吴堡水文站防雷方案设计

　　1引言

　　吴堡水文站是黄河中游北干流上最重要的水文控制站，也是国家级水文站。吴堡水文站有跨河测流缆道、跨河低压直流输电缆索、独立铁塔式自记水位计、卫星通信设备、超短波通信设备、PSTN有线数据传输设备、计算机局域网、半自动化的吊箱和铅鱼式测验控制设备等。雷电暴雨发生之时，正是水文测报繁忙之时。由于吴堡水文站水文测验设施种类多，设施分散，接引雷电和感应二次雷的概率高，防雷工程难度较大，因此它的防雷必须作为一项系统工程来考虑，包括三方面的内容：防直击雷、防感应雷、接地系统。

　　2雷电的产生及特性

　　当积雨云高度较低，密度较大，云内对流旺盛时，由于水滴的对流、碰撞产生大量电荷，正负电荷在云内不同部位聚集，形成极高场强的电场。云与云之间，云与大地之间，强电场在大气中的放电现象便产生雷电。典型的雷击持续时间大约几十到几百微秒，一般雷电流大约几十千安，个别到几百千安。

　　带电云层与云层之间或云层与大地上某尖端之间发生的迅猛放电现象，称为直击雷。直击雷的危害主要在于高电流、热效应和机械力的破坏作用。雷电直接击中建筑物、通信设备、通信电缆和操作人员，可能会造成建筑损毁、设备损坏、人身伤亡以及电气短路引起的火灾等严重后果。在雷云形成和放电过程中通过静电感应、电磁感应等途径，在雷电危害区域内，对电气设备和人身产生的危害，尤其是对通信设备产生的电磁干扰危害称为感应雷。其危害特点是会产生很高的危险过电压。有研究表明直击雷可在其周围超过1000m范围的半导体上感应出危险电压，因此遭受感应雷的概率远大于直击雷的概率。

　　直击雷的防护主要是靠避雷针、避雷线、避雷带等接闪器把雷电引泻人地来保护建筑物和设备的。感应雷的防护主要是通过屏蔽、等电位联接等技术保护仪器、设备，使之不因遭受过压、过流和电磁脉冲损坏。

　　3吴堡水文站防雷设计

　　吴堡水文站需要防雷的设施有铁塔式水位计、电源系统、跨河低压直流输电缆索、跨河测流缆索、通信设备天馈线系统以及站内的电子设备等，包括防直击雷和防感应雷。

　　3.1水文站防雷设计参考依据

　　（1）《建筑物防雷设计规范》（GB50057-94）。

　　（2）《电子计算机房设计规范》（GB50174-93）。

　　（3）《通信局（站）雷电过电压保护工程设计规范》（YD／T5098-2001）。

　　（4）《电子设备雷击导则》（GB7450-87）。

　　（5）《雷电电磁脉冲的防护》（1ECl312-1-3）。

　　3.2铁塔式自记水位计的防雷与接地设计

　　铁塔式自记水位计建在空旷的河流边沿，可以看成独立支撑的铁塔，其防雷方案是：在塔顶部安装防直击雷避雷针，避雷针高度按滚球法计算，目的是要使自记水位计的探头、天线、前端机和太阳能电池板在其有效的保护范围以内。采用塔基灌注桩内的钢筋笼作接地电极，接地电阻应不大于10Ω。铁塔本身与防雷地网应两点以上焊接连通，以确保多点泄放雷电流。自记水位计的探头、天线、前端机和太阳能电池板安装相应的避雷器。

　　3.3架空缆索的防雷与接地设计

　　吴堡水文站有测流缆索、测流副缆（兼作信号传输缆索）、取沙缆索、浮标投掷器缆索、低压直流输电线等。对于测流缆索、取沙缆索、浮标投掷器缆索等，缆索两端及独立支撑铁塔通过缆索端头锚碇、塔基钢筋笼与大地连通，缆索可视为避雷线，只要锚碇、塔基钢筋笼的接地电阻不大于10Ω，无需单独架设避雷线保护。对于两端绝缘的传输信号的缆索、低压直流输电线等必须架设专用避雷装置，避雷线架设在被保护的缆索上方3m，用直径12mm的裸铝绞线或镀锌钢缆制成。避雷线应设置专用雷电流引下线与防雷地网可靠相连，引下线用直径12mm的裸铝绞线或镀锌钢缆制成。地网接地电阻应不大于10Ω。为保证在吊箱上测验人员的安全，吊箱有12mm的裸铝绞线与水体导通。两端绝缘的传输信号的缆索、低压直流输电线的防雷原理如图2所示。

