吳堡水文站防雷方案設計

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1引言

　　吳堡水文站是黃河中游北干流上最重要的水文控制站，也是國家級水文站。吳堡水文站有跨河測流纜道、跨河低壓直流輸電纜索、獨立鐵塔式自記水位計、衛(wèi)星通信設備、超短波通信設備、PSTN有線數(shù)據(jù)傳輸設備、計算機局域網(wǎng)、半自動化的吊箱和鉛魚式測驗控制設備等。雷電暴雨發(fā)生之時，正是水文測報繁忙之時。由于吳堡水文站水文測驗設施種類多，設施分散，接引雷電和感應二次雷的概率高，防雷工程難度較大，因此它的防雷必須作為一項系統(tǒng)工程來考慮，包括三方面的內(nèi)容：防直擊雷、防感應雷、接地系統(tǒng)。

　　2雷電的產(chǎn)生及特性

　　當積雨云高度較低，密度較大，云內(nèi)對流旺盛時，由于水滴的對流、碰撞產(chǎn)生大量電荷，正負電荷在云內(nèi)不同部位聚集，形成極高場強的電場。云與云之間，云與大地之間，強電場在大氣中的放電現(xiàn)象便產(chǎn)生雷電。典型的雷擊持續(xù)時間大約幾十到幾百微秒，一般雷電流大約幾十千安，個別到幾百千安。

　　帶電云層與云層之間或云層與大地上某尖端之間發(fā)生的迅猛放電現(xiàn)象，稱為直擊雷。直擊雷的危害主要在于高電流、熱效應和機械力的破壞作用。雷電直接擊中建筑物、通信設備、通信電纜和操作人員，可能會造成建筑損毀、設備損壞、人身傷亡以及電氣短路引起的火災等嚴重后果。在雷云形成和放電過程中通過靜電感應、電磁感應等途徑，在雷電危害區(qū)域內(nèi)，對電氣設備和人身產(chǎn)生的危害，尤其是對通信設備產(chǎn)生的電磁干擾危害稱為感應雷。其危害特點是會產(chǎn)生很高的危險過電壓。有研究表明直擊雷可在其周圍超過1000m范圍的半導體上感應出危險電壓，因此遭受感應雷的概率遠大于直擊雷的概率。

　　直擊雷的防護主要是靠避雷針、避雷線、避雷帶等接閃器把雷電引瀉人地來保護建筑物和設備的。感應雷的防護主要是通過屏蔽、等電位聯(lián)接等技術保護儀器、設備，使之不因遭受過壓、過流和電磁脈沖損壞。

　　3吳堡水文站防雷設計

　　吳堡水文站需要防雷的設施有鐵塔式水位計、電源系統(tǒng)、跨河低壓直流輸電纜索、跨河測流纜索、通信設備天饋線系統(tǒng)以及站內(nèi)的電子設備等，包括防直擊雷和防感應雷。

　　3.1水文站防雷設計參考依據(jù)

　　（1）《建筑物防雷設計規(guī)范》（GB50057-94）。

　　（2）《電子計算機房設計規(guī)范》（GB50174-93）。

　?。?）《通信局（站）雷電過電壓保護工程設計規(guī)范》（YD／T5098-2001）。

　?。?）《電子設備雷擊導則》（GB7450-87）。

　?。?）《雷電電磁脈沖的防護》（1ECl312-1-3）。

　　3.2鐵塔式自記水位計的防雷與接地設計

　　鐵塔式自記水位計建在空曠的河流邊沿，可以看成獨立支撐的鐵塔，其防雷方案是：在塔頂部安裝防直擊雷避雷針，避雷針高度按滾球法計算，目的是要使自記水位計的探頭、天線、前端機和太陽能電池板在其有效的保護范圍以內(nèi)。采用塔基灌注樁內(nèi)的鋼筋籠作接地電極，接地電阻應不大于10Ω。鐵塔本身與防雷地網(wǎng)應兩點以上焊接連通，以確保多點泄放雷電流。自記水位計的探頭、天線、前端機和太陽能電池板安裝相應的避雷器。

　　3.3架空纜索的防雷與接地設計

　　吳堡水文站有測流纜索、測流副纜（兼作信號傳輸纜索）、取沙纜索、浮標投擲器纜索、低壓直流輸電線等。對于測流纜索、取沙纜索、浮標投擲器纜索等，纜索兩端及獨立支撐鐵塔通過纜索端頭錨碇、塔基鋼筋籠與大地連通，纜索可視為避雷線，只要錨碇、塔基鋼筋籠的接地電阻不大于10Ω，無需單獨架設避雷線保護。對于兩端絕緣的傳輸信號的纜索、低壓直流輸電線等必須架設專用避雷裝置，避雷線架設在被保護的纜索上方3m，用直徑12mm的裸鋁絞線或鍍鋅鋼纜制成。避雷線應設置專用雷電流引下線與防雷地網(wǎng)可靠相連，引下線用直徑12mm的裸鋁絞線或鍍鋅鋼纜制成。地網(wǎng)接地電阻應不大于10Ω。為保證在吊箱上測驗人員的安全，吊箱有12mm的裸鋁絞線與水體導通。兩端絕緣的傳輸信號的纜索、低壓直流輸電線的防雷原理如圖2所示。

