洪水預(yù)警報(bào)無線遙測系統(tǒng)的防雷問題

林 志（福建省洪水預(yù)警報(bào)中心，福建福州 350001）摘 要 

本文結(jié)合日常運(yùn)行管理和實(shí)踐工作的一些體會，分析了雷擊危害的形式，介紹防雷的基本原則和方法，重點(diǎn)敘述無線遙測設(shè)備的防雷措施方法，提高防雷意識和防雷、抗雷的基本技能，指導(dǎo)洪水預(yù)警報(bào)站點(diǎn)的建設(shè)。關(guān)鍵詞 雷擊 無線遙測 防雷 措施1 引言雷電是大自然的一種放電現(xiàn)象。由于其具有放電電壓高，閃電電流幅值大，變化快，放電過程時(shí)間短，熾熱的高溫，猛烈的沖擊波，劇變的電磁場以及強(qiáng)烈的電磁輻射等特性。洪水預(yù)警報(bào)無線遙測系統(tǒng)，由于其天饋線、傳感器和電源都暴露在室外，且不僅高度高，而且常位于相對絕緣的地基平臺上，是雷擊的首要目標(biāo)。另外遙測終端與外界傳感器、太陽能等接口，線路長等原因，給雷電的耦合提供了條件。更主要的是設(shè)備越來越多地應(yīng)用微電子技術(shù)，而微電子設(shè)備由于其集成化程度高，工作信號電壓低，故電磁兼容能力差，很容易受感應(yīng)脈沖電壓的襲擊、感應(yīng)雷的危害，增加了受雷電危害的概率，雷電危害成了系統(tǒng)安危的一個重要的問題。2 雷電放電的主要危害形式2.1 直接雷擊雷云直接通過物體對地放電所產(chǎn)生的電擊現(xiàn)象，雷電擊中物體時(shí)，強(qiáng)大的雷電流轉(zhuǎn)變成熱能，對物體形成破壞。擊中金屬管道或?qū)Ь€時(shí)，不僅雷電流會對相連設(shè)備造成危害，同時(shí)雷電流從導(dǎo)線傳送到用電設(shè)備，將產(chǎn)生一個強(qiáng)大的雷電沖擊波及其反射波，反射波與沖擊波疊加，形成駐波，駐波對電子設(shè)備有強(qiáng)大的破壞力。2.2 感應(yīng)雷擊從雷云密布到發(fā)生閃電放電的整個過程中，雷電活動區(qū)會形成下述的感應(yīng)雷電的危害形式。（1）靜電感應(yīng)：雷云底部分布著大量的負(fù)電荷，并產(chǎn)生靜電場，在雷云所覆蓋的地表面和各種物體上，尤其是導(dǎo)體上，將產(chǎn)生與底部電荷相反的電荷。在雷云與地面或另一雷云放電后，云中電荷消失，地表電荷將放電，這種放電電流是一種很大的脈沖電流，對用電設(shè)備造成危害。（2）電磁感應(yīng)：閃電電流在閃電通道周圍的空間產(chǎn)生磁場，在閃電電流入地過程中，變化地磁場在附近導(dǎo)體上產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢和感生電流，也會使電器設(shè)備遭到雷擊而損壞。（3）電磁脈沖輻射：閃電放電時(shí)，一次閃電電流往往由幾個短脈沖放電組成。脈沖電流就向外輻射電磁波，閃電的電磁脈沖輻射對瞬態(tài)電磁脈沖敏感的電子設(shè)備上，也會造成設(shè)備故障或損壞設(shè)備。（4）雷電過電壓侵入：建筑物或設(shè)備已受到防直擊雷的避雷裝置的保護(hù)和屏蔽，但在進(jìn)線、出線或有關(guān)金屬管道上未采用防止雷電過電壓侵入的措施，有時(shí)仍會遭受到雷害。直接雷或感應(yīng)雷都有可能使金屬管道或?qū)Ь€上產(chǎn)生過電壓，這種過電壓沿著金屬管道或?qū)Ь€從遠(yuǎn)處雷區(qū)或防雷保護(hù)區(qū)域之外傳來，侵入建筑物或設(shè)備內(nèi)部，造成損壞，電子設(shè)備遭受雷電過電壓的損害比例較大。（5）放電反擊危害：由于雷電流幅值大，波頭陡度高，雷電流流過時(shí)也會使防雷接地引下線和接地裝置的電位驟升到上百千伏。