陈小健

(宁波市水文站,浙江 宁波 315016)

1 问题的提出

1752年美国科学家富兰克林成功引雷并发明避雷针至今,人类对雷击研究和探索取得了重大的突破。随着社会的进步,科学的发展,水文观测已经从人工测报过度到数字化、智能化,而水文测报设施的防雷问题尤为突出。在造成经济损失的同时,也给防汛防台决策带来重大的隐患。

2 水文观测设施的防雷现状

分析水文观测设施的防雷现状,主要存在以下的几个问题。

2.1 水文观测设施的使用环境容易受到雷击

水文观测设施许多都是建在山顶或空旷地带,如超短波中继站建在相对较高的山头上,水文缆道建立相对在空旷的河流上等。

2.2 水文观测设施没有强制的防雷规范

目前水文缆道的防雷设计执行的是《建筑防雷设计规范》(GBJ 57—83)。电力装置过电压保护设计执行的是 《工业与民用电力装置的过电压保护设计规范》(GBJ 64—83)。电力装置接地设计应执行《工业与民用电力装置的接地设计规范》(GBJ 65—82)。而国家颁布的超短波 《水文自动测报系统通信电路设计规定》(SL l99—97)文件中对其他问题都有了相应的规定,但没有对防雷作出相应的要求。

2.3 防雷意识不强

整体防雷意识不强,目前很大一部分人认为做不做防雷系统没关系,做了也不一定有用,不做也能过,最多坏了换套设备。这种思想直接导致了许多需要建设防雷系统的水文观测设施,要么没有做防雷系统,要么防雷系统没有按照相关的标准建设。随意找个铁器接上就算防雷,有的在天馈线上接1个浪涌保护器,但浪涌保护器没有接地就算是防雷。

2.4 防雷设备建设不标准,后期维护不到位

防雷接地工程只有经过专业的设计,按照设计的要求施工,才能达到理想的防雷水平。目前已有的水文观测设施的防雷系统,除卫星传输系统等少数经过专业部门的设计外,大多数没有专业部门的设计。而施工中所使用的材料、施工的方法、地网建设的大小、接地组件的阻值以及建设后期的维护不到位都是防雷不理想的原因。

3 水文观测设施的防雷对策

好的防雷对策就是在加强防雷意识的同时按照相关的规范设计建设,下面先要了解雷击的基本原理及防雷系统的建设。

3.1 雷击的基本原理

雷击就是当某处积累的电荷密度很大,激发的电场强度达到空气游离状态(空气击穿)的临界值时,雷云便开始向下梯级式放电,接近地面物体达到一定的距离时,地面物体在强电场作用下产生尖端放电,形成向雷云方向逐渐向上先导放电,二者汇合形成雷电通路,异种电荷剧烈中和形成很大的雷电流并发出强烈的闪电和雷击。雷击通常可分为2种形式:一种是直击雷,另一种为感应雷。通常设备被雷击都是感应雷引起的。

3.2 防雷接地系统

防雷接地不是单一的一项工程,而是一个整体的系统。包括避雷针、接地线、浪涌保护器(水文遥测中主要是超短波天线的同轴电缆浪涌保护器)、接地地网等。

3.2.1 避雷针

避雷针 (又称为接闪器)的防雷作用主要是把闪电从保护物上方引向自己并安全地通过自己泄入大地,因此,避雷针的引雷性能和泄流性能是至关重要的。

3.2.1.1 避雷针的保护范围

当避雷针的高度h≤hr时 ,距地面 hr处作1条平行于地面的平行线,以避雷针的针尖为圆心,hr为半径画弧,交水平线于A、B两点,又分别以A、B两点为圆心,hr为半径,从针尖向地面画弧。如图1所示,则图中曲线就是避雷针保护范围的边界,保护范围是1个对称的锥体。hr的取值:一类防雷建筑物为30m;二类防雷建筑物为45m;三类防雷建筑物为60m。

3.2.1.2 避雷针的制作与安装

避雷针的所有金属部件必须镀锌,主要是为了防止金属部件的腐蚀,保证金属部件的电器性。采用镀锌钢管管制作针尖,管壁厚度不得小于3mm,针尖刷锡长度不得小于70 mm。避雷针应垂直安装牢固。垂直度允许偏差为3/1 000。焊接时应采用搭接焊,其搭接长度是:扁钢为其宽度的2倍(且至少3个棱边焊接);圆钢为其直径的6倍;圆钢与扁钢连接时,其长度为圆钢直径的6倍。遥测系统天线一般都是架设在屋面上,屋面上的避雷针采用直径不小于25mm镀锌钢管。

图1 避雷针的保护范围示意图

3.2.2 天馈线浪涌保护器

天馈线浪涌保护器主要用于各类信号线路侵入设备的雷电 (过电压)防护,它的特点是通流容量大,采用多级保护内置快速半导体保护器件,响应速度快,残压低。插入损耗低,确保线路通畅。