　　4通信與數(shù)據(jù)處理機房的防雷設計

　　吳堡水文站通信電臺、計算機局域網(wǎng)、PSTN有線數(shù)據(jù)遠傳設備等都設置在通信與數(shù)據(jù)處理機房，通信設備的天線安裝在樓頂。樓頂安裝獨立避雷針，通信設備天饋線應在接閃器的保護范圍內(nèi)。天線的同軸電纜宜穿金屬套管進入機房，金屬套管兩端接地。同軸電纜饋線進入機房后與通信設備連接處安裝天饋避雷器，天饋避雷器的接地端子采用截面面積25mm²的多股銅線接在機房內(nèi)的匯流排上。

　　由通信與數(shù)據(jù)處理機房外進入的信號線都穿金屬管埋地，避免感應過大的雷電流。在信號線進機房處都應加裝相應型號的信號避雷器，避雷器和電纜內(nèi)的空線對均作保護接地。信號線超過5m長度的，在其線兩端設備的端口，加裝相應的信號避雷器。PSTN有線數(shù)據(jù)遠傳設備、超聲波水位計、雨量計、電話等和監(jiān)控中心機房的計算機局域網(wǎng)絡系統(tǒng)之間加裝相應的信號避雷器。通信與數(shù)據(jù)處理機房的防雷保護如圖3所示。

　　5電源系統(tǒng)防雷設計

　　吳堡水文站的動力電源是架空線進入站院的。因為電源線架線長，易感應較強的雷電流，所以吳堡水文站電源系統(tǒng)設計為三級防雷。第一級電源防雷是在變壓器低壓輸出端安裝電源避雷器作為一級保護，設計通流容量大于50kA，此級防雷器并聯(lián)安裝。第二級電源防雷，是在進入通信與數(shù)據(jù)處理機房、操作控制室的二級配電輸入端安裝并聯(lián)電源避雷器作為二級保護，設計通流容量20kA。第三級電源防雷，是在各設備端加裝串聯(lián)避雷器作為設備的三級保護，設計通流容量10kA。吳堡水文站電源系統(tǒng)防雷原理如圖4所示。

　　6接地系統(tǒng)設計

　　在防雷工程設計中無論是防直擊雷還是防感應雷，接地系統(tǒng)都是最重要的部分。吳堡水文站的防雷接地系統(tǒng)由站院內(nèi)和測驗河段兩個子系統(tǒng)組成。站內(nèi)地網(wǎng)用9根2.5m長的50號角鋼埋設成“米”字形。站外測驗河段的地網(wǎng)用6根2.5m長的50號角鋼埋設成“一”字形。

　　（1）對接地電阻的要求從理論上講接地電阻愈小愈好。當然，現(xiàn)代防雷技術觀點認為，各設備進行等電位聯(lián)接形成“等電位孤島”，可以大大降低對接地電阻的要求。但綜合多方面因素考慮，水文站站內(nèi)的接地系統(tǒng)接地電阻不能大于4Ω，站外測驗河段的接地系統(tǒng)接地電阻不能大于10Ω。

　?。?）等電位聯(lián)接站內(nèi)通信與數(shù)據(jù)處理機房設有均壓匯流排，通信與數(shù)據(jù)處理機房內(nèi)所有設備的外殼、工作接地、防雷接地等連接在匯流排上。在機房防靜電地板的下方增設均壓等電位網(wǎng)格，鑿開機房墻柱內(nèi)鋼筋與均壓等電位網(wǎng)格相連。所有樓層的金屬吊頂要作等電位接地處理。站外測驗河段的測流纜索、浮標投擲器纜索、水位計鐵塔等，應進行等電位聯(lián)接。

　?。?）采用聯(lián)合接地共同接地系統(tǒng)是將所有與地有關的引線就近匯接于同一地網(wǎng)。采用聯(lián)合接地時要保證各種接地共地網(wǎng)而不共線，將通信與數(shù)據(jù)處理機房設備用匯流排或均壓環(huán)進行等電位聯(lián)接，用引下線接到地網(wǎng)上；將操作控制樓的設備地、防雷接地等匯接到匯流排上，再用引下線接地網(wǎng)。將建筑物基礎內(nèi)的鋼筋和機房防靜電地網(wǎng)以及接地電極聯(lián)接起來。

　?。?）垂直接地其電極采用長2.5m的50號等邊鍍鋅角鋼制成。水平接地電極和引下線采用40mmX4mm的鍍鋅扁鋼或直徑12mm的鍍鋅圓鋼制成。垂直接地電極埋深為電極頂端距地面0.7m。