黃建忠, 陳 東, 虞 敏

(上海市氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心, 上海 200030)

0 引 言

雷暴氣候特征主要分析雷暴發(fā)生的規(guī)律以及活動的路徑。由于人工觀測的局限性,雷暴日參數(shù)并不能完全代表該區(qū)域具體的雷電特征。而閃電定位監(jiān)測資料的運用,彌補了雷暴氣候資料的局限性。閃電定位監(jiān)測資料通過閃電定位監(jiān)測系統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)。上海市閃電定位系統(tǒng)實現(xiàn)上海市全境無縫隙的閃電定位探測,閃電的探測效率達(dá)到95%,定位精度標(biāo)稱值為500 m。

1 長江河口主要物理和環(huán)境參數(shù)智能監(jiān)測站點雷電環(huán)境分析

總體來看,近岸島式、棧橋式站點的雷擊大地密度明顯比島式站點高很多,這是因為相對島式站點,近岸島式、棧橋式站點離岸邊更近,位于水陸交界處,更易受海風(fēng)的影響而產(chǎn)生雷電。

利用閃電定位監(jiān)測系統(tǒng)獲取10個站點雷電參數(shù)信息,如表1所示。

表1 10個站點雷電參數(shù)信息

2 長江河口主要物理和環(huán)境參數(shù)智能監(jiān)測站點的雷擊損害路徑

2.1 雷電直接擊于監(jiān)測站點建(構(gòu))筑物及設(shè)備設(shè)施上

當(dāng)遭受直接雷擊時,雷電可能直接擊到建筑物和室外設(shè)備上,使建筑物和設(shè)備嚴(yán)重?fù)p害。建筑物外部結(jié)構(gòu)上的雷電流容易通過設(shè)備外殼與建筑物外部結(jié)構(gòu)之間的電氣連接處直接進(jìn)入到內(nèi)部設(shè)備中,進(jìn)而破壞整個水文自動監(jiān)測系統(tǒng)。水文自動測報系統(tǒng)中安裝在室外的設(shè)備主要有天線、雨量計、太陽能板等,這些設(shè)備都有可能遭受雷擊,其中以天線引雷的可能性更大些[1]。

2.2 雷電間接影響智能監(jiān)測站點設(shè)備設(shè)施的正常運營

雷電除了可能直接擊中建筑物和室外設(shè)備上,也有很大的概率直接擊在建筑物或室外設(shè)備附近的區(qū)域。雷電是高頻脈沖電流,會在線路上感應(yīng)過電壓。感應(yīng)過電壓同樣會在電子電氣上產(chǎn)生電涌,對設(shè)備造成破壞。雖然雷電感應(yīng)的能量較小,但監(jiān)測站點附近較大范圍內(nèi)發(fā)生落雷時,均有可能使設(shè)備受到雷電感應(yīng)的影響,所以雷電的間接影響也是監(jiān)測站防雷的主要任務(wù)。

3 長江河口主要物理和環(huán)境參數(shù)的智能監(jiān)測系統(tǒng)防雷供電保障技術(shù)措施

根據(jù)雷電損害智能監(jiān)測系統(tǒng)的路徑,可以采取針對性的技術(shù)措施來進(jìn)行防御,包括攔截、分流、接地、共用接地系統(tǒng)、屏蔽、合理布線、等電位聯(lián)結(jié)、安裝電涌保護(hù)器(SPD)等8個方面。

3.1 攔 截

3.1.1 通信天線的地閃攔截

通信天線的地閃攔截通常采用安裝接閃桿的方式實現(xiàn)。從上海市水文總站長江河口主要物理參數(shù)智能監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)研究課題組(簡稱甲方)所提供的電氣施工圖中了解到:此次除南匯咀外,其余站房頂部均設(shè)計通信鐵塔,可在通信鐵塔頂部安裝接閃桿時,將通信天線、風(fēng)力發(fā)電設(shè)備、太陽能發(fā)電設(shè)備等設(shè)施考慮在接閃桿的保護(hù)范圍內(nèi),保護(hù)范圍宜按滾球半徑45 m計算。通信鐵塔接閃桿的保護(hù)范圍如圖1所示。