3.2.3 地网接地系统

地网接地是防雷系统的核心部分,当避雷针成功引雷后,所有电流要经地网接地系统流入大地。如有几个独立的地网,为防止雷击时反击到其它接地系统,各独立地网相互间距离应大于15m。这样做的目的是为了避免出现雷电流时,经防雷接地点流入大地后各接地系统地线之间相互干扰和反击。

3.2.3.1 接地材料

接地材料以金属为主,型式很多,要根据施工现场情况选用适当之型式。主要有:接地棒、铜管、铜包钢、铜带、铜板、单股铜线、热镀锌角钢、热镀锌扁钢等。

3.2.3.2 接地极接地电阻之计算公式

不同的材质其接地电阻的计算方式不同,下面列举不同类型接地极接地电阻计算公式 [参见 《工业与民用电力装置的接地设计规范(GBJ 65—82)].,供设计人员作参考:

(1)单极式。以铜棒或铜管接地极单根打入或直埋,其公式为:

式中:R为单根接地棒或铜管之接地电阻值 (Ω);L为接地棒或铜管长度 (cm);ρ为大地电阻率(Ω-cm);r为接地棒或铜管外围半径(cm)。接地棒可以是铜棒、铜包钢棒或不锈钢棒等,铜管则为适当厚度铜管。

(2)多极直线并联式。其公式为:

式中:R为多极直线接地棒或铜管接地电阻值 (Ω);L为接地棒或铜管长度(cm);ρ为大地电阻率 (Ω-cm);n为接地棒或铜管数量;S为接地棒或铜管间隔(cm);r为接地棒或铜管外围半径(cm)。

(3)多极环状并联式。其公式为:

式中:R为多极环状接地棒或铜管之接地电阻值(Ω);D为环状圆半径(cm);L为接地棒或铜管长度(cm);ρ为大地电阻率(Ω-cm);n为接地棒或铜管数量;r为接地棒或铜管外围半径(cm)。

(4)裸铜线之接地电阻计算。其公式为:

式中:R为裸铜线接地电阻(Ω);ρ为大地电阻率(Ω-cm);L为埋入铜线长度(cm);r为埋入铜线半径(cm);d为铜线埋设深度(cm)。

(5)铜带(紫铜,立埋)接地电阻计算。其公式为:

式中:R为铜带接地电阻 (Ω);ρ为大地电阻率 (Ω-cm);L为铜带埋设长度(cm);r为铜带等效半径。

3.2.3.3 土壤的电阻系数

不同土壤的电阻系数区别很大。随着季节的变化,土壤的电阻也在不断变化。表1为土壤的电阻系数对照表。

表1 土壤的电阻系数对照表

3.2.3.4 接地电阻的测量方法

为了保证设备的良好接地,利用仪表对接地电阻进行测量是必不可少的。接地电阻的测量方法有很多种,手摇式地阻表测量是一种测量精度较高,适用于单点接地和多点接地系统方法。需要注意的是测试时,先将接地极与设备断开,以避免设备自身接地体影响测量的准确性。

3.2.3.5 降阻剂

防雷接地电阻值一般要求在10Ω以下。弱电接地电阻值要求在4Ω以下。在一些特殊的地区 (如山区,场地面积较小等)要达到要求,常常使用降阻剂来降低阻值,同时还能降低地网建设的面积。日前市面上的降阻剂多种多样。有固体石墨、离子,液态等。使用时可以根据施工现场的情况选用不同的降阻剂。

3.2.3.6 地网接地施工中的防腐蚀

在地网接材料的选用是,一般采用铜、热镀锌材料。这些材料不但有良好的导电性,而且防腐蚀性相对较强。施工中最简单的防腐蚀措施就是对焊接部分清理干净后加防锈漆,再采用混凝土包封焊接点的方法来加强对焊接头的保护。

3.2.3.7 接地地网的连接线

接地地网的连接线要根据接地功能不同,选用不同的连接线。一般采用单股铜线作为连接线。最小不小于5mm。大型的防雷接地中常采用35～75mm2的单股铜线作为接地的连接线。

3.3 站房的防雷

站房的防雷应根据 《建筑物防雷设计规范》 (GB 50057—94)来建设。新建站房可以将房子的内部钢筋全部连接,形成法拉第笼。不过这种方法不适用于GPRS站房。因为这样的站房里手机信号将会很差。

4 结 语

随着水文观测设施的自动化越来越高,种类贵重设备越来越多,防雷越来越重要。要充分认识防雷的重要性,根据当地的实际情况,不断调查研究,总结经验,从现实出发,设计出适合自身特点的防雷接地系统,保证水文观测设施的安全。