洪水預(yù)警報系統(tǒng)防雷設(shè)計方案探討

1、洪水預(yù)警報系統(tǒng)防雷設(shè)計方案探討摘要：本文主要針對近年來洪水預(yù)警報系統(tǒng)頻繁遭受雷擊而提出，從查找問題、分析原因入手，以理論計算為依據(jù)，參照電子信息系統(tǒng)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行防雷方案探討，目的是引起有識之士共同關(guān)注洪水預(yù)警報系統(tǒng)的雷擊安全。 關(guān)鍵詞：洪水預(yù)警報系統(tǒng) 直擊雷 感應(yīng)雷 防雷保護(hù) 前 言：隨著社會經(jīng)濟發(fā)展，人們防洪意識不斷增強，洪水預(yù)警報系統(tǒng)要求己越來越高，系統(tǒng)可靠性、安全性也成為防汛部門日常工作重點。隨著系統(tǒng)規(guī)模不斷擴大，其內(nèi)部各種電子設(shè)備使用日趨增多，尤其是計算機網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)普及，各種信息化電子設(shè)備被廣泛采用。但是，系統(tǒng)遭受雷擊造成設(shè)備損壞、數(shù)據(jù)中斷也逐步成為預(yù)警報系統(tǒng)維護(hù)的棘手問題。如200

2、4年度我市云霄一帶測站、中繼站、中心站多次被雷擊（見表1），南靖中心站也兩次被擊，多次造成發(fā)射與接收裝置、傳真設(shè)備、電話、計算機等設(shè)備的損壞，不僅造成嚴(yán)重的經(jīng)濟損失，而且造成數(shù)據(jù)的一度中斷，造成防汛指揮的被動。表12004年度云霄測站雷擊情況表站名云霄中心筆架山中繼站峰頭測站杜塘測站泮坑測站梁一測站雷擊次數(shù)143441雷擊設(shè)備主板、發(fā)射與接收裝置、傳真、電話、避雷裝置及線路燒毀等為此，本文就從洪水預(yù)警報系統(tǒng)情況入手，參照國家標(biāo)準(zhǔn)建筑物防雷設(shè)計規(guī)范GB50057-94、建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范GB50343-2004等規(guī)定進(jìn)行該系統(tǒng)防雷分析設(shè)計。1概 況：漳州位于福建南端，江流縱橫，河流密

3、布，水系十分發(fā)育。境內(nèi)僅100平方公里河流11條，流域面積約19336平方公里，干流總長度895公里。主要河流有九龍江、漳江、鹿溪、東西溪等。目前，漳州市洪水預(yù)警報系統(tǒng)一期建設(shè)己完成，二期規(guī)劃也正在進(jìn)行中?，F(xiàn)有113個測站、17個中繼站、31個中心站及市縣兩級現(xiàn)代化防汛指揮中心12個。市級己建設(shè)現(xiàn)代化防汛指揮中心、視頻會議系統(tǒng)、洪水預(yù)警報系統(tǒng)、防汛指揮決策系統(tǒng)以及在建的九龍江流域洪水實時預(yù)報調(diào)度系統(tǒng)，內(nèi)建局域網(wǎng)，接入Internet網(wǎng)。2雷擊原因分析根據(jù)國標(biāo)建筑物防雷設(shè)計規(guī)范GB50057-94規(guī)定，建筑物的防雷區(qū)劃分為LPZOA，LPZOB，LPZ1，LPZn+1等區(qū)。目前洪水預(yù)警報系統(tǒng)的測

4、站和中繼站位于LPZOA分區(qū)；中心站各設(shè)備分屬LPZOA、LPZOB、LPZ1分區(qū)。從2004年度的設(shè)備損壞程度和了解當(dāng)?shù)毓ぷ魅藛T的情況分析，損壞的直接原因是直擊雷和感應(yīng)雷。而系統(tǒng)受雷擊可能是由于防雷裝置的設(shè)計施工不夠規(guī)范、過于簡陋等原因?qū)е?，以及將電子設(shè)備等同于一般電氣設(shè)備的防雷設(shè)計，這是極不應(yīng)該的。由于電子信息系統(tǒng)屬于微電子技術(shù)范疇，其對電磁場是極其敏感的，而且網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的集成電路芯片耐壓能力很弱，通常在100伏以下，防止雷電波從其它渠道入侵是不可缺少的。直擊雷LPZOA保護(hù)區(qū)的防雷設(shè)計已為電氣設(shè)計人員所熟知，主要由避雷網(wǎng)（帶）、避雷針或混合組成的接閃器，通過引下線進(jìn)入接地體，將強大的雷電流