圖1 通信鐵塔接閃桿的保護(hù)范圍

安裝在鐵塔頂部的接閃桿與通信天線之間盡量保持一定的水平距離,以滿足安全間隔要求,可采用將兩者呈對角線方向安裝的方式來增加間距。

防雷引下線不宜利用鐵塔本體或金屬導(dǎo)體直接固定于鐵塔,建議采用與鐵塔本體絕緣的專設(shè)引下線。

3.1.2 風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的地閃攔截

陳行、長興、三甲港、沒冒沙站的供電方式為風(fēng)力發(fā)電加太陽能發(fā)電的組合。

風(fēng)電機組葉片的材料主要是玻璃纖維或者碳纖維,槳葉直擊雷防護(hù)目的是將雷電流安全地從槳葉雷擊點傳導(dǎo)到接地裝置,從而避免葉片內(nèi)部雷電電弧的形成,可以通過以下三種方式實現(xiàn):

(1) 通過在葉片外表面或內(nèi)部安裝金屬導(dǎo)體,將雷電流從雷擊點傳輸?shù)饺~片根部來實現(xiàn)。這種簡單的防雷裝置只適合長度不超過20 m的槳葉。

(2) 對于槳葉長度超過20 m的防雷裝置,可在表面鑲嵌一條金屬網(wǎng)帶或在槳葉上設(shè)多個接閃器解決。但接閃器面積相對整個槳葉面積占比很小,很難保證接閃器是槳葉上唯一的雷擊點。

(3) 葉片表面利用導(dǎo)電材料,使葉片本身能夠?qū)⒗纂娏魅總鞯饺~片根部。

該項目風(fēng)力發(fā)電機組的直擊雷防護(hù),推薦通過以下方式實現(xiàn):應(yīng)盡可能將葉片置于安裝在通信鐵塔上接閃桿的保護(hù)范圍內(nèi)。如此,落到葉片上的雷擊電流小于10 kA;在葉片外表面或內(nèi)部安裝金屬導(dǎo)體,將可能落到葉片上的較小雷電流從雷擊點傳輸?shù)饺~片根部。

3.1.3 太陽能發(fā)電設(shè)備的地閃攔截

南匯咀、顧園沙、北支門口、橫沙東、九段沙是島式站房,其供電方式為太陽能發(fā)電。

光伏電站陣列區(qū)最常見的外部雷電防護(hù)裝置是根據(jù)光伏方陣的面積大小,選擇合適的接閃桿型號和數(shù)量,使受保護(hù)設(shè)備處于直擊雷防護(hù)范圍之內(nèi)。光伏陣列的最高點往往是組件的金屬邊框,是良好的導(dǎo)電體,可利用該金屬邊框作為接閃器。

根據(jù)該項目的實際情況,光伏發(fā)電系統(tǒng)的直擊雷防護(hù)推薦通過以下方式實現(xiàn):應(yīng)盡可能將光伏方陣、光伏發(fā)電單元等置于安裝在通信鐵塔上接閃桿的保護(hù)范圍之內(nèi);利用光伏陣列的金屬邊框作為接閃器,攔截小于10 kA的雷擊電流。

3.2 分 流

推薦采用專用屏蔽電纜作為引下線,不采用鐵塔本體作為引下線,可以將防雷引下線與通信天線饋線有效隔離,避免地閃電流的電磁感應(yīng)效應(yīng),大大降低通信設(shè)備遭受閃電電涌入侵的概率。

3.3 接 地

接地是防雷技術(shù)最重要的環(huán)節(jié),也是電氣、電子設(shè)備安全正常運營的關(guān)鍵所在。接地系統(tǒng)的設(shè)計施工需要考慮現(xiàn)場環(huán)境、地質(zhì)條件、接地材料、施工工藝、設(shè)備設(shè)施的技術(shù)要求以及工程的經(jīng)濟合理性等諸多因素。

3.4 共用接地系統(tǒng)

該項目必須采用共用接地系統(tǒng)。站房及設(shè)備設(shè)施的防雷接地裝置、各金屬構(gòu)件、電源PE線、設(shè)備保護(hù)地、屏蔽體接地、功能性接地等可靠電氣連接構(gòu)成共用接地系統(tǒng),可使智能監(jiān)測系統(tǒng)有效避免地電位干擾。

3.5 屏 蔽

3.5.1 站房屏蔽

將站房建(構(gòu))筑物的鋼筋、金屬構(gòu)架、金屬門窗等相互連接在一起,使其構(gòu)成一個六面體的網(wǎng)籠,即法拉第籠,并與地網(wǎng)可靠地相連,形成初級屏蔽網(wǎng),從而實現(xiàn)站房的屏蔽。

