吳堡水文站防雷方案設(shè)計(jì)

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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(guó)家級(jí)水文站。吳堡水文站有跨河測(cè)流纜道、跨河低壓直流輸電纜索、獨(dú)立鐵塔式自記水位計(jì)、衛(wèi)星通信設(shè)備、超短波通信設(shè)備、PSTN有線數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備、計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)、半自動(dòng)化的吊箱和鉛魚(yú)式測(cè)驗(yàn)控制設(shè)備等。雷電暴雨發(fā)生之時(shí)，正是水文測(cè)報(bào)繁忙之時(shí)。由于吳堡水文站水文測(cè)驗(yàn)設(shè)施種類多，設(shè)施分散，接引雷電和感應(yīng)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(xiàng)系統(tǒng)工程來(lái)考慮，包括三方面的內(nèi)容：防直擊雷、防感應(yīng)雷、接地系統(tǒng)。

　　2雷電的產(chǎn)生及特性

　　當(dāng)積雨云高度較低，密度較大，云內(nèi)對(duì)流旺盛時(shí)，由于水滴的對(duì)流、碰撞產(chǎn)生大量電荷，正負(fù)電荷在云內(nèi)不同部位聚集，形成極高場(chǎng)強(qiáng)的電場(chǎng)。云與云之間，云與大地之間，強(qiáng)電場(chǎng)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(shí)間大約幾十到幾百微秒，一般雷電流大約幾十千安，個(gè)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(yīng)和機(jī)械力的破壞作用。雷電直接擊中建筑物、通信設(shè)備、通信電纜和操作人員，可能會(huì)造成建筑損毀、設(shè)備損壞、人身傷亡以及電氣短路引起的火災(zāi)等嚴(yán)重后果。在雷云形成和放電過(guò)程中通過(guò)靜電感應(yīng)、電磁感應(yīng)等途徑，在雷電危害區(qū)域內(nèi)，對(duì)電氣設(shè)備和人身產(chǎn)生的危害，尤其是對(duì)通信設(shè)備產(chǎn)生的電磁干擾危害稱為感應(yīng)雷。其危害特點(diǎn)是會(huì)產(chǎn)生很高的危險(xiǎn)過(guò)電壓。有研究表明直擊雷可在其周圍超過(guò)1000m范圍的半導(dǎo)體上感應(yīng)出危險(xiǎn)電壓，因此遭受感應(yīng)雷的概率遠(yuǎn)大于直擊雷的概率。

　　直擊雷的防護(hù)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(lái)保護(hù)建筑物和設(shè)備的。感應(yīng)雷的防護(hù)主要是通過(guò)屏蔽、等電位聯(lián)接等技術(shù)保護(hù)儀器、設(shè)備，使之不因遭受過(guò)壓、過(guò)流和電磁脈沖損壞。

　　3吳堡水文站防雷設(shè)計(jì)

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

　　3.1水文站防雷設(shè)計(jì)參考依據(jù)

　?。?）《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50057-94）。

　?。?）《電子計(jì)算機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50174-93）。

　　（3）《通信局（站）雷電過(guò)電壓保護(hù)工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（YD／T5098-2001）。

　　（4）《電子設(shè)備雷擊導(dǎo)則》（GB7450-87）。

　　（5）《雷電電磁脈沖的防護(hù)》（1ECl312-1-3）。

　　3.2鐵塔式自記水位計(jì)的防雷與接地設(shè)計(jì)

　　鐵塔式自記水位計(jì)建在空曠的河流邊沿，可以看成獨(dú)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(jì)算，目的是要使自記水位計(jì)的探頭、天線、前端機(jī)和太陽(yáng)能電池板在其有效的保護(hù)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(yīng)不大于10Ω。鐵塔本身與防雷地網(wǎng)應(yīng)兩點(diǎn)以上焊接連通，以確保多點(diǎn)泄放雷電流。自記水位計(jì)的探頭、天線、前端機(jī)和太陽(yáng)能電池板安裝相應(yīng)的避雷器。

　　3.3架空纜索的防雷與接地設(shè)計(jì)

　　吳堡水文站有測(cè)流纜索、測(cè)流副纜（兼作信號(hào)傳輸纜索）、取沙纜索、浮標(biāo)投擲器纜索、低壓直流輸電線等。對(duì)于測(cè)流纜索、取沙纜索、浮標(biāo)投擲器纜索等，纜索兩端及獨(dú)立支撐鐵塔通過(guò)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(wú)需單獨(dú)架設(shè)避雷線保護(hù)。對(duì)于兩端絕緣的傳輸信號(hào)的纜索、低壓直流輸電線等必須架設(shè)專用避雷裝置，避雷線架設(shè)在被保護(hù)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(yīng)設(shè)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(yīng)不大于10Ω。為保證在吊箱上測(cè)驗(yàn)人員的安全，吊箱有12mm的裸鋁絞線與水體導(dǎo)通。兩端絕緣的傳輸信號(hào)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(jī)房的防雷設(shè)計(jì)

