田有成，陳 超

(長(zhǎng)江中游水文水資源勘測(cè)局，武漢 430010)

水文纜道站防雷電波研究與實(shí)踐

田有成，陳 超

(長(zhǎng)江中游水文水資源勘測(cè)局，武漢 430010)

雷電波對(duì)水文纜道測(cè)站構(gòu)成重大安生隱患，以雙指數(shù)函數(shù)模型分析了雷電波的特性與參數(shù)，并根據(jù)測(cè)站的實(shí)際情況分析了雷電波可能侵入的途徑，對(duì)每種侵入途徑從技術(shù)與工程規(guī)范層面上采取了針對(duì)性的防范措施。

水文纜道；雷電波；接地技術(shù)

0 引 言

隨著水利信息化建設(shè)步伐的加快實(shí)施，目前長(zhǎng)江中下游地區(qū)長(zhǎng)江干流及中小支流都建有水文纜道測(cè)站，為長(zhǎng)江防汛及地方水利建設(shè)提供水情信息。特別是近幾年來(lái)，纜道站的自動(dòng)化程度不斷攀高，智能測(cè)流系統(tǒng)、無(wú)線水位和雨量測(cè)報(bào)系統(tǒng)等多種弱電系統(tǒng)的電子設(shè)備都安裝在纜道控制室的操作臺(tái)機(jī)柜中，它們極易受強(qiáng)電磁波的干攏而無(wú)法正常工作，甚至造成設(shè)備損壞。從纜道測(cè)站的防雷現(xiàn)狀來(lái)看，對(duì)主索、塔架和測(cè)站建筑物防直接雷基本上按水文纜道設(shè)計(jì)規(guī)范采取了相應(yīng)的防雷措施，但雷電波對(duì)測(cè)流系統(tǒng)以及測(cè)站其它通信系統(tǒng)的入侵卻防范不力，特別是在訊期因雷電安全事故頻發(fā)，嚴(yán)重影響了測(cè)驗(yàn)作業(yè)，因此，對(duì)雷電波的防范應(yīng)引起足夠的重視并采取有效應(yīng)對(duì)措施，將其阻塞在一定安全范圍內(nèi)，保證系統(tǒng)運(yùn)行安全可靠。

1 雷電波及其特性

雷電波主要是由雷電效應(yīng)引起的。當(dāng)雷擊發(fā)生時(shí),一方面由于雷云接近地面，在地面凸出物頂部感應(yīng)出大量異性電荷，雷云與其他部位放電后，凸出物頂部的電荷失去束縛，以雷電波的形式，沿凸出物極快地傳播。另一方面由于雷擊后，巨大的雷電流在周圍空間產(chǎn)生迅速變化的強(qiáng)大磁場(chǎng)，磁場(chǎng)在附近金屬導(dǎo)體上感應(yīng)出很高的電壓，通過(guò)導(dǎo)線以波的形式傳播進(jìn)入室內(nèi)。

由Brace和Golde提出的雙指數(shù)函數(shù)模型可知，雷電波電流為：i(t)=KIm(e-αt-e-βt),其中，Im為峰值電流，α為決定電流衰減的時(shí)間常數(shù)，β為決定電流上升的時(shí)間常數(shù)，K為峰值電流修正因子。其波形如圖1所示。雷電流的波前時(shí)間t1處于1～4μs范圍，平均為2.6μs，波長(zhǎng)t2約為20～100μs，平均為40μs，雷電波Im達(dá)到100～200 kA?？梢娎纂姴▊鞑タ欤矔r(shí)能量大。另外對(duì)雙指數(shù)函數(shù)進(jìn)行頻譜分析雷電流所包含的頻率從低頻到高頻都有分量，但主要集中在低頻部分。根據(jù)IECl312-l提供的雷電流頻譜資料顯示，其頻率主要分布為100kHz的范圍內(nèi)。

