路進(jìn)軍 齊 沖

（中國(guó)核電工程有限公司鄭州分公司 河南鄭州 450000）

0 引言

根據(jù)電力公司要求，單機(jī)容量在300MW及以上的并網(wǎng)大型電廠應(yīng)同步投產(chǎn)建設(shè)電力自動(dòng)氣象站，并能通過電力安全三區(qū)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)向省調(diào)電力自動(dòng)氣象站系統(tǒng)實(shí)時(shí)傳輸風(fēng)力、風(fēng)速、雨量、濕度、溫度、氣壓等氣象信息。氣象塔為廠區(qū)最高建筑物，容易受雷擊，而使氣象信息系統(tǒng)故障。本文結(jié)合某氣象信息系統(tǒng)的實(shí)際參數(shù)，采用接閃、分流、屏蔽、等電位連接、綜合布線、電涌保護(hù)和共用接地等手段，設(shè)計(jì)一種氣象塔防雷工程實(shí)施方案。

1 氣象信息系統(tǒng)基本狀況

該氣象信息系統(tǒng)位于山頂包含一氣象鐵塔和數(shù)據(jù)機(jī)房。鐵塔塔身主體高100m，為該地區(qū)海拔最高構(gòu)筑物，為了觀測(cè)梯度氣象要素，在塔身分四層在10m、33m、66m、99m布置有風(fēng)速、風(fēng)向和濕度等傳感器，傳感器距橫擔(dān)0.5m高，橫擔(dān)兩側(cè)距塔身1.8m。雷雨季節(jié)時(shí)經(jīng)常發(fā)生雷擊。雷擊導(dǎo)致高電壓、電火花等可能導(dǎo)致鐵塔上風(fēng)速、風(fēng)向、濕度傳感器損壞。數(shù)據(jù)機(jī)房建在鐵塔底部10m處，機(jī)房長(zhǎng)6m寬4m高3m，機(jī)房?jī)?nèi)機(jī)柜高2m。用于采集鐵塔上的氣象數(shù)據(jù)并向遠(yuǎn)方傳輸。數(shù)據(jù)機(jī)房電源采用架空線引入。閃電電涌可能沿電源線和信號(hào)線侵入機(jī)房，造成設(shè)備損壞，影響氣象監(jiān)測(cè)設(shè)備正常工作。當(dāng)?shù)啬昶骄妆┤諡?7.6d/a，地處山頂，地勘顯示表層土壤電阻率1000Ω·m。

圖1 氣象塔避雷針安裝

2 氣象塔防雷方案設(shè)計(jì)

依據(jù)《自動(dòng)氣象站場(chǎng)室防雷技術(shù)規(guī)范》和《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》，該氣象塔按照二類防雷建筑物設(shè)計(jì)，相應(yīng)的其滾球半徑取45m[1]。防雷設(shè)計(jì)包含直擊雷防護(hù)和防止雷擊電磁脈沖。直擊雷是指閃擊直接擊于建筑物、其他物體、大地或外部防雷裝置上，產(chǎn)生電效應(yīng)、熱效應(yīng)和機(jī)械力者。雷擊電磁脈沖是指雷電流經(jīng)電阻、電感、電容耦合產(chǎn)生的電磁效應(yīng)，包含閃電電涌和輻射電磁場(chǎng)。

2.1 直擊雷防護(hù)

依據(jù)《自動(dòng)氣象站場(chǎng)室防雷技術(shù)規(guī)范》，氣象塔所有的觀測(cè)設(shè)備均應(yīng)處于LPZ0B區(qū)內(nèi)[2]，即所有的傳感器，必須位于避雷針以45m為滾球半徑確定的保護(hù)范圍之內(nèi)。為此需要在各層傳感器處布置兩根避雷針，兩支避雷針在其中點(diǎn)處保護(hù)高度應(yīng)大于0.5m。根據(jù)《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄D.0.2，兩支等高避雷針的滾球法計(jì)算可得安裝避雷針高度為0.6m，工程實(shí)施時(shí)，避雷針需要獨(dú)立安裝到橫擔(dān)上，橫擔(dān)位于傳感器下層0.3m處，考慮一定施工誤差及一定的裕量，選定采用1.5m避雷針安裝在橫擔(dān)上，避雷針橫擔(dān)固定在傳感器橫擔(dān)下方0.3m處。避雷針采用1.5m直徑為16mm的圓鋼，橫擔(dān)采用絕緣強(qiáng)度為35kV（1.2/50μs）的絕緣桿。絕緣桿每邊凸出風(fēng)速、風(fēng)向、溫度傳感器支架橫桿0.2m，其布置如圖1所示。此時(shí)兩支避雷針在中心處的保護(hù)高度驗(yàn)算如式（1）。

