吳堡水文站防雷方案設(shè)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(dú)立鐵塔式自記水位計、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、計算機(jī)局域網(wǎng)、半自動化的吊箱和鉛魚式測驗控制設(shè)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(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系統(tǒng)工程來考慮，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)對流旺盛時，由于水滴的對流、碰撞產(chǎn)生大量電荷，正負(fù)電荷在云內(nèi)不同部位聚集，形成極高場強(qiáng)的電場。云與云之間，云與大地之間，強(qiáng)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(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程中通過靜電感應(yīng)、電磁感應(yīng)等途徑，在雷電危害區(qū)域內(nèi)，對電氣設(shè)備和人身產(chǎn)生的危害，尤其是對通信設(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(dǎo)體上感應(yīng)出危險電壓，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保護(hù)建筑物和設(shè)備的。感應(yīng)雷的防護(hù)主要是通過屏蔽、等電位聯(lián)接等技術(shù)保護(hù)儀器、設(shè)備，使之不因遭受過壓、過流和電磁脈沖損壞。

　　3吳堡水文站防雷設(shè)計

　　吳堡水文站需要防雷的設(shè)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(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)計參考依據(jù)

　　（1）《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》（GB50057-94）。

　?。?）《電子計算機(jī)房設(shè)計規(guī)范》（GB50174-93）。

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

　?。?）《電子設(shè)備雷擊導(dǎo)則》（GB7450-87）。

　?。?）《雷電電磁脈沖的防護(hù)》（1ECl312-1-3）。

　　3.2鐵塔式自記水位計的防雷與接地設(shè)計

　　鐵塔式自記水位計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算，目的是要使自記水位計的探頭、天線、前端機(jī)和太陽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。自記水位計的探頭、天線、前端機(jī)和太陽能電池板安裝相應(yīng)的避雷器。

　　3.3架空纜索的防雷與接地設(shè)計

　　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(biāo)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(biāo)投擲器纜索等，纜索兩端及獨(dú)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(dú)架設(shè)避雷線保護(hù)。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(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。為保證在吊箱上測驗人員的安全，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

　　吳堡水文站通信電臺、計算機(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)房內(nèi)的匯流排上。

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

　　吳堡水文站的動力電源是架空線進(jìn)入站院的。因為電源線架線長，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(hù)，設(shè)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(jìn)入通信與數(shù)據(jù)處理機(jī)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(hù)，設(shè)計通流容量20kA。第三級電源防雷，是在各設(shè)備端加裝串聯(lián)避雷器作為設(shè)備的三級保護(hù)，設(shè)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(shè)計

　　在防雷工程設(shè)計中無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(shè)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(shè)成“一”字形。

　?。?）對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。

　　（2）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)房內(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。站外測驗河段的測流纜索、浮標(biāo)投擲器纜索、水位計鐵塔等，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。

　?。?）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。