2 雷電波對(duì)纜道站的幾種入侵途徑

纜道站的建筑物分布主要是纜道房與控制室及水位自記臺(tái)。利用循環(huán)索傳回的水下信號(hào)(水深、流速、水面及水底信號(hào))與起點(diǎn)距經(jīng)纜道房由通信線路傳輸至控制室的測(cè)驗(yàn)設(shè)備。通信線路通常包括水下信號(hào)電纜、水位數(shù)據(jù)線、起點(diǎn)距數(shù)據(jù)線。施工時(shí)通常是通過(guò)管道進(jìn)入控制室的機(jī)柜。控制室主要是供電線路和網(wǎng)絡(luò)線路，有些測(cè)站還有無(wú)線通信介質(zhì)。從多次雷擊事故分析結(jié)果來(lái)看，雷電波侵入導(dǎo)致測(cè)驗(yàn)電子裝置損壞幾率占80%以上。雷電波侵入主要有以下三種途徑：

(1)通過(guò)低壓配電線路侵入。當(dāng)雷擊發(fā)生時(shí)，雷電波通過(guò)變電房高壓側(cè)線路向變電房傳播，產(chǎn)生的過(guò)電壓施加于配電變壓器的原邊繞組上，經(jīng)過(guò)變壓器的電磁耦合感應(yīng)到低壓側(cè)，使電子設(shè)備的供電發(fā)生過(guò)電壓，以及雷電波的其它諧波分量使電子器件因過(guò)壓而損壞。

(2)通過(guò)通信電纜侵入。由于纜道房臨近塔架，測(cè)站建筑防直接雷是通過(guò)塔架將引下與接地體連接，將雷電流向地排泄，因此，在導(dǎo)線的周圍產(chǎn)生強(qiáng)電磁場(chǎng)并沿著導(dǎo)線產(chǎn)生很高的過(guò)電壓，通過(guò)通信電纜轉(zhuǎn)播到控制室。

(3)通過(guò)共用接地電阻形成反擊而侵入。在測(cè)站接地系統(tǒng)中，除防雷地、保護(hù)地以外，通常將多個(gè)電子設(shè)備的工作地采用共地的方式以保證電子電路的等電位而避免共模干擾，但是當(dāng)雷擊發(fā)生時(shí)，雷電波在接地電阻上產(chǎn)生過(guò)電致使設(shè)備損壞。

3 纜道站雷電波的防范技術(shù)

為了保證測(cè)驗(yàn)工作的安生可靠，避免人身傷害及設(shè)備損壞，從雷電波入侵的途徑出發(fā)，采取有針對(duì)性的防雷措施。

3.1 供電電源系統(tǒng)的防雷電波措施

供電電源的防雷電波可采取兩級(jí)保護(hù)，第一級(jí)對(duì)配電變壓器進(jìn)行防雷，降低雷電波通過(guò)變壓器的電磁感應(yīng)而產(chǎn)生的過(guò)壓風(fēng)險(xiǎn)。其方法可分別在變壓器的原、副邊加上避雷裝置，并將中線接地，一方面減輕高地電壓反擊強(qiáng)度，另一方面避免或減輕雷電波對(duì)低壓終端用戶的危害。防雷保護(hù)電路如圖2所示。對(duì)于小容量的配電變壓器可選用FS系列閥型避雷器，接地電阻應(yīng)小于2.5Ω。第二級(jí)防雷電波采用隔離變壓器，將隔離變壓器的次級(jí)輸出作為供電電源，這樣就可以再次將雷電波的行波抑制，為了達(dá)到較好的抑制效果，應(yīng)在初次級(jí)線圈上加上防電涌裝置。其電路原理如圖3所示。圖中TL1～TL4為退耦電感，SPD1～SPD7為氧化鋅電涌保護(hù)器，初級(jí)接地為TT系統(tǒng)，次級(jí)按地為TN-C系統(tǒng)。初次級(jí)間不共地。

3.2 防雷電波通過(guò)通信電纜侵入措施

當(dāng)纜道房附近的雷電經(jīng)避雷器注入地網(wǎng)，使測(cè)站接地網(wǎng)中的沖 擊電流增大時(shí)，將產(chǎn)生暫態(tài)的電位波動(dòng)，同時(shí)地網(wǎng)的接地電阻也將暫時(shí)升高而產(chǎn)生感應(yīng)電壓，由于信號(hào)電纜由纜道房至控制室只有30～50m，感應(yīng)的雷電波通過(guò)信號(hào)電纜侵入控制室內(nèi)，高電壓直接加在測(cè)驗(yàn)設(shè)備的接口上，使設(shè)備損壞。在防雷措施上，可通過(guò)以下方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖2 電源防雷電波電路圖

