水文缆道设施设备防雷设计及防护措施

张曦明 李建平 张景

摘   要：本文结合水文设施特点从雷电防护要求以及水文站防雷的特点、直接雷击的防护、感应雷击的防护、通信网络的防护、躲避防护及缆索防雷等分析防雷特点和防护措施。水文站宜划为三类防雷建筑，防雷设计应结合水文站设施、站房布置综合考虑，同时水文站选址、设施布置还要满足防雷要求。并从实践经验提出水文缆道防雷处理措施和注意事项。

关键词：水文设施  雷击  设计  措施

中图分类号：P335                                   文献标识码：A                        文章编号：1674-098X（2020）06（a）-0051-02

雷电是一种自然现象，雷击水文设施，可能使支架劈裂、倒塌、缆索断股、烧毁、设备损坏、人员触电击伤等。所以，对防雷问题应充分重视，保证防雷措施得当，确保安全。

1  雷电防护要求

根据GB-50057-94中《建筑物防雷设计规范》对预计雷击次数的规定，水文站达不到三类防雷建筑物的要求。水文站内有大量的信息系统，在设有信息系统的建筑物需要防雷电磁脉冲情况中，当建筑物没有装设防止直击雷装置以及不处于其他建筑物或者物体的保护范围之内时，宜按照第三类防雷建筑物采取防直击雷的防雷措施。在需要考虑屏蔽情况中，防直击雷接闪器宜采用避雷网，宜将水文站划入三类防雷建筑。

2  水文站的雷击防护措施

采取因地制宜的防雷措施对水文站进行雷电防护，包括直接雷击防护和感应雷击防护等方面。

2.1 水文站防雷的特点

水文站的位置一般在河流邊，水文设施突出在河流两岸和水面上，站房孤立在空旷的空间，高出周围的地形地物很多，很容易成为雷电袭击的目标，由于水文站一般建筑面积小，因此不利于多级防雷。水文缆道处于非直击雷区，跨度大，很容易受到雷击，并且水文缆道系统信号电路多，抗击雷击能力差。一般水文站380V交流供电线路架空明线，接入到站区的附近然后地埋引入建筑内部，一部分的水文站由10kV电力线架空接入，经过变压器以后再地埋引入建筑内部。乡村与山区地理措施差，容易感应雷电电磁脉冲。

2.2 直接雷击的防护

直接雷击是指雷云直接通过树木、机电设备、建筑物和人体等被保护物放电。直击雷的高电流、高热效、高机械力极具破坏性，会造成建筑物损毁和人员伤亡，危害非常大。

直接雷击的防护主要方法是接地。接闪器接收了雷电中的电荷无处释放，与大地相接就能中和接闪器中的电荷，达到电荷平衡，避免雷电对建筑以及人员造成伤害。在此过程中应该尽量使接地电阻减小，有利于雷电流快速通过防雷系统。

在站房的雷电防护中适合选择避雷带避免直接雷击的威胁。此外，由于水位和雨量是在野外观测，在一些室外设备中（比如太阳能电池板、雨量计和天线等）可以选择安装避雷针避免直接雷击，选择合适的避雷针以充分保证设备在避雷针保护范围半径内，水位和雨量的信息传输线要采用屏蔽线，同时金属部件接地处理。

在某些特殊情况下做特殊防雷击处理。比如缆道索的两端分别固定在两岸的铁塔上，中间为一根钢绞线横跨于江河两岸，这样就成为了一条长度较长的避雷线，雷雨天气受到雷击威胁的程度非常大，为避免直接雷击最简单的方式就是将铁塔的两脚或者两脚以上与地网相连，在遭受雷击以后能够迅速的将电荷释放给大地，与大地中所带的异性电荷相中和，保护设施安全。

