陳小健

(寧波市水文站,浙江 寧波 315016)

1 問題的提出

1752年美國科學家富蘭克林成功引雷并發(fā)明避雷針至今,人類對雷擊研究和探索取得了重大的突破。隨著社會的進步,科學的發(fā)展,水文觀測已經(jīng)從人工測報過度到數(shù)字化、智能化,而水文測報設施的防雷問題尤為突出。在造成經(jīng)濟損失的同時,也給防汛防臺決策帶來重大的隱患。

2 水文觀測設施的防雷現(xiàn)狀

分析水文觀測設施的防雷現(xiàn)狀,主要存在以下的幾個問題。

2.1 水文觀測設施的使用環(huán)境容易受到雷擊

水文觀測設施許多都是建在山頂或空曠地帶,如超短波中繼站建在相對較高的山頭上,水文纜道建立相對在空曠的河流上等。

2.2 水文觀測設施沒有強制的防雷規(guī)范

目前水文纜道的防雷設計執(zhí)行的是《建筑防雷設計規(guī)范》(GBJ 57—83)。電力裝置過電壓保護設計執(zhí)行的是 《工業(yè)與民用電力裝置的過電壓保護設計規(guī)范》(GBJ 64—83)。電力裝置接地設計應執(zhí)行《工業(yè)與民用電力裝置的接地設計規(guī)范》(GBJ 65—82)。而國家頒布的超短波 《水文自動測報系統(tǒng)通信電路設計規(guī)定》(SL l99—97)文件中對其他問題都有了相應的規(guī)定,但沒有對防雷作出相應的要求。

2.3 防雷意識不強

整體防雷意識不強,目前很大一部分人認為做不做防雷系統(tǒng)沒關系,做了也不一定有用,不做也能過,最多壞了換套設備。這種思想直接導致了許多需要建設防雷系統(tǒng)的水文觀測設施,要么沒有做防雷系統(tǒng),要么防雷系統(tǒng)沒有按照相關的標準建設。隨意找個鐵器接上就算防雷,有的在天饋線上接1個浪涌保護器,但浪涌保護器沒有接地就算是防雷。

2.4 防雷設備建設不標準,后期維護不到位

防雷接地工程只有經(jīng)過專業(yè)的設計,按照設計的要求施工,才能達到理想的防雷水平。目前已有的水文觀測設施的防雷系統(tǒng),除衛(wèi)星傳輸系統(tǒng)等少數(shù)經(jīng)過專業(yè)部門的設計外,大多數(shù)沒有專業(yè)部門的設計。而施工中所使用的材料、施工的方法、地網(wǎng)建設的大小、接地組件的阻值以及建設后期的維護不到位都是防雷不理想的原因。

3 水文觀測設施的防雷對策

好的防雷對策就是在加強防雷意識的同時按照相關的規(guī)范設計建設,下面先要了解雷擊的基本原理及防雷系統(tǒng)的建設。

3.1 雷擊的基本原理

雷擊就是當某處積累的電荷密度很大,激發(fā)的電場強度達到空氣游離狀態(tài)(空氣擊穿)的臨界值時,雷云便開始向下梯級式放電,接近地面物體達到一定的距離時,地面物體在強電場作用下產(chǎn)生尖端放電,形成向雷云方向逐漸向上先導放電,二者匯合形成雷電通路,異種電荷劇烈中和形成很大的雷電流并發(fā)出強烈的閃電和雷擊。雷擊通?？煞譃?種形式:一種是直擊雷,另一種為感應雷。通常設備被雷擊都是感應雷引起的。

3.2 防雷接地系統(tǒng)

防雷接地不是單一的一項工程,而是一個整體的系統(tǒng)。包括避雷針、接地線、浪涌保護器(水文遙測中主要是超短波天線的同軸電纜浪涌保護器)、接地地網(wǎng)等。

3.2.1 避雷針

避雷針 (又稱為接閃器)的防雷作用主要是把閃電從保護物上方引向自己并安全地通過自己泄入大地,因此,避雷針的引雷性能和泄流性能是至關重要的。

3.2.1.1 避雷針的保護范圍

當避雷針的高度h≤hr時 ,距地面 hr處作1條平行于地面的平行線,以避雷針的針尖為圓心,hr為半徑畫弧,交水平線于A、B兩點,又分別以A、B兩點為圓心,hr為半徑,從針尖向地面畫弧。如圖1所示,則圖中曲線就是避雷針保護范圍的邊界,保護范圍是1個對稱的錐體。hr的取值:一類防雷建筑物為30m;二類防雷建筑物為45m;三類防雷建筑物為60m。

3.2.1.2 避雷針的制作與安裝

避雷針的所有金屬部件必須鍍鋅,主要是為了防止金屬部件的腐蝕,保證金屬部件的電器性。采用鍍鋅鋼管管制作針尖,管壁厚度不得小于3mm,針尖刷錫長度不得小于70 mm。避雷針應垂直安裝牢固。垂直度允許偏差為3/1 000。焊接時應采用搭接焊,其搭接長度是:扁鋼為其寬度的2倍(且至少3個棱邊焊接);圓鋼為其直徑的6倍;圓鋼與扁鋼連接時,其長度為圓鋼直徑的6倍。遙測系統(tǒng)天線一般都是架設在屋面上,屋面上的避雷針采用直徑不小于25mm鍍鋅鋼管。

圖1 避雷針的保護范圍示意圖

3.2.2 天饋線浪涌保護器

天饋線浪涌保護器主要用于各類信號線路侵入設備的雷電 (過電壓)防護,它的特點是通流容量大,采用多級保護內(nèi)置快速半導體保護器件,響應速度快,殘壓低。插入損耗低,確保線路通暢。