圖3 隔離變壓器防雷電波原理圖

(1)傳輸線纜應(yīng)選屏蔽電纜。為了保證較好的屏蔽效果，同時(shí)兼顧雷電感應(yīng)電壓不至于通過(guò)屏蔽層產(chǎn)生回流而損壞電纜屏蔽層，用單端接地來(lái)消除雷電波的影響，接地方式如圖4所示。在線纜末端串接防浪涌信號(hào)防雷器，在安裝時(shí)注意防雷器的輸入端(IN)與信號(hào)通道相連，防雷器的輸出端(OUT)與被保護(hù)設(shè)備相連。

圖4 屏蔽層接地方式

(2)選用光纜作為傳輸介質(zhì)。這樣不僅通信容量大，而且損耗低。光纜的光纖是絕緣體材料，它不受自然界的雷電干擾、電離層的變化和太陽(yáng)黑子活動(dòng)的干擾，也不受周圍環(huán)境及其它電氣設(shè)備引起的工業(yè)干擾。因此，使用光纜作為信號(hào)傳輸線可以抑制雷電波對(duì)測(cè)驗(yàn)設(shè)備的影響。

3.3 改善接地

在強(qiáng)大的雷電波作用下，接地電阻泄流作用的均壓效果不好, 會(huì)使接地網(wǎng)的部電位升高,導(dǎo)致地電位干擾形成反擊。一方面應(yīng)盡量降低接地網(wǎng)的接地電阻，使其符合規(guī)程所要的電阻值，另一方面，在接地方式上，盡量不采用共用接地方式，防雷地、保護(hù)地單獨(dú)按接地工程規(guī)范進(jìn)行施工，多個(gè)設(shè)備的工作地采用單點(diǎn)接地，接地引下線不串接，各工作地用等電位聯(lián)接。在接地過(guò)程中，要注意保持各接地點(diǎn)的安全距離不小于15m。

4 結(jié)束語(yǔ)

實(shí)踐表明，雷電波對(duì)水文纜道測(cè)站的安全作業(yè)構(gòu)成重大安全隱患，必須引起高度重視，在建設(shè)過(guò)程中要嚴(yán)格按照防雷規(guī)范做好接地工程和加裝必要的防雷裝置，在日常維護(hù)過(guò)程中，對(duì)避雷裝置、避雷設(shè)施和接地裝置做到定期進(jìn)行安全技術(shù)檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)整改，使之符合技術(shù)規(guī)范要求，達(dá)到應(yīng)有的防雷效果，確保安全生產(chǎn)，減少經(jīng)濟(jì)損失。

[1] 騰 旭，胡志昂.電子系統(tǒng)抗干擾實(shí)用技術(shù)[M].北京:國(guó)際工業(yè)出版社，2004.

[2] 劉丙江.實(shí)用接地技術(shù)[M].北京:中國(guó)電力出版社，2012.

[3] G.夏里克，候景韓譯.接地工程[M].北京:人民郵電出版社，1988.

[4] 劉有菊.雷電波數(shù)學(xué)模型[J].保山學(xué)院學(xué)報(bào)，2010(9).

[5] 周方君，等.隔離變壓器在電源系統(tǒng)防雷中的應(yīng)用[J].氣象科技,2015(10).

[6] 蔡建初.信息系統(tǒng)接地工程技術(shù)的探討[J].氣象研究與應(yīng)用,2010(5).

Research and Practice of Lightning Wave Protection of Cableway Station

TIAN You-cheng， CHEN Chao

(Hydrological and Water Resources Survey Bureau of the Middle Reaches of Yangtze River, Wuhan 430010，China)

Lightning wave is a severe potential risk to cableway stations. The characteristics and parameters of lightning wave are analyzed by using a dual-exponential function mode and the possible invading paths of lightning waves are analyzed based on the actual situation of cableway stations, and targeted preventive measures are put forward for each kind of invading paths from technology and engineering specification level.

cableway stations; lightning wave; grounding technique

2017-03-02

田有成(1989-)男，甘肅慶陽(yáng)人，工程師，大學(xué)，主要從事水文纜道的設(shè)計(jì)與水文儀器研制工作。

P427.32

A

1673-0496(2017)02-0024-03

10.14079/j.cnki.cn42-1745/tv.2017.02.008