如果建筑物的接地引下線與各種金屬導(dǎo)線、管道或用電設(shè)備的工作地線間的絕緣距離未達(dá)到安全要求，則可能造成放電，從而使這些金屬導(dǎo)線、管道或用電設(shè)備的工作地線上引入反擊電流，造成人身和設(shè)備的雷擊事故。此外，由于避雷接地裝置在雷擊瞬間使其周圍的地電位上升，使該避雷接地裝置與建筑物內(nèi)其他設(shè)備的工作接地是分開的，因兩個接地裝置之間的距離不夠安全要求而造成地中放電，致使仍處于零電位的其它設(shè)備的工作接地引入反擊電流而損壞設(shè)備。2.3 球形雷一般是橙或紅色，最大的直徑可達(dá)1m，存在的時(shí)間一般是3-5s，一旦遇到物體或電氣設(shè)備時(shí)會產(chǎn)生燃燒或爆炸，其主要是沿建筑物的孔洞或門窗進(jìn)入室內(nèi)，有的由煙囪或通氣管道滾進(jìn)樓房，多數(shù)沿帶電體消失。3 雷電入侵的主要途徑對于無線遙測系統(tǒng)，需要充分考慮雷電的入侵方式，這樣才能有針對性地進(jìn)行雷電防護(hù)，而雷電入侵的主要途徑有：① 通過鐵塔上避雷針或其它導(dǎo)電裝置引入；②通過天饋線系統(tǒng)引入；③通過交直流供電線路引入；④通過傳感器、信號線纜引入。4 防雷的基本原則及方法4.1 防雷的基本原則閃電源是一個電流源（電流波），一個非常大的電流從天空流入大地，就防雷保護(hù)而言，應(yīng)該是為閃電電流提供一條低電阻的通道，將閃電電流瀉入大地，耗散其能量。一個中等雷電的閃電電流幅值大約在100-300KA，且放電時(shí)間極短，大約為40μs，對于這樣特大的電流只能疏通不能堵塞。防雷的基本途徑就是要提供一條使雷電對地瀉放的合理低阻抗路徑，而不能讓其隨機(jī)性地選擇放電通道。4.2 防雷的基本方法針對雷電放電的危害形式和防雷的基本原則，對不同的雷電危害應(yīng)采用不同的防雷措施，主要采用以下幾種方法：（1）接閃。讓閃電放電不能任意選擇放電通道，按照事先設(shè)計(jì)的防雷系統(tǒng)的規(guī)定通道將能量瀉放到大地中去。接閃裝置有避雷針、避雷線、避雷帶、避雷網(wǎng)等，避雷針是通過把雷電引向自身來保護(hù)范圍內(nèi)的被保護(hù)對象免遭直擊雷擊的，避雷針的保護(hù)是靠“引火燒身”來實(shí)現(xiàn)的，它會產(chǎn)生一些負(fù)面效應(yīng)有：產(chǎn)生感應(yīng)雷，增加雷擊概率和地位反擊等。（2）均壓連接。為減少對地瀉放通道阻值，采用多根引下線，在引下線每隔一定高度，設(shè)置一個均勻環(huán)，把所有引下線作等電位連接，一直到接地裝置為止，即為均壓連接。建筑物內(nèi)的金屬設(shè)施，電子設(shè)備，如與接閃裝置距離達(dá)不到規(guī)定的安全要求時(shí)，也進(jìn)行等電位連接。如設(shè)備需要較低的接地電阻，則可以作一個專用接地裝置，該接地裝置可通過保護(hù)間隙或放電器與環(huán)型接地裝置相連，以保護(hù)正常時(shí)兩接地隔離，雷擊時(shí)兩接地連通，達(dá)到電位均衡。（3）接地。接地就是讓已經(jīng)納入防雷系統(tǒng)的閃電電流順利地流入大地，而不能讓雷電能量集中在防雷系統(tǒng)的某處產(chǎn)生破壞作用，良好的接地才能有效地瀉放雷電能量，降低引下線上的電壓，避免發(fā)生反擊。（4）分流。分流是現(xiàn)代防雷技術(shù)的重點(diǎn)，是防護(hù)電子設(shè)備的關(guān)鍵措施，即在一切從室外來的導(dǎo)線與接地裝置或接地線之間并聯(lián)一種適當(dāng)?shù)谋芾灼鳌２粌H電纜要裝避雷器，而且在一些電子設(shè)備機(jī)殼也需要裝避雷器。