5、引入大地。感應(yīng)雷的保護(hù)區(qū)LPZOB，LPZ1，LPZn+1即不可能直接遭受雷擊區(qū)域，對于電力工作者卻是陌生的。但由于感應(yīng)雷是由遭受雷擊電磁脈沖感應(yīng)或靜電感應(yīng)而產(chǎn)生的，形成感應(yīng)雷電壓的機率很高，對建筑物內(nèi)設(shè)備，尤其低壓電子設(shè)備威脅巨大，所以在關(guān)注外部設(shè)備的直擊雷同時，也應(yīng)對建筑物內(nèi)電子設(shè)備的防雷保護(hù)給予重視，特別是防止感應(yīng)雷的入侵。經(jīng)分析，由感應(yīng)雷產(chǎn)生的雷電過電壓過電流主要有三個途徑：（1）由供電電源線路入侵；（2）由建筑物內(nèi)計算機通信等外來導(dǎo)體入侵；（3）地電位反擊電壓通過接地體入侵。因此必須建立多層次的計算機防雷系統(tǒng)，層層防護(hù)，確保洪水預(yù)警報系統(tǒng)的安全。隨著2004年6月1日建筑物電子信息系

6、統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范GB50343-2004標(biāo)準(zhǔn)的實施，電子設(shè)備的防雷設(shè)計有了強制性的標(biāo)準(zhǔn)。為此，作為監(jiān)測水雨情的重要洪水預(yù)警報系統(tǒng)，探討其防雷設(shè)計是有其迫切性。3防雷方案確定3.1建筑物防雷類別的確定雷擊大地的年平均密度計算： 式中：年平均雷暴日。如漳州為60.5（da），杜塘水庫為68（da）。建筑物等效面積計算：由于水利工程管理單位的建筑物高度一般小于100米。因此，計算公式為： 式中：L、W、H分別為建筑物的長、寬、高（m）。建筑物年預(yù)計雷擊次數(shù)計算： 式中：建筑物預(yù)計雷擊次數(shù)（次a）； 校正系數(shù)。因測站主要分布點有曠野和河邊，k分別取值計算。曠野取2，河邊及特別潮濕地取1.5； 建筑物所處

7、地區(qū)雷擊大地的年平均密度次（km2·a）； 與建筑物截收相同雷擊次數(shù)的等效面積（km2）。 例如：以云霄杜塘水庫為例計算多雷區(qū)、高雷區(qū)、強雷區(qū)的曠野與河邊的各參數(shù)值，并根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB50057-94和YD5003可查出直擊雷防護(hù)類別如下表：等級多雷區(qū)402.900.01710.0744三類0.0992三類高雷區(qū)604.920.01710.1262三類0.1693三類強雷區(qū)685.790.01710.1485三類0.1980三類考慮到預(yù)警報系統(tǒng)的各測站雖屬一般性建筑，但由于洪水預(yù)警報系統(tǒng)的通信設(shè)備大量使用微電子電路，其抗過壓能力很低，且從2004年度記錄可知杜塘水庫的雷擊四次分析，大大超

