防雷避雷技术在水文测验与报汛中的应用.docx

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防雷避雷技术在水文测验与报汛中的应用

防雷避雷技术在长江水文测验与报汛中的应用

水利部长江委水文局陈守荣李三琪荣新武

1概述

雷电是一种自然现象。

当产生直击雷时对自然界的破坏是巨大的，甚至会危及人的生命；当产生感应雷击时，感应雷通过各种传输线或它形成的磁场对电子仪器设备的破坏也是毁灭性的。

水文测报涉及到电力、通信、电子技术的应用，感应雷击对水文测报仪器设备的破坏渠道是多方面的，有馈线通道、信号通道、供电通道、地电位反击通道、地电流反冲通道和落雷点高位冲击通道等。

防雷避雷必须采用综合防治、整体防范、多重保护、层层设防的综合防雷体系，采用引、泄、消、防、避的方法，对水文测报设施、仪器设备的一切易受雷电影响的通道上，将雷电进行消散、疏导、或抑制掉，来保护水文测报仪器设备的安全。

为使水文测报工作不受雷电的干扰，避免或减少雷击对水文测报工作的影响，就必须加强水文测报设施设备的防雷避雷的基础建设。

长江委水文局118个中央报汛站于2005年7月1日在全国率先成功实现了自动报汛。

为保证自动报汛设备的正常运行，各报汛站、水情分中心严格按防雷避雷的技术规定，结合当地的特点，因地制宜地进行防雷避雷系统建设，重点是对直接雷、感应雷进行防避。

长江委水文局118个中央报汛站经过1年多的运行实践，仪器设备能正常运行，未发生雷击事故。

2雷击的形成及其种类

雷击对水文测验设施的破坏形式主要由直击（接）雷、感应雷（含雷电波侵入）所产生。

2.1直接雷

雷电直接击在建筑物、大地、防雷装置或其他物体上，产生电效应、热效应和机械力的雷电称为直接雷。

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。

一般防直击雷是通过架设避雷装置即接闪器（避雷针、网、线、带）、引下线构成完整的电气通路后将雷电流泄入大地。

然而接闪器、引下线和接地装置的导通，只能够保护设施本身免受直击雷的损毁。

2.2感应雷

在导体附近上产生的静电感应和电磁感应的雷击放电现象，为感应雷。

感应雷通过户外的有线传输线路（如电话线、电力线、测验设施的信号传输线等）将电磁感应侵入与之连接的仪器设备，由于感应雷的高压或高电流作用，使串联在线路中间或终端的仪器设备遭到毁坏。

感应雷虽然没有直击雷猛烈，但其发生的几率比直击雷高得多，比直接雷防范的难度也大得多。

直击雷只发生在雷云对地闪击时才会对地面造成灾害，而感应雷则不论雷云对地闪击或者雷云对雷云之间闪击，都可能发生并造成灾害。

此外直击雷一次只能袭击一个小范围的目标，而一次雷闪击所造成的感应雷则可以在较大的范围内、多个局部同时产生感应雷现象，并且这种感应高电压或高电流可以通过电力线、电话线、信号线等传输到很远，致使雷击范围扩大。

3防雷避雷系统建设

防雷避雷系统的建设可按分级（或类）保护原则进行，即根据水文测验仪器设备的电气、微电子设备的不同功能及不同受保护程度确定防雷避雷系统，即在雷电瞬间可能通过某个或多个通道上实施防雷避雷保护，确保仪器设备不致因雷击出现毁坏。

由于水文测报工作的需要，大部分水文测站地处偏远农村，多数处于雷电区域。

为保证水文测验设施、仪器设备的正常运行，就要求有相应的防雷避雷措施。

根据水文测验仪器的安装特点，则需对室外、室内的仪器设备分别进行防雷避雷保护，如在室外的仪器设备附近架设避雷针（网、线）、引下线与地网，组成防直接雷系统，防止直接雷击；对室内（如水情分中心、缆道操作室等）的仪器设备的各种通道的线路通过屏蔽与过流、过压保护，并建立独立的防雷系统，防止感应雷击。

3.1直接雷防雷系统

直接雷防雷系统包括避雷针（网、线）、引下线与地网组成。

室外的防雷避雷的措施主要有避雷针（网、线）。

关于避雷针保护角度的理论，有45度、60度、80度保护角的，我们对避雷针安装的保护角度采用的是60度。

首先是利用在避雷针（网、线）顶部形成局部电场强度畸变，以影响雷电先导放电的发展方向，引导雷电向避雷针（网、线）放电；其次是通过与避雷针连接的引下线与地网组成防雷系统，使雷电通过引下线将雷电流引入大地，从而使被保护物免受雷击。

