洪水預警報系統(tǒng)防雷設計方案探討

PAGEPAGE13摘要：本文主要針對近年來洪水預警報系統(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)范標準進行防雷方案探討，目的是引起有識之士共同關注洪水預警報系統(tǒng)的雷擊安全。關鍵詞：洪水預警報系統(tǒng)直擊雷感應雷防雷保護前言：隨著社會經濟發(fā)展，人們防洪意識不斷增強，洪水預警報系統(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，其內部各種電子設備使用日趨增多，尤其是計算機網(wǎng)絡信息技術普及，各種信息化電子設備被廣泛采用。但是，系統(tǒng)遭受雷擊造成設備損壞、數(shù)據(jù)中斷也逐步成為預警報系統(tǒng)維護的棘手問題。如2004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、傳真設備、電話、計算機等設備的損壞，不僅造成嚴重的經濟損失，而且造成數(shù)據(jù)的一度中斷，造成防汛指揮的被動。為此，本文就從洪水預警報系統(tǒng)情況入手，參照國家標準《建筑物防雷設計規(guī)范》GB50057-

94、《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術規(guī)范》GB50343-2004等規(guī)定進行該系統(tǒng)防雷分析設計。1概況：漳州位于福建南端，江流縱橫，河流密布，水系十分發(fā)育。境內僅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，漳州市洪水預警報系統(tǒng)一期建設己完成，二期規(guī)劃也正在進行中?，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。市級己建設現(xiàn)代化防汛指揮中心、視頻會議系統(tǒng)、洪水預警報系統(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報調度系統(tǒng)，內建局域網(wǎng)，接入Internet網(wǎng)。2雷擊原因分析根據(jù)國標《建筑物防雷設計規(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)。目前洪水預警報系統(tǒng)的測站和中繼站位于LPZOA分區(qū)；中心站各設備分屬LPZOA、LPZOB、LPZ1分區(qū)。從2004年度的設備損壞程度和了解當?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雷。而系統(tǒng)受雷擊可能是由于防雷裝置的設計施工不夠規(guī)范、過于簡陋等原因導致，以及將電子設備等同于一般電氣設備的防雷設計，這是極不應該的。由于電子信息系統(tǒng)屬于微電子技術范疇，其對電磁場是極其敏感的，而且網(wǎng)絡設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保護區(qū)的防雷設計已為電氣設計人員所熟知，主要由避雷網(wǎng)（帶）、避雷針或混合組成的接閃器，通過引下線進入接地體，將強大的雷電流引入大地。感應雷的保護區(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。但由于感應雷是由遭受雷擊電磁脈沖感應或靜電感應而產生的，形成感應雷電壓的機率很高，對建筑物內設備，尤其低壓電子設備威脅巨大，所以在關注外部設備的直擊雷同時，也應對建筑物內電子設備的防雷保護給予重視，特別是防止感應雷的入侵。經分析，由感應雷產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）由建筑物內計算機通信等外來導體入侵；