3.2.3 地網(wǎng)接地系統(tǒng)

地網(wǎng)接地是防雷系統(tǒng)的核心部分,當避雷針成功引雷后,所有電流要經(jīng)地網(wǎng)接地系統(tǒng)流入大地。如有幾個獨立的地網(wǎng),為防止雷擊時反擊到其它接地系統(tǒng),各獨立地網(wǎng)相互間距離應大于15m。這樣做的目的是為了避免出現(xiàn)雷電流時,經(jīng)防雷接地點流入大地后各接地系統(tǒng)地線之間相互干擾和反擊。

3.2.3.1 接地材料

接地材料以金屬為主,型式很多,要根據(jù)施工現(xiàn)場情況選用適當之型式。主要有:接地棒、銅管、銅包鋼、銅帶、銅板、單股銅線、熱鍍鋅角鋼、熱鍍鋅扁鋼等。

3.2.3.2 接地極接地電阻之計算公式

不同的材質(zhì)其接地電阻的計算方式不同,下面列舉不同類型接地極接地電阻計算公式 [參見 《工業(yè)與民用電力裝置的接地設計規(guī)范(GBJ 65—82)].,供設計人員作參考:

(1)單極式。以銅棒或銅管接地極單根打入或直埋,其公式為:

式中:R為單根接地棒或銅管之接地電阻值 (Ω);L為接地棒或銅管長度 (cm);ρ為大地電阻率(Ω-cm);r為接地棒或銅管外圍半徑(cm)。接地棒可以是銅棒、銅包鋼棒或不銹鋼棒等,銅管則為適當厚度銅管。

(2)多極直線并聯(lián)式。其公式為:

式中:R為多極直線接地棒或銅管接地電阻值 (Ω);L為接地棒或銅管長度(cm);ρ為大地電阻率 (Ω-cm);n為接地棒或銅管數(shù)量;S為接地棒或銅管間隔(cm);r為接地棒或銅管外圍半徑(cm)。

(3)多極環(huán)狀并聯(lián)式。其公式為:

式中:R為多極環(huán)狀接地棒或銅管之接地電阻值(Ω);D為環(huán)狀圓半徑(cm);L為接地棒或銅管長度(cm);ρ為大地電阻率(Ω-cm);n為接地棒或銅管數(shù)量;r為接地棒或銅管外圍半徑(cm)。

(4)裸銅線之接地電阻計算。其公式為:

式中:R為裸銅線接地電阻(Ω);ρ為大地電阻率(Ω-cm);L為埋入銅線長度(cm);r為埋入銅線半徑(cm);d為銅線埋設深度(cm)。

(5)銅帶(紫銅,立埋)接地電阻計算。其公式為:

式中:R為銅帶接地電阻 (Ω);ρ為大地電阻率 (Ω-cm);L為銅帶埋設長度(cm);r為銅帶等效半徑。

3.2.3.3 土壤的電阻系數(shù)

不同土壤的電阻系數(shù)區(qū)別很大。隨著季節(jié)的變化,土壤的電阻也在不斷變化。表1為土壤的電阻系數(shù)對照表。

表1 土壤的電阻系數(shù)對照表

3.2.3.4 接地電阻的測量方法

為了保證設備的良好接地,利用儀表對接地電阻進行測量是必不可少的。接地電阻的測量方法有很多種,手搖式地阻表測量是一種測量精度較高,適用于單點接地和多點接地系統(tǒng)方法。需要注意的是測試時,先將接地極與設備斷開,以避免設備自身接地體影響測量的準確性。

3.2.3.5 降阻劑

防雷接地電阻值一般要求在10Ω以下。弱電接地電阻值要求在4Ω以下。在一些特殊的地區(qū) (如山區(qū),場地面積較小等)要達到要求,常常使用降阻劑來降低阻值,同時還能降低地網(wǎng)建設的面積。日前市面上的降阻劑多種多樣。有固體石墨、離子,液態(tài)等。使用時可以根據(jù)施工現(xiàn)場的情況選用不同的降阻劑。

3.2.3.6 地網(wǎng)接地施工中的防腐蝕

在地網(wǎng)接材料的選用是,一般采用銅、熱鍍鋅材料。這些材料不但有良好的導電性,而且防腐蝕性相對較強。施工中最簡單的防腐蝕措施就是對焊接部分清理干凈后加防銹漆,再采用混凝土包封焊接點的方法來加強對焊接頭的保護。

3.2.3.7 接地地網(wǎng)的連接線

接地地網(wǎng)的連接線要根據(jù)接地功能不同,選用不同的連接線。一般采用單股銅線作為連接線。最小不小于5mm。大型的防雷接地中常采用35～75mm2的單股銅線作為接地的連接線。

3.3 站房的防雷

站房的防雷應根據(jù) 《建筑物防雷設計規(guī)范》 (GB 50057—94)來建設。新建站房可以將房子的內(nèi)部鋼筋全部連接,形成法拉第籠。不過這種方法不適用于GPRS站房。因為這樣的站房里手機信號將會很差。

4 結 語

隨著水文觀測設施的自動化越來越高,種類貴重設備越來越多,防雷越來越重要。要充分認識防雷的重要性,根據(jù)當?shù)氐膶嶋H情況,不斷調(diào)查研究,總結經(jīng)驗,從現(xiàn)實出發(fā),設計出適合自身特點的防雷接地系統(tǒng),保證水文觀測設施的安全。