3.5.2 線路屏蔽

所有進(jìn)出站房線纜,包括電力電纜、通信天線饋線、各種信號線纜,均應(yīng)穿鋼管或采用雙層屏蔽線纜的方式進(jìn)行屏蔽處理,鋼管或外屏蔽層的兩端應(yīng)分別就近與防雷接地裝置可靠連接。

通信天線的饋線應(yīng)從鐵塔中心部位引下,并用金屬線槽或穿鋼管進(jìn)行屏蔽,線槽或鋼管應(yīng)在上、中、下三處部位可靠接地。

信號線纜的具體屏蔽措施可按GB 50343—2012《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》[2]第5.3.3條的規(guī)定處理。

3.5.3 設(shè)備屏蔽

條件允許時,智能監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)備均應(yīng)采取設(shè)備屏蔽措施,站房內(nèi)的設(shè)備宜設(shè)置在金屬機柜內(nèi),使其處于LPZ2區(qū)內(nèi)。必須置于站房外的設(shè)備,也應(yīng)當(dāng)采取屏蔽措施,使其位于LPZ1區(qū)內(nèi)。

3.6 合理布線

智能監(jiān)測系統(tǒng)的布線應(yīng)因地制宜地考慮安全間隔距離,合理布置電力、信號線纜,注意與引下線、保護(hù)地線等其他管線的安全間距;同時注意系統(tǒng)信號線纜的路由走向,減小線纜自身形成的感應(yīng)環(huán)路面積。

智能監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)備應(yīng)盡量選擇設(shè)置在站房內(nèi)的中心部位,其設(shè)備至少應(yīng)在LPZ1區(qū)內(nèi)。內(nèi)部布線時應(yīng)最大程度地減小感應(yīng)回路的面積。防雷引下線應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離信號線纜。

3.7 等電位聯(lián)結(jié)

等電位聯(lián)結(jié)就是直接用連接導(dǎo)體或通過SPD將分離的金屬部件、外來導(dǎo)電物、電力線路、通信線路及其他電纜連接起來,以減小雷電流在它們之間產(chǎn)生電位差的措施。

3.8 安裝SPD

3.8.1 風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的SPD

風(fēng)力發(fā)電機組電氣和電子系統(tǒng)中重要、敏感或處于電磁環(huán)境惡劣的設(shè)備應(yīng)安裝SPD,其基本要求應(yīng)滿足NB/T 31039—2012《風(fēng)力發(fā)電機組雷電防護(hù)系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》[3]第5.4.1.6條的規(guī)定要求,SPD的選擇和應(yīng)用可參照NB/T 31039—2012《風(fēng)力發(fā)電機組雷電防護(hù)系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》附錄C的規(guī)定要求。

3.8.2 太陽能發(fā)電設(shè)備的SPD

光伏方陣電氣線路應(yīng)采取防雷擊電磁脈沖和防閃電電涌侵入措施。SPD的選擇和應(yīng)用應(yīng)滿足GB/T 32512—2016《光伏發(fā)電站防雷技術(shù)要求》[4]第5.5.4條的規(guī)定要求;可參照QX/T 263—2015《太陽能光伏系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》[5]第5.4節(jié)和附錄E的技術(shù)要求。

3.8.3 電源SPD

智能監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)備電源線路應(yīng)采取防閃電電涌侵入措施,設(shè)計和安裝低壓電源SPD。

(1) 通流量計算。參照GB 50057—2010《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》,估算建筑物電源系統(tǒng)通過的雷電流,分流系數(shù)的計算如圖2所示,其中n為評估單體引下線總數(shù)。

圖2 分流系數(shù)的計算

當(dāng)確定SPD所在配電系統(tǒng)的樓層,即可計算出該樓層處的分流系數(shù)kc,結(jié)合建筑物所在地的雷電流幅值的統(tǒng)計資料,根據(jù)GB 21714.1—2015《雷電防護(hù) 第1部分:總則》[6]以及建筑物低壓配電系統(tǒng)接地保護(hù)模式和建筑物自身屬性,可計算出電源系統(tǒng)SPD第一級的通流量。

對于建筑物總配電系統(tǒng),SPD通流量的計算:

(1)

式中:Iimp——最大沖擊電流;

I——雷電流幅值;

kc——分流系數(shù);

m——線纜芯線數(shù);

