防雷技术

洪水预警报无线遥测系统的防雷问题

林 志（福建省洪水预警报中心，福建福州 350001）摘 要 

本文结合日常运行管理和实践工作的一些体会，分析了雷击危害的形式，介绍防雷的基本原则和方法，重点叙述无线遥测设备的防雷措施方法，提高防雷意识和防雷、抗雷的基本技能，指导洪水预警报站点的建设。关键词 雷击 无线遥测 防雷 措施1 引言雷电是大自然的一种放电现象。由于其具有放电电压高，闪电电流幅值大，变化快，放电过程时间短，炽热的高温，猛烈的冲击波，剧变的电磁场以及强烈的电磁辐射等特性。洪水预警报无线遥测系统，由于其天馈线、传感器和电源都暴露在室外，且不仅高度高，而且常位于相对绝缘的地基平台上，是雷击的首要目标。另外遥测终端与外界传感器、太阳能等接口，线路长等原因，给雷电的耦合提供了条件。更主要的是设备越来越多地应用微电子技术，而微电子设备由于其集成化程度高，工作信号电压低，故电磁兼容能力差，很容易受感应脉冲电压的袭击、感应雷的危害，增加了受雷电危害的概率，雷电危害成了系统安危的一个重要的问题。2 雷电放电的主要危害形式2.1 直接雷击雷云直接通过物体对地放电所产生的电击现象，雷电击中物体时，强大的雷电流转变成热能，对物体形成破坏。击中金属管道或导线时，不仅雷电流会对相连设备造成危害，同时雷电流从导线传送到用电设备，将产生一个强大的雷电冲击波及其反射波，反射波与冲击波叠加，形成驻波，驻波对电子设备有强大的破坏力。2.2 感应雷击从雷云密布到发生闪电放电的整个过程中，雷电活动区会形成下述的感应雷电的危害形式。（1）静电感应：雷云底部分布着大量的负电荷，并产生静电场，在雷云所覆盖的地表面和各种物体上，尤其是导体上，将产生与底部电荷相反的电荷。在雷云与地面或另一雷云放电后，云中电荷消失，地表电荷将放电，这种放电电流是一种很大的脉冲电流，对用电设备造成危害。（2）电磁感应：闪电电流在闪电通道周围的空间产生磁场，在闪电电流入地过程中，变化地磁场在附近导体上产生的感应电动势和感生电流，也会使电器设备遭到雷击而损坏。（3）电磁脉冲辐射：闪电放电时，一次闪电电流往往由几个短脉冲放电组成。脉冲电流就向外辐射电磁波，闪电的电磁脉冲辐射对瞬态电磁脉冲敏感的电子设备上，也会造成设备故障或损坏设备。（4）雷电过电压侵入：建筑物或设备已受到防直击雷的避雷装置的保护和屏蔽，但在进线、出线或有关金属管道上未采用防止雷电过电压侵入的措施，有时仍会遭受到雷害。直接雷或感应雷都有可能使金属管道或导线上产生过电压，这种过电压沿着金属管道或导线从远处雷区或防雷保护区域之外传来，侵入建筑物或设备内部，造成损坏，电子设备遭受雷电过电压的损害比例较大。（5）放电反击危害：由于雷电流幅值大，波头陡度高，雷电流流过时也会使防雷接地引下线和接地装置的电位骤升到上百千伏。如果建筑物的接地引下线与各种金属导线、管道或用电设备的工作地线间的绝缘距离未达到安全要求，则可能造成放电，从而使这些金属导线、管道或用电设备的工作地线上引入反击电流，造成人身和设备的雷击事故。此外，由于避雷接地装置在雷击瞬间使其周围的地电位上升，使该避雷接地装置与建筑物内其他设备的工作接地是分开的，因两个接地装置之间的距离不够安全要求而造成地中放电，致使仍处于零电位的其它设备的工作接地引入反击电流而损坏设备。2.3 球形雷一般是橙或红色，最大的直径可达1m，存在的时间一般是3-5s，一旦遇到物体或电气设备时会产生燃烧或爆炸，其主要是沿建筑物的孔洞或门窗进入室内，有的由烟囱或通气管道滚进楼房，多数沿带电体消失。