8、過理論計算的最大值0.1980，同時洪水預(yù)警報系統(tǒng)就是要求在這種雷電暴雨的惡劣環(huán)境中運行可靠。為此，建議重要站點及中心站應(yīng)采取防雷建筑物二類設(shè)計。3.2建筑物電子信息系統(tǒng)防護(hù)等級確定雷電防護(hù)等級劃分有雷擊風(fēng)險評估和系統(tǒng)重要性、使用性確定雷電防護(hù)等級。按建筑物年預(yù)計雷擊次數(shù)N1和建筑物入戶設(shè)施年預(yù)計雷擊次數(shù)N2確定N（次/年）值：當(dāng)NNC時，其中：NC5.8×101.5/C（次/年）（C為各類因子，計算方法見GB50343-2004附件A），可不安裝雷電防護(hù)裝置；當(dāng)NNC時，應(yīng)安裝雷電防護(hù)裝置，按防護(hù)裝置攔截效率，確定其雷電防護(hù)等級（A、B、C、D級）。按電子信息系統(tǒng)的重要性和使用性質(zhì)

9、確定雷電防護(hù)分級：根據(jù)GB50343-2004表4.3.1規(guī)定選擇雷電防護(hù)等級。一般洪水預(yù)警報系統(tǒng)的測站、中繼站選D級。因該系統(tǒng)要求在惡劣環(huán)境中運行可靠，建議重要中心站選用C級。3.3方案確定根據(jù)上述計算與分析，洪水預(yù)警報系統(tǒng)測站、中繼站、中心站的防雷設(shè)計可按以下類別與等級防護(hù)設(shè)計。根據(jù)GB50057-94與GB50343-2004規(guī)定并結(jié)合實際情況，建議選定防護(hù)設(shè)計方案如下：站點類別等級分區(qū)設(shè)計方案測站、中繼站三類D級LPZ0A避雷針、引下線、外屏蔽、接地裝置、共用接地系統(tǒng)中心站二類C級LPZ0A LPZ0BLPZ1避雷針、引下線、外屏蔽、接地裝置、共用接地系統(tǒng)、屏蔽（隔離）、等電位連接、合

10、理布線、浪涌保護(hù)同時，本文防雷系統(tǒng)考慮采用內(nèi)部、外部相結(jié)合的防雷措施為設(shè)計基礎(chǔ)，按照GB50343-2004規(guī)定構(gòu)筑綜合防雷系統(tǒng)圖（如圖1）。圖1 綜合防雷系統(tǒng)圖4外部防雷設(shè)計4.1接閃器的設(shè)計：考慮到測站、中繼站、中心站的實際情況以及假設(shè)中心站的機房屋面己無需保護(hù)其它設(shè)備，屋面接閃器己采用避雷帶與建筑物混凝土內(nèi)的鋼筋相連構(gòu)成暗裝避雷網(wǎng)。若天線安裝在鐵塔上或屋面仍未受保護(hù)，可加裝避雷針保護(hù)，如圖2所示，設(shè)接閃器的滾球半徑為R、天線頂端距地高度為h米，距避雷針的距離為d米。則避雷針高H（米）計算為： 圖2 避雷針示意圖避雷針宜采用圓鋼或焊接鋼管制成，針長1m以下采用圓鋼12mm或鋼管20mm。

11、針長12m采用圓鋼16mm或鋼管25mm。避雷網(wǎng)和避雷帶宜采用圓鋼或扁鋼，優(yōu)先采用圓鋼，防腐處理。4.2引下線的設(shè)計：引下線宜優(yōu)先采用圓鋼或扁鋼，并經(jīng)最短路徑接地，多根引下線時宜裝設(shè)斷接卡，并采取防腐措施和保護(hù)設(shè)施。 4.3接地網(wǎng)的設(shè)計：按照水平網(wǎng)狀方式布置的地網(wǎng)，其接地電阻計算公式為：式中：為土壤電阻率,S為地網(wǎng)中面積，L為接地體總長度包含垂直接地體，d接地體直徑，h為接地體埋深。按照水平網(wǎng)狀加垂直接地體的混合方式布置的地網(wǎng)，其接地電阻計算公式為：單獨接地體的沖擊接地電阻：單獨接地體的工頻沖擊接地電阻單獨接地體的沖擊系數(shù)水平加根垂直接地體的沖擊接地電阻：每根垂直接地體的沖擊接地電阻()水平接