式中：Hr-滾球半徑取45m；Hp桿高1.5m；D兩支避雷針間距離4m。

代入可得最低保護(hù)高度h=1.2m，滿足要求。

避雷針引下線采用截面為50mm2的屏蔽單芯多股電纜，引下線沿最近任一鐵塔拉線接入場(chǎng)地內(nèi)接地網(wǎng)。在引下線入地處補(bǔ)加垂直接地極，接地極采用長(zhǎng)度為2.5m截面積為185mm2裸銅棒。垂直接地極與場(chǎng)地內(nèi)水平接地網(wǎng)格通過185mm2裸銅纜連接，裸銅纜埋深0.5m，局部地區(qū)開挖困難可以采用混凝土做保護(hù)。

2.2 防雷擊電磁脈沖

閃電電涌即閃電擊于防雷裝置或線路上以及由閃電靜電感應(yīng)或雷擊電磁脈沖引發(fā)，表現(xiàn)為過電壓、過電流的瞬態(tài)波。閃電電涌可能沿著電源線、信號(hào)線侵入機(jī)房?jī)?nèi)，危及人身安全或損壞設(shè)備。氣象塔及其機(jī)房應(yīng)該采取防止閃電電涌侵入的措施。

外電源采用架空線，在距機(jī)房15m外的一根塔桿處，由架空線轉(zhuǎn)換為屏蔽電纜，在電纜與架空線連接處，尚應(yīng)裝設(shè)戶外型電涌保護(hù)器。電涌保護(hù)器、電纜金屬外皮、鋼管和絕緣子鐵腳、金具等應(yīng)連在一起接地，其沖擊接地電阻不應(yīng)大于30Ω。電源入戶處所裝設(shè)的電涌保護(hù)器應(yīng)選用I級(jí)試驗(yàn)產(chǎn)品，其每一保護(hù)模式應(yīng)選沖擊電流計(jì)算如式（2）所示。

式中：I——雷電流（kA）二類防雷建筑物取150kA；

n——地下和架空引入的外來金屬管道和線路總數(shù)，只有一路電源取1；

m——需要確定的那跟電纜導(dǎo)體芯數(shù)的總根數(shù)，三芯電纜取3；

Rs——屏蔽層或鋼管每公里的電阻（Ω/km）取8.5Ω/km；

Rc——芯線每公里的電阻（Ω/km）3×16交聯(lián)聚乙烯銅芯電纜取1.5Ω/km；

代入可得Iimp=27kA。

激光調(diào)制采取馬赫曾德電光強(qiáng)度調(diào)制器（Mach-ZehnderModulator，MZM），MZM 可實(shí)現(xiàn)微波對(duì)激光的強(qiáng)度調(diào)制，具體細(xì)節(jié)參見文獻(xiàn)[13]，激光信號(hào)經(jīng)過微波調(diào)制后，可以表示為：

電纜穿DN40鍍鋅鋼管埋地敷射，埋地長(zhǎng)度應(yīng)大于70m（>2）進(jìn)入室內(nèi)電纜屏蔽層，鋼管兩端和中間均應(yīng)接地。電涌保護(hù)器選用電壓開關(guān)型，其有效電壓保護(hù)水平Up/f小于或等于被保護(hù)設(shè)備的絕緣耐沖擊電壓額定值，即Up/f≤4kV，其持續(xù)運(yùn)行電壓應(yīng)大于1.15U0=253V。

室內(nèi)裝380/380V隔離變壓器。隔離變壓器出線穿DN40鋼管沿墻敷設(shè)，鋼管兩端接地。由于閃電電涌入侵中的共模電壓分量在變壓器的一次繞組中不能產(chǎn)生勵(lì)磁電流，二次繞組無感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，只要保證隔離變壓器的絕緣，即可隔離閃電電涌入侵中的共模分量，另外當(dāng)閃電電涌入侵時(shí)，差模分量引起隔離變壓器一次側(cè)飽和，對(duì)閃電電涌電壓產(chǎn)生顯著的削峰抑制作用[3]。