3 雷电入侵的主要途径对于无线遥测系统，需要充分考虑雷电的入侵方式，这样才能有针对性地进行雷电防护，而雷电入侵的主要途径有：① 通过铁塔上避雷针或其它导电装置引入；②通过天馈线系统引入；③通过交直流供电线路引入；④通过传感器、信号线缆引入。4 防雷的基本原则及方法4.1 防雷的基本原则闪电源是一个电流源（电流波），一个非常大的电流从天空流入大地，就防雷保护而言，应该是为闪电电流提供一条低电阻的通道，将闪电电流泻入大地，耗散其能量。一个中等雷电的闪电电流幅值大约在100-300KA，且放电时间极短，大约为40µs，对于这样特大的电流只能疏通不能堵塞。防雷的基本途径就是要提供一条使雷电对地泻放的合理低阻抗路径，而不能让其随机性地选择放电通道。4.2 防雷的基本方法针对雷电放电的危害形式和防雷的基本原则，对不同的雷电危害应采用不同的防雷措施，主要采用以下几种方法：（1）接闪。让闪电放电不能任意选择放电通道，按照事先设计的防雷系统的规定通道将能量泻放到大地中去。接闪装置有避雷针、避雷线、避雷带、避雷网等，避雷针是通过把雷电引向自身来保护范围内的被保护对象免遭直击雷击的，避雷针的保护是靠“引火烧身”来实现的，它会产生一些负面效应有：产生感应雷，增加雷击概率和地位反击等。（2）均压连接。为减少对地泻放通道阻值，采用多根引下线，在引下线每隔一定高度，设置一个均匀环，把所有引下线作等电位连接，一直到接地装置为止，即为均压连接。建筑物内的金属设施，电子设备，如与接闪装置距离达不到规定的安全要求时，也进行等电位连接。如设备需要较低的接地电阻，则可以作一个专用接地装置，该接地装置可通过保护间隙或放电器与环型接地装置相连，以保护正常时两接地隔离，雷击时两接地连通，达到电位均衡。（3）接地。接地就是让已经纳入防雷系统的闪电电流顺利地流入大地，而不能让雷电能量集中在防雷系统的某处产生破坏作用，良好的接地才能有效地泻放雷电能量，降低引下线上的电压，避免发生反击。（4）分流。分流是现代防雷技术的重点，是防护电子设备的关键措施，即在一切从室外来的导线与接地装置或接地线之间并联一种适当的避雷器。不仅电缆要装避雷器，而且在一些电子设备机壳也需要装避雷器。现在电器避雷器以超出了分流的范围，有些避雷器可直接串联在信号线或天线馈线上，使有用信号通过设备，而对雷电过电压波隔离开，并传送到大地。（5）屏蔽。屏蔽即用金属网，金属壳或管子等导线把需要保护的对象包围起来，且妥善接地，使闪电的电磁脉冲波从空间入侵的通道截断。5 无线遥测系统防雷的主要措施一个的无线遥测站点防雷系统，涉及的主要有：天线、铁塔、机房及电子设备、供电、传感器、进出电缆等，暴露在野外、室外，极易遭受雷击，必须采取综合的防雷保护措施。5.1 遥测站点传统防雷措施（1）铁塔与天馈线系统的防雷与接地。①铁塔有完善的防直击雷及二次感应雷的防雷装置。②电缆的金属外护层应在塔顶及进机房入口处的外侧就近接地。③天线在接闪器的保护范围内，接闪器设置有专用雷电流引下线，材料采用40mm*4mm、的镀锌扁钢。（2）交直流电防雷与接地。①交流供电系统采用三相四线制，设置有专用电力变压器，采用铠装绝缘护套电缆，电缆两端金属外护套接地，电缆的外皮铠装层从变压器到机房间每隔一定距离设有接地网进行接地。②电力电缆三根相线加有氧化锌避雷器，出入机房的所有电力线均在出口处加装避雷器。③变压器的机壳、低压侧的交流零线以及与变压器相连的电力电缆的金属外护层已就近接地。④进入机房的低压电力电缆从地下引入机房，其长度不小于50m，电力电缆在进入配电屏处应加装避雷器。（3）机房的防雷与接地。①机房有完善的防直击雷及抑制二次感应雷的防雷装置。②机房顶部的各种金属设施，分别与屋顶避雷带就近接通。③机房内走线架、吊线铁架、机架或机壳、金属通风管道、金属门窗等均保护接地。