現(xiàn)在電器避雷器以超出了分流的范圍，有些避雷器可直接串聯(lián)在信號線或天線饋線上，使有用信號通過設(shè)備，而對雷電過電壓波隔離開，并傳送到大地。（5）屏蔽。屏蔽即用金屬網(wǎng)，金屬殼或管子等導(dǎo)線把需要保護(hù)的對象包圍起來，且妥善接地，使閃電的電磁脈沖波從空間入侵的通道截?cái)唷? 無線遙測系統(tǒng)防雷的主要措施一個的無線遙測站點(diǎn)防雷系統(tǒng)，涉及的主要有：天線、鐵塔、機(jī)房及電子設(shè)備、供電、傳感器、進(jìn)出電纜等，暴露在野外、室外，極易遭受雷擊，必須采取綜合的防雷保護(hù)措施。5.1 遙測站點(diǎn)傳統(tǒng)防雷措施（1）鐵塔與天饋線系統(tǒng)的防雷與接地。①鐵塔有完善的防直擊雷及二次感應(yīng)雷的防雷裝置。②電纜的金屬外護(hù)層應(yīng)在塔頂及進(jìn)機(jī)房入口處的外側(cè)就近接地。③天線在接閃器的保護(hù)范圍內(nèi)，接閃器設(shè)置有專用雷電流引下線，材料采用40mm*4mm、的鍍鋅扁鋼。（2）交直流電防雷與接地。①交流供電系統(tǒng)采用三相四線制，設(shè)置有專用電力變壓器，采用鎧裝絕緣護(hù)套電纜，電纜兩端金屬外護(hù)套接地，電纜的外皮鎧裝層從變壓器到機(jī)房間每隔一定距離設(shè)有接地網(wǎng)進(jìn)行接地。②電力電纜三根相線加有氧化鋅避雷器，出入機(jī)房的所有電力線均在出口處加裝避雷器。③變壓器的機(jī)殼、低壓側(cè)的交流零線以及與變壓器相連的電力電纜的金屬外護(hù)層已就近接地。④進(jìn)入機(jī)房的低壓電力電纜從地下引入機(jī)房，其長度不小于50m，電力電纜在進(jìn)入配電屏處應(yīng)加裝避雷器。（3）機(jī)房的防雷與接地。①機(jī)房有完善的防直擊雷及抑制二次感應(yīng)雷的防雷裝置。②機(jī)房頂部的各種金屬設(shè)施，分別與屋頂避雷帶就近接通。③機(jī)房內(nèi)走線架、吊線鐵架、機(jī)架或機(jī)殼、金屬通風(fēng)管道、金屬門窗等均保護(hù)接地。保護(hù)接地引線采用截面積大于35mm的多股銅導(dǎo)線。（4）接地線和接地引入線。①接地線采用短、直，截面積為35~95 mm的多股銅導(dǎo)線。②接地引入線長度不超過30m，其材料為鍍鋅扁鋼，截面積不小于40mm*40mm。接地引入線作了防腐、絕緣處理，埋設(shè)時(shí)避開了其它管道和水溝，設(shè)有防止機(jī)械損傷的措施。③接地引入線就近與機(jī)房內(nèi)接地匯集線連通。④地網(wǎng)的接地電阻小于10Ω，并并盡量降低接地電阻。5.2 防雷措施新方法（1）供電系統(tǒng)。①交流屏、整流器應(yīng)設(shè)有分級防護(hù)裝置，低壓配電屏的三根相線及零線采用去耦電感連接的復(fù)合型防雷箱。②配電屏內(nèi)各分路開關(guān)也應(yīng)配接相應(yīng)型號的電源避雷器。③重要用電設(shè)備（如UPS、整流器、高頻開關(guān)電源等）的交流進(jìn)線端選用不同型號的電源避雷器。④電源或高頻開關(guān)電源的直流側(cè)，采用低壓避雷器進(jìn)行保護(hù)。（2）鐵塔及天線。①同軸電纜天饋線的金屬外護(hù)層的上部、下部和經(jīng)走線架進(jìn)機(jī)房入口處就近接地。②天饋線電纜進(jìn)入機(jī)房后與通信設(shè)備連接處安裝避雷器，避雷器接地端子就近引接到室外接地線上，避雷器指標(biāo)與符合電子設(shè)備的要求。（3）傳感器、太陽能與信號線的防雷與接地。