　　吳堡水文站通信電臺(tái)、計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)、PSTN有線數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳設(shè)備等都設(shè)置在通信與數(shù)據(jù)處理機(jī)房，通信設(shè)備的天線安裝在樓頂。樓頂安裝獨(dú)立避雷針，通信設(shè)備天饋線應(yīng)在接閃器的保護(hù)范圍內(nèi)。天線的同軸電纜宜穿金屬套管進(jìn)入機(jī)房，金屬套管兩端接地。同軸電纜饋線進(jìn)入機(jī)房后與通信設(shè)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(jī)房?jī)?nèi)的匯流排上。

　　由通信與數(shù)據(jù)處理機(jī)房外進(jìn)入的信號(hào)線都穿金屬管埋地，避免感應(yīng)過(guò)大的雷電流。在信號(hào)線進(jìn)機(jī)房處都應(yīng)加裝相應(yīng)型號(hào)的信號(hào)避雷器，避雷器和電纜內(nèi)的空線對(duì)均作保護(hù)接地。信號(hào)線超過(guò)5m長(zhǎng)度的，在其線兩端設(shè)備的端口，加裝相應(yīng)的信號(hào)避雷器。PSTN有線數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳設(shè)備、超聲波水位計(jì)、雨量計(jì)、電話等和監(jiān)控中心機(jī)房的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)之間加裝相應(yīng)的信號(hào)避雷器。通信與數(shù)據(jù)處理機(jī)房的防雷保護(hù)如圖3所示。

　　5電源系統(tǒng)防雷設(shè)計(jì)

　　吳堡水文站的動(dòng)力電源是架空線進(jìn)入站院的。因?yàn)殡娫淳€架線長(zhǎng)，易感應(yīng)較強(qiáng)的雷電流，所以吳堡水文站電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)為三級(jí)防雷。第一級(jí)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(jí)保護(hù)，設(shè)計(jì)通流容量大于50kA，此級(jí)防雷器并聯(lián)安裝。第二級(jí)電源防雷，是在進(jìn)入通信與數(shù)據(jù)處理機(jī)房、操作控制室的二級(jí)配電輸入端安裝并聯(lián)電源避雷器作為二級(jí)保護(hù)，設(shè)計(jì)通流容量20kA。第三級(jí)電源防雷，是在各設(shè)備端加裝串聯(lián)避雷器作為設(shè)備的三級(jí)保護(hù)，設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)

　　在防雷工程設(shè)計(jì)中無(wú)論是防直擊雷還是防感應(yīng)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(cè)驗(yàn)河段兩個(gè)子系統(tǒng)組成。站內(nèi)地網(wǎng)用9根2.5m長(zhǎng)的50號(hào)角鋼埋設(shè)成“米”字形。站外測(cè)驗(yàn)河段的地網(wǎng)用6根2.5m長(zhǎng)的50號(hào)角鋼埋設(shè)成“一”字形。

　?。?）對(duì)接地電阻的要求從理論上講接地電阻愈小愈好。當(dāng)然，現(xiàn)代防雷技術(shù)觀點(diǎn)認(rèn)為，各設(shè)備進(jìn)行等電位聯(lián)接形成“等電位孤島”，可以大大降低對(duì)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(cè)驗(yàn)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(jī)房設(shè)有均壓匯流排，通信與數(shù)據(jù)處理機(jī)房?jī)?nèi)所有設(shè)備的外殼、工作接地、防雷接地等連接在匯流排上。在機(jī)房防靜電地板的下方增設(shè)均壓等電位網(wǎng)格，鑿開(kāi)機(jī)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(cè)驗(yàn)河段的測(cè)流纜索、浮標(biāo)投擲器纜索、水位計(jì)鐵塔等，應(yīng)進(jìn)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(guān)的引線就近匯接于同一地網(wǎng)。采用聯(lián)合接地時(shí)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(jī)房設(shè)備用匯流排或均壓環(huán)進(jìn)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(shè)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(chǔ)內(nèi)的鋼筋和機(jī)房防靜電地網(wǎng)以及接地電極聯(lián)接起來(lái)。

　?。?）垂直接地其電極采用長(zhǎng)2.5m的50號(hào)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。