　　4通信与数据处理机房的防雷设计

　　吴堡水文站通信电台、计算机局域网、PSTN有线数据远传设备等都设置在通信与数据处理机房，通信设备的天线安装在楼顶。楼顶安装独立避雷针，通信设备天馈线应在接闪器的保护范围内。天线的同轴电缆宜穿金属套管进入机房，金属套管两端接地。同轴电缆馈线进入机房后与通信设备连接处安装天馈避雷器，天馈避雷器的接地端子采用截面面积25mm²的多股铜线接在机房内的汇流排上。

　　由通信与数据处理机房外进入的信号线都穿金属管埋地，避免感应过大的雷电流。在信号线进机房处都应加装相应型号的信号避雷器，避雷器和电缆内的空线对均作保护接地。信号线超过5m长度的，在其线两端设备的端口，加装相应的信号避雷器。PSTN有线数据远传设备、超声波水位计、雨量计、电话等和监控中心机房的计算机局域网络系统之间加装相应的信号避雷器。通信与数据处理机房的防雷保护如图3所示。

　　5电源系统防雷设计

　　吴堡水文站的动力电源是架空线进入站院的。因为电源线架线长，易感应较强的雷电流，所以吴堡水文站电源系统设计为三级防雷。第一级电源防雷是在变压器低压输出端安装电源避雷器作为一级保护，设计通流容量大于50kA，此级防雷器并联安装。第二级电源防雷，是在进入通信与数据处理机房、操作控制室的二级配电输入端安装并联电源避雷器作为二级保护，设计通流容量20kA。第三级电源防雷，是在各设备端加装串联避雷器作为设备的三级保护，设计通流容量10kA。吴堡水文站电源系统防雷原理如图4所示。

　　6接地系统设计

　　在防雷工程设计中无论是防直击雷还是防感应雷，接地系统都是最重要的部分。吴堡水文站的防雷接地系统由站院内和测验河段两个子系统组成。站内地网用9根2.5m长的50号角钢埋设成“米”字形。站外测验河段的地网用6根2.5m长的50号角钢埋设成“一”字形。

　　（1）对接地电阻的要求从理论上讲接地电阻愈小愈好。当然，现代防雷技术观点认为，各设备进行等电位联接形成“等电位孤岛”，可以大大降低对接地电阻的要求。但综合多方面因素考虑，水文站站内的接地系统接地电阻不能大于4Ω，站外测验河段的接地系统接地电阻不能大于10Ω。

　　（2）等电位联接站内通信与数据处理机房设有均压汇流排，通信与数据处理机房内所有设备的外壳、工作接地、防雷接地等连接在汇流排上。在机房防静电地板的下方增设均压等电位网格，凿开机房墙柱内钢筋与均压等电位网格相连。所有楼层的金属吊顶要作等电位接地处理。站外测验河段的测流缆索、浮标投掷器缆索、水位计铁塔等，应进行等电位联接。

　　（3）采用联合接地共同接地系统是将所有与地有关的引线就近汇接于同一地网。采用联合接地时要保证各种接地共地网而不共线，将通信与数据处理机房设备用汇流排或均压环进行等电位联接，用引下线接到地网上；将操作控制楼的设备地、防雷接地等汇接到汇流排上，再用引下线接地网。将建筑物基础内的钢筋和机房防静电地网以及接地电极联接起来。

　　（4）垂直接地其电极采用长2.5m的50号等边镀锌角钢制成。水平接地电极和引下线采用40mmX4mm的镀锌扁钢或直径12mm的镀锌圆钢制成。垂直接地电极埋深为电极顶端距地面0.7m。