如果对避雷针周围的建筑物的所有外露金属构件（管道）与防雷网（网、线）良好连接，共同组成防雷系统，则防雷击效果会更好。

具体要求是：

1）避雷针和被保护物（如卫星天线、雨量筒等）的安全距离不得小于3m。

2）避雷针的引下线采用钢材：

圆钢不小于Φ10mm，扁铁不小于40×4mm。

避雷针与引下线、引下线与地网的连接处应全方位牢固，其焊接长度不得小于15cm。

若建筑物有防雷网，可将避雷针的引下线同时与建筑物的防雷网搭焊接起来。

3）防直接雷击地网的接地电阻一般要求不大于4Ω。

3.2感应雷防雷系统

感应雷防雷系统包括对各种电源线、信号线的高电压、高电流进行阻断保护及引下线、地网组成。

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，使仪器设备不因遭受雷电的高压、大电流和电磁脉冲的损坏。

根据感应雷的破坏原理，我们主要是对电源线与信号线采取避雷措施。

3.2.1电源线防护

对电源线的保护,是采取三级防护，即第一级是在变压器低压输出端安装电源避雷器，设计通流容量约50kA；第二级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电源避雷器，设计通流容量20kA；第三级是在各设备端加装避雷器，设计通流容量10kA。

通过三级保护装置，其目的是逐级阻断过压电流进入下一级，达到保护仪器设备的目的。

3.2.2信号线保护

对测验信号线实施一级保护，即阻断信号进入仪器设备。

对于信息传输，应根据其信号的类别可分为粗保护和精保护。

粗保护根据所属保护区的级别确定，精保护要根据电子设备的敏感度来进行确定。

对卫星接收系统、电话系统、网络专线系统、监控系统实施精保护，对所有信息系统进入楼宇的电缆内芯线端，应对地加装避雷器，电缆中的空线对应接地，并做好屏蔽。

具体做法是：

1）阻断感应雷进入的通道，对各种电源线、信号线进行过压、过流保护。

对每组信号线之前外装信号避雷器或在仪器内部设计避雷电路或安装避雷器，当雷电波到来时，TVS瞬变抑制二极管，首先将瞬间过电压精密地控制在其额定值上，但其电流泄放量有限，如果雷电流增加，则压敏电阻启动，并泄放一定的雷电流，如果电源线两端电压继续升高，则GDT气体放电管放电，将大电流泄放到地，当泄放电流大于Polyswitch自恢复保险丝的额定值后，则Polyswitch阻值增加，将雷电断开。

Polyswitch

自恢复保险电阻

TVS瞬变抑制二极管压敏电阻GDT气体放电管

INOUT

Polyswitch自恢复保险电阻

信号避雷器电原理图

2）建立防感应雷地网。

对于强雷区，感应雷防雷系统最好另设一个保护接地网；防感应雷的地网接地极应远离防直接雷击的地网接地极，越远越好，两者间在地中的距离不应小于5m。

3）防感应雷的防雷系统接地电阻一般要求不大于10Ω，将它的引入线与室内设备的外壳及专用Modem、电话避雷器、电源避雷器与地网牢固连接。

3.3地网的布设

防雷地网建设以能将避雷针（网、线、带）或仪器设备接收到的电流通过引下线释放到大地中为目的，使在雷击发生雷电的情况下，利用大地作为接地电流回路。

接地电阻越小，对仪器设备的防雷避雷效果越好。

对地网建设的要求，主要体现在接地电阻的指标上，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，防直接雷击的接地接地电阻不能大于4Ω；防感应雷击的接地接地电阻不能大于10Ω。

3.3.1地网建设要求

在进行地网建设时，应选择合适的土质和地形，充分利用水和冲积土电阻率比较低的条件，尽量将地网布设在水或冲积土中，达到降低地网的接地电阻。

地网电阻除与接地的土质构造（即地质的电阻率）有关外，还与地网组成的面积、埋设深度有关，但与接地网的形状无关。

若所建地网的土质较差，其地网建设的规模和选用的导体钢材的截面积则需增大。

1）地网接地体宜采用热镀锌钢材,其规格要求如下:

