程分析及其防護

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，在現場檢測中發現水文站信息控制系統及其設備經常遭受雷擊損壞。本文針對水文站防雷裝置設計的關鍵要素進行理論分析，并結合該站的建筑特點和系統特性，因地制宜提出綜合防護措施，使雷電危害控制在安全范圍內。

雷電危害 綜合防護 水質觀測站

0 引言

在現場防雷檢測中發現水文站防雷設計存在以下不足：①跨江索道未設計避雷線，導致設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設備的損壞；③浪涌保護器（SPD）參數的選取及其安裝不規范，不能有效防止雷電波侵入，導致設備因過電壓損壞；④電源線路、控制線路及其水文站信息機房未采取屏蔽措施，導致設備因雷擊電磁脈沖產生過電壓損壞。由于防雷是系統工程，不能顧此失彼，必須對水文站的雷擊原因進行解析，以期找到合理的防雷措施。下面就針對以上幾個關鍵問題作如下闡述。

1 直擊雷防護

直擊雷防護由接閃器、引下線、接地裝置構成[1]。對具體建筑物采取防護時，應采取因地制宜的措施，針對其主要隱患采取重點防護措施，找到問題根源，采取合理解決方案。

1.1 接閃器安裝

對架空索道應采取防直擊雷措施，通常在索道上方采取架設避雷線防護[1]，避免索道由于直擊雷產生的過電壓對水文觀測設備造成損壞。架空避雷線至索道空氣中的間隔距離見圖1。其距離應按下列公式計算（不應小于3m），如果間隔距離太近，那么當避雷線在遭受雷擊時，設備會遭受雷電流的旁側閃擊。

圖1 索道架空避雷線安裝示意圖

1.2 引下線敷設

防雷引下線設置的目的是索道避雷線遭受雷擊時，將接閃的雷電流從避雷線傳導至接地裝置，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，為防止雷電流經過引下線至防雷接地裝置時所產生的高電壓對被保護的建筑物或與其有聯系的鐵塔接地、信息機房設備接地、信息機房電源系統接地發生反擊[2]，應使防雷裝置與這些接地線路保持一定的間隔距離，如果只設計單根防雷引下線，那么單根引下線通過雷電流時對接地裝置產生的電壓為：

1.3 接地裝置

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

2 感應雷與雷電電磁脈沖防護

雷電感應防護是系統工程，需要采取綜合防護措施，對一切雷電感應造成的雷電破壞分別采取等電位、屏蔽、安裝SPD等措施進行防護。

2.1 等電位連接

所謂等電位連接，就是使建筑物內的各種設備形成一個相等的電位差。在建筑物內要做一個接地總匯流等電位端子板，使之與增設的人工地網相連，同時使交流工作接地、直流工作接地、設備安全保護接地、防雷接地等多種接地共用一組接地裝置。采用聯合接地網后，消除獨立地網之間的電位差，保證設備不因雷電反擊而損壞。

2.2 屏蔽設計

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建筑物電力線路的電子設備所造成的一種電磁干擾。當閃電直接擊中水文站信息機房建筑物時，機房內產生的磁場強度計算如下：

在閃電直接擊在信息機房時或與其連接的接閃器上的情況下，其機房內部某點的磁場強度應按下式計算：

通常水文站的建筑規模比較小，一般按三類防雷建筑物進行設計。雷電流取i=100kA，當信息機房建筑物遭受首次雷擊時（當機房沒有屏蔽時，W取建筑物框架柱筋之間的距離，通常取6m），機房空間內的磁場強度計算如下：

磁感應強度：

以下對雷擊電磁脈沖輻射的破壞機理進行分析:

我們知道，計算機設備的絕緣程度低，其內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，其集成塊及相應電路極易損壞，輕則造成計算機系統失靈，重則造成計算機設備的永久性損壞。當計算機電子設備系統感受到磁場強度為0.07GS時，元件失效；當感受到磁場強度為2.4GS時，設備發生故障損壞。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）建筑物采取初級屏蔽，即法拉第籠式的金屬屏蔽結構，還應對機房增加屏蔽措施，如加裝高密度銅網，并做好門、窗的屏蔽措施。在信息控制機房的內墻（磚墻）抹灰層下面及窗戶上敷設50mm×50mm不銹鋼網，不銹鋼網邊緣采用金屬條壓接并每隔1m焊接到建筑物鋼筋上。機房內金屬屏蔽門，采用銅編織線進行接地，金屬門框與機房屏蔽網、樓房建筑物主筋作可靠電氣連接。（2）將進、出建筑物的電視、網絡等信號線纜，采用金屬屏蔽層的電纜埋地敷設，若沒有采用屏蔽線纜，則應穿鋼管埋地，且鋼管兩端應與防雷接地連接。

2.3 安裝浪涌保護器

對入戶管線，安裝避雷器。當感應雷在室外線路上產生的過電壓沿著這些導線進入室內時，避雷器工作時，雷電流經過避雷器泄流入地。根據避雷器泄流特性，需對雷電流進行多級分流防護。在設置避雷器的級間能量時，應注意級間電源線路的合理距離、能量匹配和響應時間搭配[1]。綜上所述，在該站總配電處安裝一級電源避雷器，所裝設的電源保護器應選用Ⅰ級試驗產品，其電壓保護水平應小于或等于2.5kV，其每一保護模式應選沖擊電流等于或大于10kA；在信息機房建筑物分配電柜安裝二級電源避雷器，應選用Ⅱ級試驗的電涌保護器，電涌保護器每一保護模式的標稱放電電流值應等于或大于5kA，電涌保護器的電壓保護水平值應小于或等于2.5kV。根據信息系統電子設備的電磁場敏感特性，線路上安裝避雷器時必須進一步了解信號傳輸方式、物理接口、阻抗特性、信號電平等參數，在通信線纜光端機處安裝相應的浪涌保護器，以達到防雷目的。

3 結束語

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

[1] 中國中元國際工程公司. GB 50057-2010, 建筑物防雷設計規范[S].北京：中國計劃出版社，2011.

[2] 中國建筑標準設計研究院，四川中光高技術研究所有限責任公司. GB 50343-2004, 建筑物電子信息系統防雷技術規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2004.

[3] 國家質量技術監督局電力工業部信息研究所，東北電管局，北京供電局，等.GB/T 17949.1-2000, 接地系統的土壤電阻率、接地阻抗和地面電位測量導則 第1部分：常規測量[S].北京：中國標準出版社，2000.

[4] 上海市氣象局. GB/T 21431-2008, 建筑物防雷裝置檢測技術規范[S].北京：中國標準出版社，2008.

[5] 張小青建筑防雷與接地技術[M].北京：中國電力出版社，2002.

[6] 解廣潤．電力系統接地技術[M].北京：水利電力出版社，1991．