（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，確保洪水預警報系統(tǒng)的安全。隨著2004年6月1日《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術規(guī)范》GB50343-2004標準的實施，電子設備的防雷設計有了強制性的標準。為此，作為監(jiān)測水雨情的重要洪水預警報系統(tǒng)，探討其防雷設計是有其迫切性。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（d／a），杜塘水庫為68（d／a）。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）。建筑物年預計雷擊次數(shù)計算：式中：建筑物預計雷擊次數(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)標準GB50057-94和YD5003可查出直擊雷防護類別如下表：0.09920.16930.1980考慮到預警報系統(tǒng)的各測站雖屬一般性建筑，但由于洪水預警報系統(tǒng)的通信設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，大大超過理論計算的最大值0.1980，同時洪水預警報系統(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采取防雷建筑物二類設計。3.2建筑物電子信息系統(tǒng)防護等級確定雷電防護等級劃分有雷擊風險評估和系統(tǒng)重要性、使用性確定雷電防護等級。按建筑物年預計雷擊次數(shù)N1和建筑物入戶設施年預計雷擊次數(shù)N2確定N（次/年）值：當N＜NC時，其中：NC＝5.8×10－1.5/C（次/年）（C為各類因子，計算方法見GB50343-2004附件A），可不安裝雷電防護裝置；當N＞NC時，應安裝雷電防護裝置，按防護裝置攔截效率，確定其雷電防護等級（A、B、C、D級）。按電子信息系統(tǒng)的重要性和使用性質確定雷電防護分級：根據(jù)GB50343-2004表4.3.1規(guī)定選擇雷電防護等級。一般洪水預警報系統(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，洪水預警報系統(tǒng)測站、中繼站、中心站的防雷設計可按以下類別與等級防護設計。根據(jù)GB50057-94與GB50343-2004規(guī)定并結合實際情況，建議選定防護設計方案如下：避雷針、引下線、外屏蔽、接地裝置、共用接地系統(tǒng)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、合理布線、浪涌保護同時，本文防雷系統(tǒng)考慮采用內部、外部相結合的防雷措施為設計基礎，按照GB50343-2004規(guī)定構筑綜合防雷系統(tǒng)圖（如圖1）。4外部防雷設計4.1接閃器的設計：考慮到測站、中繼站、中心站的實際情況以及假設中心站的機房屋面己無需保護其它設備，屋面接閃器己采用避雷帶與建筑物混凝土內的鋼筋相連構成暗裝避雷網(wǎng)。若天線安裝在鐵塔上或屋面仍未受保護，可加裝避雷針保護，如圖2所示，設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：避雷針宜采用圓鋼或焊接鋼管制成，針長1m以下采用圓鋼φ12mm或鋼管φ20mm。針長1～2m采用圓鋼φ16mm或鋼管φ25mm。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引下線的設計：引下線宜優(yōu)先采用圓鋼或扁鋼，并經最短路徑接地，多根引下線時宜裝設斷接卡，并采取防腐措施和保護設施。4.3接地網(wǎng)的設計：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：ρ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(Ω)水平接地體的沖擊接地電阻(Ω)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，埋設深度為0.8m。在高土壤電阻率地區(qū)，應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符合國標《工業(yè)與民用電力裝置的接地設計規(guī)范》GBJ65-83規(guī)定。測站、中繼站的設備應有良好的接地，建議接地電阻取用4Ω，高土壤電阻率地區(qū)可放寬至<10Ω。但中心站應采用專用接地裝置時，其接地電阻不得大于4Ω。采用綜合接地網(wǎng)時，根據(jù)國標GB50343-2004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1Ω。優(yōu)先利用自然接地體，接地電阻達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外部設備屏蔽:為減少電磁干擾的感應效應，結合發(fā)射與接收裝置的實際情況，外部設備屏蔽措施采取金屬外殼屏蔽。5內部防雷設計:內部防雷設計主要是電磁脈沖的防護，即在建筑物遭受直擊雷或附近遭雷擊的情況下，防止線路和設備產生過電流和過電壓即電涌。5.1電源線路的防雷設計考慮電源線路應改用電纜進出，由于供電是TN交流配電系統(tǒng)，接地方式采用TN—S。同時配電線路設備的耐沖擊過電壓、浪涌保護器安裝位置及漳州市洪水預警報系統(tǒng)的電源設備分類均按照規(guī)定設計（如圖

3、圖4）。在LPZ0A或LPZ0B與LPZ1交界處應安裝通過I級分類試驗的浪涌保護器或限壓型浪涌保護器作為第一級保護；從LPZ1區(qū)起各分區(qū)交界處安裝限壓型浪涌保護器。連接線要求平直、簡短并在規(guī)定允許值范圍內。5.2浪涌保護器選擇：電源線路浪涌保護器SPD