钢管：

 直径50mm，壁厚不应小于3.5mm。

角钢：

 不应小于50mm×50mm×5mm。

扁钢 ：

不应小于40mm×4mm。

2）地网垂直接地体的长度宜为1.5－2.5m，垂直接地体间距为其自身长度的1.5－2倍。

若遇到土壤电阻率不均匀的地方，下层的土壤电阻率低,其地网的垂直长度可以适当加长。

当垂直接地体埋设有困难时，可设多根环形水平接地体，彼此间隔为1－1.5m，且应每隔3－5m相互焊接连通一次。

当接地装置由多根水平或垂直接地体组成时，为了减小相邻接地体的屏蔽作用，接地体的间距一般为5m，相应的利用系数约为0.75～0.85。

当接地装置的敷设地方受到限制时，上述距离可以根据实际情况适当减小，但一般不小于垂直接地体的长度。

3）在沿海盐碱腐蚀性较强或大地电阻率较高难以达到接地电阻要求的地区，接地体宜采用具有耐腐，保湿性能好的非金属接地体；在寒冷地区，接地体应埋设在冻土层以下。

3.3.2降低地网电阻的方法

降低地网电阻的方法还有很多，应因地制地选取，如更换土壤，加入催化剂等方法。

在确定降低高土壤电阻率地区接地电阻的具体措施时，应根据当地原有运行经验、气候状况、地形地貌的特点和土壤电阻率的高低等条件进行全面、综合分析，通过技术经济比较来确定，因地制宜地选择合理的方法。

结合工作实践，常用的有以下几种方法：

1）更换土壤：

将电阻率较低的土壤（如：

粘土、黑土及砂质粘土等）替换原有电阻率较高的土壤，置换范围在接地体周围0.5m以内和接地体的1/3处；

2）加入催化剂：

在接地体周围土壤中加入化学物，如食盐、木炭、炉灰、氮肥渣、电石渣、石灰等，提高接地体周围土壤的导电性。

3）深埋接地极：

当地下深处的土壤或水的电阻率较低时，可采取深埋接地极来降低接地电阻值，这种方法对含砂土壤最有效果。

4）多支外引式接地装置：

如接地装置附近有导电良好及不冻的河流湖泊，可采用此法，但外引式接地极长度不宜超过100m。

3.3.3接地电阻的测量

影响接地电阻的因素很多：

接地桩的大小（长度、粗细）、形状、数量、埋设深度、周围地理环境（如平地、沟渠、坡地是不同的）、土壤湿度、质地等等。

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。

目前，接地电阻的测量方法很多，我局常用的是接地电阻测量仪器（如ZC-8型）。

具体测量方法是：

在被测地线接地桩（暂称为Ｘ）一侧地上打入两根辅助测试桩，要求这两根测试桩位于被测地桩的同一侧，三者基本在一条直线上，距被测地桩较近的一根辅助测试桩（称为Ｙ）距离被测地桩２０m左右，距被测地桩较远的一根辅助测试桩（称为Ｚ）距离被测地桩４０m左右。

测试时，按要求的转速转动摇把，测试仪通过内部磁电机产生电能，在被测地桩Ｘ和较远的辅助测试桩（称为Ｚ）之间“灌入”电流，此时在被测地桩Ｘ和辅助地桩Ｙ之间可获得一电压，仪表通过测量该电流和电压值，即可计算出被测接地桩的地阻。