信號(hào)電纜采用屏蔽電纜，在信號(hào)塔底穿DN40鍍鋅鋼管埋地敷射，埋地長(zhǎng)度應(yīng)大于70m進(jìn)入室內(nèi)線纜屏蔽層、鋼管兩端和中間均接地。入戶處裝設(shè)D1類高能量試驗(yàn)類型電涌保護(hù)器，，其短路電流也滿足式（2）的計(jì)算結(jié)果。

雷電流有極大的峰值和變化率，在其周圍會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的交變電磁場(chǎng)。研究表明，當(dāng)環(huán)境磁場(chǎng)強(qiáng)度大于5.6A/m時(shí)，計(jì)算機(jī)會(huì)誤動(dòng)作；當(dāng)環(huán)境磁場(chǎng)強(qiáng)度大于191A/m時(shí)，計(jì)算機(jī)會(huì)發(fā)生永久性損壞[4]。為避免數(shù)據(jù)機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)備損壞，應(yīng)該采取屏蔽措施，降低房間的磁場(chǎng)強(qiáng)度[1]。屏蔽網(wǎng)格尺寸、材質(zhì)及室內(nèi)設(shè)備布置要求計(jì)算如下：

雷擊點(diǎn)與機(jī)房的最小平均距離按式（3）計(jì)算：

式中：H-機(jī)房高度取3m；L-建筑物長(zhǎng)度取6m；R-滾球半徑對(duì)于正極性首次雷擊取260m。

代入得雷擊點(diǎn)與機(jī)房的最小平均距離Sa=42m，實(shí)際布局氣象塔與機(jī)房距離僅有10m，因此雷擊時(shí)磁場(chǎng)強(qiáng)度的衰減應(yīng)按式（4）計(jì)算

式中：SF格柵屏蔽系數(shù)，按式（6）計(jì)算為22dB；w格柵屏蔽的網(wǎng)格寬，取1m。

式中：屏蔽網(wǎng)格導(dǎo)體半徑r=6×10-3m；w-格柵形屏蔽網(wǎng)格寬取1m，代入求得SF=22dB。

通過以上計(jì)算可知為保證機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)備不損壞，機(jī)房應(yīng)該采用直徑為12mm的圓鋼，做1x1m的格柵形屏蔽網(wǎng)絡(luò)，此時(shí)求得屏蔽系數(shù)SF=22dB，代入式（5）得室內(nèi)設(shè)備布置距墻的最小安全距離ds/1=1m，代入式（4）得H1=1.5A/m，滿足文獻(xiàn)4中給出的指標(biāo)，雷擊時(shí)，機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)備不會(huì)應(yīng)輻射電磁場(chǎng)的影響而受到損壞或功能發(fā)生異常。

2.3 接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)

接地系統(tǒng)包含氣象塔接地和機(jī)房接地。為避免電壓差導(dǎo)致的雷電反擊，兩者公用同一接地系統(tǒng)。接地系統(tǒng)采用185mm2在場(chǎng)地內(nèi)敷設(shè)人工水平接地體，水平接地體間距5m，埋深0.5m，墻或基礎(chǔ)周圍的水平接地體，距墻或基礎(chǔ)1m。穿線管、氣象塔基礎(chǔ)、拉線基礎(chǔ)、機(jī)柜間基礎(chǔ)內(nèi)鋼筋與接地網(wǎng)做可靠連接。機(jī)房接地網(wǎng)也應(yīng)與人工水平接地體可靠連接，連接點(diǎn)不少于2處。

3 結(jié)論

氣象信息系統(tǒng)防雷設(shè)計(jì)要結(jié)合滾球法防雷計(jì)算避雷針的高度，根據(jù)閃電電涌的衰減機(jī)理確定外部引入電源、信號(hào)線路、機(jī)房屏蔽的處理措施，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況確定接地網(wǎng)的布局和設(shè)置。充分利用接閃、分流、屏蔽、等電位連接、綜合布線、電涌保護(hù)和共用接地措施的組合效應(yīng)，降低雷擊氣象塔概率及風(fēng)險(xiǎn)。