傳感器、太陽能相對于天線塔處于保護(hù)位置，傳感器、太陽能要進(jìn)行接地處理；傳感器、太陽能的電纜由地下進(jìn)出機(jī)房，電纜內(nèi)芯線在進(jìn)站處，應(yīng)加裝相應(yīng)的避雷器。為防止雷電侵入信號線路，在線路上把雷電脈沖泄放掉或堵住，一般采用信號避雷器分流、多級泄放、引流入地技術(shù)。（4）聯(lián)合接地系統(tǒng)。①地網(wǎng)應(yīng)按均壓、等電位的原理，將工作地、保護(hù)地和防雷地組成一個聯(lián)合接地網(wǎng)。站內(nèi)各類接地線從接地網(wǎng)上分別接入。②地網(wǎng)由機(jī)房地網(wǎng)、鐵塔地網(wǎng)組成，并充分利用機(jī)房建筑物的地基、鐵塔基礎(chǔ)內(nèi)的主鋼筋和地下其它金屬設(shè)施作為接地體的一部分。機(jī)房地網(wǎng)沿機(jī)房建筑物散水點(diǎn)外設(shè)有環(huán)型接地裝置，還利用機(jī)房建筑物基礎(chǔ)橫豎梁內(nèi)兩根以上主鋼筋共同組成機(jī)房地網(wǎng)。③增設(shè)環(huán)行接地裝置，由水平接地體和垂直接地體組成，水平接地體與地網(wǎng)在同一水平線上，環(huán)形接地裝置與地網(wǎng)之間以及環(huán)形接地裝置之間相互焊接；在鐵塔四周設(shè)置輻射式延伸接地體。④接地體：為防止跨步電壓應(yīng)盡量降低接地體的接地電阻，接地電阻必須小于10Ω。如土壤的電阻率太高，應(yīng)采用降阻劑、均壓地網(wǎng)。接地體埋深應(yīng)達(dá)1m以上，集中接地體的埋設(shè)位置與建筑物的出入口及主要通道之間的距離應(yīng)保持3m以上。5.3 對雷電侵入的內(nèi)部保護(hù)措施（1）屏蔽措施。是利用金屬屏蔽體來阻擋和衰減施加在設(shè)備上的電磁干擾或過電壓能量。建筑物的屏蔽利用建筑物的鋼筋、金屬構(gòu)架金屬門窗、地板等，相互焊接再一起，形成一個法拉第籠，并與地網(wǎng)可靠連接。設(shè)備的屏蔽應(yīng)在對設(shè)備耐過電壓水平調(diào)查的基礎(chǔ)上，按IEC標(biāo)準(zhǔn)實(shí)行多級屏蔽，屏蔽層尺寸最好接近于電磁波的波長、網(wǎng)孔密度、屏蔽材料。各種線纜均要采取屏蔽措施，金屬電纜槽、金屬軟導(dǎo)管、硬導(dǎo)管等均可以用于屏蔽線纜，應(yīng)將電纜完全封閉在金屬導(dǎo)管里，同時(shí)采取等電位連接。（2）等電位連接。IEC標(biāo)準(zhǔn)中指出等電位連接是內(nèi)部防雷裝置的一部分，其目的是減少雷電流所引起的電位差。等電位是用連接導(dǎo)線或過電壓保護(hù)器將防雷裝置、建筑物的金屬構(gòu)架、金屬裝置、外來導(dǎo)線、電器裝置等連接起來，形成一個等電位連接網(wǎng)絡(luò)，防止防雷空間的火災(zāi)、爆炸、生命危險(xiǎn)和設(shè)備損壞。若干等電位連接帶，分別就近連接到環(huán)型接地體上，如無環(huán)型接地體時(shí)，等電位連接帶應(yīng)連到各自的接地體，并用一內(nèi)部環(huán)型導(dǎo)體連接起來。6、結(jié)束語以上我們分析了雷擊形成及其危害的形式，介紹了防雷的基本原則和方法，重點(diǎn)敘述無線遙測設(shè)備的防雷措施方法和一些技術(shù)要求，希望通過本文能夠提高防雷意識，對洪水預(yù)警報(bào)系統(tǒng)站點(diǎn)的建設(shè)有指導(dǎo)作用，熟練掌握防雷、抗雷的基礎(chǔ)知識和基本技能，在站點(diǎn)建設(shè)中能夠按照防雷的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)、組織施工，以提高站點(diǎn)的可靠性。