保护接地引线采用截面积大于35mm的多股铜导线。（4）接地线和接地引入线。①接地线采用短、直，截面积为35~95 mm的多股铜导线。②接地引入线长度不超过30m，其材料为镀锌扁钢，截面积不小于40mm*40mm。接地引入线作了防腐、绝缘处理，埋设时避开了其它管道和水沟，设有防止机械损伤的措施。③接地引入线就近与机房内接地汇集线连通。④地网的接地电阻小于10Ω，并并尽量降低接地电阻。5.2 防雷措施新方法（1）供电系统。①交流屏、整流器应设有分级防护装置，低压配电屏的三根相线及零线采用去耦电感连接的复合型防雷箱。②配电屏内各分路开关也应配接相应型号的电源避雷器。③重要用电设备（如UPS、整流器、高频开关电源等）的交流进线端选用不同型号的电源避雷器。④电源或高频开关电源的直流侧，采用低压避雷器进行保护。（2）铁塔及天线。①同轴电缆天馈线的金属外护层的上部、下部和经走线架进机房入口处就近接地。②天馈线电缆进入机房后与通信设备连接处安装避雷器，避雷器接地端子就近引接到室外接地线上，避雷器指标与符合电子设备的要求。（3）传感器、太阳能与信号线的防雷与接地。传感器、太阳能相对于天线塔处于保护位置，传感器、太阳能要进行接地处理；传感器、太阳能的电缆由地下进出机房，电缆内芯线在进站处，应加装相应的避雷器。为防止雷电侵入信号线路，在线路上把雷电脉冲泄放掉或堵住，一般采用信号避雷器分流、多级泄放、引流入地技术。（4）联合接地系统。①地网应按均压、等电位的原理，将工作地、保护地和防雷地组成一个联合接地网。站内各类接地线从接地网上分别接入。②地网由机房地网、铁塔地网组成，并充分利用机房建筑物的地基、铁塔基础内的主钢筋和地下其它金属设施作为接地体的一部分。机房地网沿机房建筑物散水点外设有环型接地装置，还利用机房建筑物基础横竖梁内两根以上主钢筋共同组成机房地网。③增设环行接地装置，由水平接地体和垂直接地体组成，水平接地体与地网在同一水平线上，环形接地装置与地网之间以及环形接地装置之间相互焊接；在铁塔四周设置辐射式延伸接地体。④接地体：为防止跨步电压应尽量降低接地体的接地电阻，接地电阻必须小于10Ω。如土壤的电阻率太高，应采用降阻剂、均压地网。接地体埋深应达1m以上，集中接地体的埋设位置与建筑物的出入口及主要通道之间的距离应保持3m以上。5.3 对雷电侵入的内部保护措施（1）屏蔽措施。是利用金属屏蔽体来阻挡和衰减施加在设备上的电磁干扰或过电压能量。建筑物的屏蔽利用建筑物的钢筋、金属构架金属门窗、地板等，相互焊接再一起，形成一个法拉第笼，并与地网可靠连接。设备的屏蔽应在对设备耐过电压水平调查的基础上，按IEC标准实行多级屏蔽，屏蔽层尺寸最好接近于电磁波的波长、网孔密度、屏蔽材料。各种线缆均要采取屏蔽措施，金属电缆槽、金属软导管、硬导管等均可以用于屏蔽线缆，应将电缆完全封闭在金属导管里，同时采取等电位连接。（2）等电位连接。IEC标准中指出等电位连接是内部防雷装置的一部分，其目的是减少雷电流所引起的电位差。等电位是用连接导线或过电压保护器将防雷装置、建筑物的金属构架、金属装置、外来导线、电器装置等连接起来，形成一个等电位连接网络，防止防雷空间的火灾、爆炸、生命危险和设备损坏。若干等电位连接带，分别就近连接到环型接地体上，如无环型接地体时，等电位连接带应连到各自的接地体，并用一内部环型导体连接起来。6、结束语以上我们分析了雷击形成及其危害的形式，介绍了防雷的基本原则和方法，重点叙述无线遥测设备的防雷措施方法和一些技术要求，希望通过本文能够提高防雷意识，对洪水预警报系统站点的建设有指导作用，熟练掌握防雷、抗雷的基础知识和基本技能，在站点建设中能够按照防雷的要求进行设计、组织施工，以提高站点的可靠性。