1、SPD

2、SPD3……的型號選擇，可按照設備保護分級、防雷分區(qū)、安裝位置級別，根據(jù)浪涌保護器的各參數(shù)值查GB50343-2004表5.4.1-2選定。5.3天饋線路的防雷與接地如上所述架空天線己采取避雷針保護，置于直擊雷防護區(qū)(LPZ0B)內。為此，天饋線路浪涌保護器可根據(jù)被保護設備的各特性參數(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，其雷電波主要是感應雷電流，幅值一般低于KA，而高頻電纜不能裝過多的浪涌保護器增加損耗，因此，設計在接收與發(fā)射裝置的射頻出、入端口處安裝浪涌保護器即可。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器。接地端采用截面積不小于6mm2的多股絕緣銅導線連接到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每隔5米，將饋線屏蔽層與鐵塔進行電氣連接，以防止側擊，在入口處與其屏蔽層、機房內匯流排連接，同軸電纜的上部、下部及進機房入口前應將金屬屏蔽層就近接地。5.4信號線路的防雷與接地進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．如電話網(wǎng)、有線電視網(wǎng)、計算機網(wǎng)絡也必須根據(jù)國標GB50343-2004第5.4.

4、5.4.

5、5.4.9條規(guī)定做好防雷與接地保護。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)的信號線纜內芯線相應端口安裝適配的信號線路浪涌保護器，浪涌保護器的接地端及電纜內芯的空線對應接地。浪涌保護器應根據(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。5.5外來導體處理：所有水管和電纜金屬穿管要求埋地進入機房，水管和電纜鎧裝外皮和保護金屬管在進入機房時接地，電纜選用鎧裝電纜或穿金屬管埋地進入機房電纜相線和中線通過浪涌保護器接地。5.6屏蔽與布線要求洪水預警系統(tǒng)設備機房的屏蔽符合國標GB50343-2004第5.2.5條規(guī)定，線纜屏蔽應符合第5.2.6條規(guī)定。線纜敷設按第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，減小線纜自身形成的感應環(huán)路面積。5.7等電位連接與共用接地系統(tǒng)設計為改進電磁環(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。機房設等電位連接網(wǎng)絡，等電位連接網(wǎng)絡的結構形式采用S型和M型兩種結構形式組合，各設備以最短的距離與等電位網(wǎng)相連接。LPZ0A或LPZ0B與LPZ1交界處應設置總等電位接地端子板，每層樓設置樓層等電位接地端子板，設備機房設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線或銅帶，其截面積不應小于16mm2。接地干線在電氣豎井內明敷，并應與樓層主鋼筋作等電位連接。不同樓層的綜合布線系統(tǒng)設備間或不同雷電防護區(qū)的配線交接間設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線，截面積不應小于16mm2。優(yōu)先選擇自來水管等自然構件和配電的保護接地系統(tǒng)等與防雷裝置組成一個共用接地系統(tǒng)，并預埋等電位連接板。6結束語：防雷保護設計是一項復雜的工程設計，想做到萬無一失是很難的。但只要大家在實際工作中多注意、多查找防雷相關資料，嚴格按照國家規(guī)范善為謀劃、精心設計，并做好洪水預警報系統(tǒng)防雷的施工、驗收、維護和管理等環(huán)節(jié)工作。相信洪水預警報系統(tǒng)的防雷問題是能夠解決，系統(tǒng)發(fā)生數(shù)據(jù)中斷的概率也會越來越少。參改資料：國標：《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術規(guī)范》GB50343-2004建設部第215號公告國標：《建筑物防雷設計規(guī)范》(2000年版)GB50057-94建設部第24號公告國標：《工業(yè)與民用電力裝置的接地設計規(guī)范》GBJ65－83國家計劃委員會部標：《電信專用房屋設計規(guī)范》YD5003-94國家信息產業(yè)部部標：《移動通信基站防雷與接地設計規(guī)范》YD5068-98國家信息產業(yè)部戈東方鐘大文《電力工程電氣設計手冊》水利電力出版社1989.12附