4防雷避雷系统在测报工作的应用

水文测验涉及到水位、雨量、蒸发、气象观测，流量、泥沙测验；报汛主要是水位、雨量、流量报汛。

水文测验的时机可选择合适的天气及气象条件进行，而报汛是在规定的时间内进行，在时间上没有选择的余地，因而报汛设备的防雷避雷尤其重要。

4.1水文缆道设施防雷避雷

水文缆道是水文站进行流量、泥沙测验的基本载体。

由于水文缆道架设地野处，加之缆道的主索、工作索等均是钢材，属导电体，易受雷击。

为不影响水文测验，必须对缆道进行防雷避雷设施建设。

缆道直击雷的防护主要是靠避雷针、线、网等接雷闪器把雷电引泻入大地，保护水文缆道测验仪器设备的安全。

水文缆道的主索、工作索和钢支架系导体，可作为接闪器看待，采用引下线与地网连接，组成防雷避雷系统。

由于水文缆道的流量、泥沙测验的信号是靠工作索来进行传输的，特别容易将雷电引入室内，造成设备和人员的损害。

因而在雷击较多的地方不采取直接接入避雷地网，而是采取避雷针（或线）组成的防直击雷的避雷系统。

图4.1缆道防击接雷示意图

水文缆道跨度较小，可采用避雷针防雷；跨度较大时，避雷针则无法兼顾整个跨度缆道，采取避雷线的方式避雷。

在缆道主杆上端架设一个高3m以上的避雷塔，然后在避雷塔安装避雷线，使避雷线、钢支架用扁钢与地网连接（见上图）。

要求避雷线采用截面积不小于35mm2的镀锌钢绞线；引下线优先采用直径不小于8mm的圆钢，地网电阻不大于4Ω。

缆道感应雷的防护主要是依靠电源防雷，信号防雷，合理的地网铺设等措施可减少或杜绝感应雷的影响。

长江委水文局上游局的高场、屏山水文站，荆江局的沙道观、藕池水文站，中游局的仙桃、官垸、崇阳水文站，汉江局的北河水文站均采用在左右岸钢支架上端架设一个高3～5m的避雷塔，安装避雷线，并与地网连接，防雷避雷效果明显。

4.2水位、雨量仪器防雷避雷

水位、雨量观测仪器安装在野外，根据自动报汛的要求，水位、雨量仪器应有自动采集观测数据并自动储存、自动将数据发送的功能。

为保证水位雨量仪器的正常运行，其防雷措施必不可少。

采用防雷针、引下线、地网的防雷系统来防止水位、雨量仪器直接雷击。

由于水位、雨量观测在野外进行，其观测的设备——雨量筒、卫星天线、太阳能板都安装在自记井顶部（自记井顶部最大直径不超过2m）,因此，避雷针也只能安装在自记井顶部。

假如卫星天线的高度为1.0m，当避雷针高度则为2.7m时，可将天线置于以避雷针为圆心、半径约3m的有效保护范围内（避雷针的保护角度按60°算，避雷针最好安装在海事卫星天线的东北方向，因西南方向为卫星登陆方向）。

按规范：

避雷针和被保护物体的安全距离不得小于3米。

由于大部分测站的卫星天线和雨量筒都安装在自记井顶上，这一距离可能无法满足，只能尽量保持最大距离。

感应雷击的防护主要是在供电系统与传输信号线路上防堵或疏导。

为避免电源线将感应雷传入仪器，我们采用太阳能电池浮充供电。

水位、雨量信息传输的信号线采用屏蔽线，将信号线通过PVC套管从地下引入报汛站，报汛站通过PSTN或网络将水位、雨量信息传送至水情分中心，报汛站还可通过备用信道——海事卫星（或北斗卫星）直接将水位、雨量信息发送至水情分中心。

报汛站的水位、雨量信息采集、太阳能电池、避雷针的安装示意图如图4.2-1，地网布设见图4.2-2。

图4.2-1水位雨量仪器安装避雷针的布设图图4.2-2地网布设现场图

4.3水情分中心防雷系统

水情分中心在报汛自动化实施过程中起承上启下的作用，即接收报汛站的水位、雨量、流量信息，并通过校核、整理无误后，将水情向流域水情中心发送。

水情分中心有卫星接收天线，也有PSTN，也有网络线路，少数分中心可能还有超短波接收机，为保证水情分中心的正常工作，水情分中心的防雷避雷设施建设必不可少。

避雷针、引下线、地网及室内电源线、水雨情信息传输线的屏蔽、静电处理等设施建设均应严格按防雷击要求进行；对室内的各种仪器设备实行等电位连接，即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；室内通信与数据处理机房设均压汇流排，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。

水情分中心一般都建设在大、中城市。

地理、地质条件都给地网的布设增加了困难，但避雷针的安装严格按照60度保护角的要求安排避雷针与卫星天线、太阳能板的距离。

图4.3-1为分中心避雷针的安装情况；图4.3-2、图4.3-3为水情分中心防直接雷地网布设图片与防感应雷地网布设图片。

图7.2.2.1为分中心避雷针的安装

图4.3-2水情分中心防直击雷地网布设图片

图4.3-3水情分中心防感应雷地网布设图片

长江委水文局在118个中央报汛站、缆道测验站均按防雷避雷要求，因地制宜建立了防雷避雷系统，在防直接雷、感应雷方面取得了较好的避雷效果,到目前为止还未发生雷击事故。

由于雷电问题的复杂性，加上水文测验所处的地理环境的特独性，我们还要不断地加强防雷措施的摸索，保护水文测报设施及仪器设备的安全。

参考文献

1．《筑物防雷设计规范》GB50057-94

2．《移动通信基站防雷与接地设计规范》YD5068-98

3.《水文自动测报系统规范》SL61-94

4.曾永林编《接地技术》，1979年