12、地體的沖擊接地電阻()接地體的沖擊利用系數(shù)垂直接地體宜采用角鋼、鋼管或圓鋼；水平接地體宜采用扁鋼或圓鋼；接地線應(yīng)與水平接地體的截面相同。垂直接地體的長度宜為2.5m，垂直接地體間距及水平接地體間距為5m，埋設(shè)深度為0.8m。在高土壤電阻率地區(qū)，應(yīng)采取措施降低防直擊雷接地裝置的接地電阻，連接采用焊接，并在焊接處作防腐處理。接地裝置工頻接地電阻的計算應(yīng)符合國標(biāo)工業(yè)與民用電力裝置的接地設(shè)計規(guī)范GBJ65-83規(guī)定。測站、中繼站的設(shè)備應(yīng)有良好的接地，建議接地電阻取用4，高土壤電阻率地區(qū)可放寬至 <10。但中心站應(yīng)采用專用接地裝置時，其接地電阻不得大于4。采用綜合接地網(wǎng)時，根據(jù)國標(biāo)GB 5

13、0343-2004強制性條文5.2.5規(guī)定取用最小值，在此建議接地電阻一般不大于1。優(yōu)先利用自然接地體，接地電阻達(dá)不到要求時增加人工接地體，在建筑物四周散水坡外大于1m處埋設(shè)成環(huán)形接地體，并可作為總等電位連接帶使用。4.4外部設(shè)備屏蔽:為減少電磁干擾的感應(yīng)效應(yīng)，結(jié)合發(fā)射與接收裝置的實際情況，外部設(shè)備屏蔽措施采取金屬外殼屏蔽。5內(nèi)部防雷設(shè)計:內(nèi)部防雷設(shè)計主要是電磁脈沖的防護(hù),即在建筑物遭受直擊雷或附近遭雷擊的情況下，防止線路和設(shè)備產(chǎn)生過電流和過電壓即電涌。5.1電源線路的防雷設(shè)計考慮電源線路應(yīng)改用電纜進(jìn)出，由于供電是TN交流配電系統(tǒng)，接地方式采用TNS。同時配電線路設(shè)備的耐沖擊過電壓、浪涌保護(hù)器

14、安裝位置及漳州市洪水預(yù)警報系統(tǒng)的電源設(shè)備分類均按照規(guī)定設(shè)計（如圖3、圖4）。在LPZ0A或LPZ0B與LPZ1交界處應(yīng)安裝通過I級分類試驗的浪涌保護(hù)器或限壓型浪涌保護(hù)器作為第一級保護(hù)；從LPZ1區(qū)起各分區(qū)交界處安裝限壓型浪涌保護(hù)器。連接線要求平直、簡短并在規(guī)定允許值范圍內(nèi)。圖 3 耐沖擊電壓類別及浪涌保護(hù)器安裝位置（TN_S）5.2浪涌保護(hù)器選擇：電源線路浪涌保護(hù)器SPD1、SPD2、SPD3的型號選擇，可按照設(shè)備保護(hù)分級、防雷分區(qū)、安裝位置級別，根據(jù)浪涌保護(hù)器的各參數(shù)值查GB50343-2004表5.4.1-2選定。圖4漳州市洪水預(yù)警報系統(tǒng)的電源設(shè)備分類圖5.3天饋線路的防雷與接地如上所述架

15、空天線己采取避雷針保護(hù)，置于直擊雷防護(hù)區(qū)(LPZ0B)內(nèi)。為此，天饋線路浪涌保護(hù)器可根據(jù)被保護(hù)設(shè)備的各特性參數(shù)值查GB50343-2004表5.4.1-1、表5.4.1-2選擇。由于受避雷針保護(hù)，其雷電波主要是感應(yīng)雷電流，幅值一般低于KA，而高頻電纜不能裝過多的浪涌保護(hù)器增加損耗，因此，設(shè)計在接收與發(fā)射裝置的射頻出、入端口處安裝浪涌保護(hù)器即可。多副天線的天饋傳輸系統(tǒng)，每副天線安裝適配的天饋浪涌保護(hù)器。接地端采用截面積不小于6mm2的多股絕緣銅導(dǎo)線連接到LPZ0A或LPZ0B與LPZl交界處的等電位接地端子板上；另饋線從天線上下來應(yīng)每隔5米，將饋線屏蔽層與鐵塔進(jìn)行電氣連接，以防止側(cè)擊，在入口處與