Imax——最大放電電流;

In——標(biāo)稱放電電流。

對于框架式鋼筋混凝土建筑物,利用所有柱子鋼筋作為引下線,且柱子鋼筋與屋頂鋼筋網(wǎng)連接在一起。假設(shè)總配電箱為TN-C-S系統(tǒng),電源線纜無屏蔽層裝設(shè)SPD時,分流均按4支回路考慮,流經(jīng)每臺SPD的電流為10/350 μs。10個站點雷電流幅值如表2所示。表2中,陳行站引下線根數(shù)n為4,Iimp=(1/4)×163/4=10.18 kA,通常其與8/20 μs的Imax的換算可按20倍計算,則Imax=203.75 kA。一般情況下,In=Imax/2,所以In=101.8 kA。根據(jù)以上計算方式,若站點最大雷電流幅值小于150 kA,仍按150 kA計算,以此類推,10個站點放電/沖擊電流如表3所示。SPD的安裝位置:安裝于高壓電源線路引入建筑物,且無電源線路引出建筑物至其他有獨自敷設(shè)接地裝置的配電裝置情況的低壓配電屏;安裝于低壓電源線路引入建筑物的總配電箱(配電柜)。

表2 10個站點雷電流幅值統(tǒng)計表

表3 10個站點放電/沖擊電流

表3中,南匯咀、顧園沙、北支口門、橫沙東、九段沙由于提供的資料中缺少引下線相關(guān)信息,故按照GB 50057—2010《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》第4.3.8條第4、5款的規(guī)定要求,每一保護(hù)模式的沖擊電流值應(yīng)等于或大于12.5 kA。

由各站的SPD可能經(jīng)受的雷電流可知,10個站點低壓總配電箱(LPZ1區(qū)內(nèi)或LPZ1區(qū)與LPZ2區(qū)的界面處)內(nèi)可選用沖擊電流Iimp或標(biāo)稱放電電流In與表3中數(shù)值相對應(yīng)的產(chǎn)品。

(2) 電壓保護(hù)水平。電壓保護(hù)水平Up應(yīng)低于相應(yīng)電氣、電子設(shè)備的耐壓水平,低壓電源線路中安裝的SPD的Up值應(yīng)不大于2.5 kV;當(dāng)無法確定電子信息設(shè)備耐沖擊電壓額定值時,可按不大于1.5 kV執(zhí)行。另外,Up值應(yīng)留有20%裕量。

(3) 其他技術(shù)要求。電源SPD的其他技術(shù)要求還包括最大持續(xù)工作電壓(Uc)、接線形式(也稱安裝方式)、后備保護(hù)裝置、多級SPD的配合等,可參照GB 50057—2010附錄J和GB 50343—2012第5.4.3條的規(guī)定要求。

3.8.4 信號SPD

智能監(jiān)測系統(tǒng)信號線纜進(jìn)出站房的界面處,應(yīng)依據(jù)其設(shè)備的主要技術(shù)指標(biāo)選擇、安裝適配的信號SPD。信號SPD的選擇應(yīng)根據(jù)線路的工作頻率、傳輸介質(zhì)、傳輸速率、傳輸帶寬、工作電壓、接口形式、特性阻抗等參數(shù),選用電壓駐波比和插入損耗小的適配SPD,具體可參照GB 50343—2012中第5.4.4條、第5.4.5條的規(guī)定要求。

4 結(jié) 語

雷電防護(hù)是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程,綜合考慮各種雷電損害的影響因素。從10個智能監(jiān)測站點的雷電環(huán)境分析著手,結(jié)合監(jiān)測站點設(shè)備設(shè)施的大體情況,在充分了解國內(nèi)外防雷技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,有針對性地研究智能監(jiān)測站點防雷供電保障措施與要求,參照現(xiàn)行的國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),提出了適合長江河口不同工況和條件監(jiān)測站的防雷解決方案,形成符合實際需求、安全可靠、經(jīng)濟合理的長江河口監(jiān)測站網(wǎng)防雷保障系統(tǒng)。

本研究報告基于上海市水文總站“長江河口主要物理參數(shù)智能監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)研究”(編號:16DZ1205401)課題組提供的站點基礎(chǔ)資料(站點地理位置、電氣施工圖、供電方式等),若其中內(nèi)容發(fā)生改變,則部分防雷措施與要求有可能將不再適用于智能監(jiān)測系統(tǒng)。