16、其屏蔽層、機房內(nèi)匯流排連接，同軸電纜的上部、下部及進(jìn)機房入口前應(yīng)將金屬屏蔽層就近接地。5.4 信號線路的防雷與接地進(jìn)出建筑物的信號線纜，選用有金屬屏蔽層的電纜并埋地敷設(shè)如電話網(wǎng)、有線電視網(wǎng)、計算機網(wǎng)絡(luò)也必須根據(jù)國標(biāo)GB 50343-2004第5.4.4、5.4.5、5.4.9條規(guī)定做好防雷與接地保護(hù)。在LPZ0A或LPZ0B與LPZl交界處電纜金屬屏蔽層做等電位連接并接地。系統(tǒng)的信號線纜內(nèi)芯線相應(yīng)端口安裝適配的信號線路浪涌保護(hù)器，浪涌保護(hù)器的接地端及電纜內(nèi)芯的空線對應(yīng)接地。浪涌保護(hù)器應(yīng)根據(jù)各特性參數(shù)值查GB50343-2004表5.4.1-1、表5.4.1-2選擇。光纖接入在入口處做好接地保護(hù)

17、。5.5外來導(dǎo)體處理：所有水管和電纜金屬穿管要求埋地進(jìn)入機房，水管和電纜鎧裝外皮和保護(hù)金屬管在進(jìn)入機房時接地，電纜選用鎧裝電纜或穿金屬管埋地進(jìn)入機房電纜相線和中線通過浪涌保護(hù)器接地。5.6屏蔽與布線要求洪水預(yù)警系統(tǒng)設(shè)備機房的屏蔽符合國標(biāo)GB50343-2004第5.2.5條規(guī)定，線纜屏蔽應(yīng)符合第5.2.6條規(guī)定。線纜敷設(shè)按第5.3.3條規(guī)定，合理布置線纜主干線的金屬線槽，并根據(jù)GB50343-2004表5.3.3-1和表5.3.3-2的規(guī)定，合理布置線纜與引下線、保護(hù)地線、給水管等其他管線的間距以及線纜與電力電纜、變電室、配電箱等設(shè)備的間距。同時施工時，要求注意系統(tǒng)信號線纜的路由走向，減小線纜

18、自身形成的感應(yīng)環(huán)路面積。5.7等電位連接與共用接地系統(tǒng)設(shè)計為改進(jìn)電磁環(huán)境，機房考慮等電位連接與總匯流排做好金屬連接，并與防雷裝置相連。機房設(shè)等電位連接網(wǎng)絡(luò)，等電位連接網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)形式采用S型和M型兩種結(jié)構(gòu)形式組合，各設(shè)備以最短的距離與等電位網(wǎng)相連接。LPZ0A或LPZ0B與LPZ1交界處應(yīng)設(shè)置總等電位接地端子板，每層樓設(shè)置樓層等電位接地端子板，設(shè)備機房設(shè)置等電位接地端子板。共用接地裝置與總等電位接地端子，通過接地干線引至樓層等電位接地端子板，由此引至設(shè)備機房的局部等電位接地板。接地干線要求采用多股銅芯導(dǎo)線或銅帶，其截面積不應(yīng)小于16mm2。接地干線在電氣豎井內(nèi)明敷，并應(yīng)與樓層主鋼筋作等電位連接。不同樓層的綜合布線系統(tǒng)設(shè)備間或不同雷電防護(hù)區(qū)的配線交接間設(shè)置局部等電位接地端子板。樓層配線柜的接地線采用絕緣銅導(dǎo)線，截面積不應(yīng)小于16mm2。優(yōu)先選擇自來水管等自然構(gòu)件和配電的保護(hù)接地系統(tǒng)等與防雷裝置組成一個共用接地系統(tǒng)，并預(yù)埋等電位連接板。6結(jié)束語：防雷保護(hù)設(shè)計是一項復(fù)雜的工程設(shè)計，想做到萬無一失是很難的。但只要大家在實際工作中多