水文缆道遭受雷击的可能次数，可按经验公式估算：N=0.015nk（a+10h）（b+10h）×10-6

其中N-年雷击次数（次/年）;n-年平均雷电日，依据当地气象台站资料确定;k-晓正系数（考虑雷击的选择性），依据经验选择;a、b、h-建筑物的长、宽、高，对于水文缆道，宽度b为零（m）。因此多雷区的较大跨度的缆道，遭受雷击的可能性是很大的。在我国国标电力设计技术规范“建筑物和构筑物的方雷篇”中推荐一般建筑物和构筑物的可能雷击次数N不小于0.03次/年时，则应考虑防雷保护，这项规定可供水文缆道考虑防雷时参考。

2.3 感应雷击的防护

感应雷危害是在雷云活动中通过静电感应和电磁感应的途径对设备和人员产生危害，具有高危险过电压。

电源的配电箱应该根据相关雷电参数的规定安装电涌保护器SPD，如果所安装的电涌保护器不能够保护距离较远的设备，还应该再安装第二级电涌保护器。

线路中多处安装电涌保护器并且没有准确数值限制时，电压开关型电涌保护器和限压型电涌保护器之间长度最好大于等于10m，限制型电涌保护器之间的长度最好大于等于5m，若一些特殊原因不能满足长度要求时应该在两级电涌保护器之间增加去耦元件，以消除盲点，能量配合，保护设备安全。

2.4 通信网络的防护

水文站的天线分为短波天线和超短波天线以及卫星地面站天线。天线同轴电缆引下时采用双屏蔽电缆或者单屏蔽电缆，双屏蔽电缆外层屏蔽金属膜或者金属管道至少在两端，宜在防雷区的交界处等电位连接，当设备只要求一端等电位连接时，采用双层屏蔽电缆，内屏蔽金属膜做一端连接。同轴电缆在靠近设备的一端应该根据不同的频率安装合适的电涌保护器。

水文站信号线主要由雨量计传输线和水位计传输线组成。室外传输电话线和信号线尽量做到全部埋入地下敷设，于入户端处将信号线金属外皮和金属钢管连接在接地装置上，然后在电话线入户的地方安装电话线路电涌保护器。

站內供电线路与信号传输线路皆应该加以金属保护管，埋地安装，金属管道间导电贯通，两端在防雷交界处等电位连接。缆道房内最好设置成环形的等电位连接，满足设备在不同地方进出导电物和电力线以及信号线等的需要，在等电位环上就近接地。

2.5 躲避防护

躲避防护方法是防雷措置当中最经济有效的，雷雨来临前关联设备关机、切断电源、拔掉电缆头等，简单易行，在任何防雷场合都是有效的，但是同时也阻碍了日常活动的进行，影响了工作效率。另外在选择新的水文站地址时，应该考虑雷击方面的因素尽量避开雷击多发区，为日后防雷的工作减轻压力，也是一种科学合理的事前防雷思想和措施。

3  水文缆道防雷措施

3.1 缆索必须可靠接地

靠操作室一侧支架滑轮和支架本身都应妥善接地，除了利用支架基础等部位的自然接地体外，还应有专门敷设的接地装置，总的接地电阻值可参考电力部门和建筑物防雷的经验暂定为工频10欧，经试验确定。

3.2 避免将支柱顶的高电位引入操作室

循环索和起重索绞车均安装在操作室内，一般测站都是将循环索和起重索通过支柱（架）顶专项滑轮直接引入操作室，当雷击支柱顶时产生的高电位也会通过循环索和起重索引至室内，威胁人员和设备安全，为了降低操作室的过电压，建议在支架底部设置转向滑轮，并与接地装置妥善连接，使循环索、起重索沿支架引下至底部设置转向滑轮再入操作室。

3.3 操作室接地网

操作室内地坪四周应用扁铁或圆钢敷设环形接地网，使地面各点的电位分布尽量均匀些，以减小接触电压和跨步电压。操作室面积较大时（超过4×4m2），可在1～2根两端与环形接地网内部增设纵横均压带各一根。

3.4 缆索防雷

雷击缆索时，雷电流经主索和主索的接地引下线（或利用循环回索、起重索作为引下线）和接地装置入地，如果雷电流很大，将使钢丝绳发热甚至熔断。为了保证其热稳定 性能，钢丝绳的最小截面积应不小于35mm2，通常主索的直径在10mm以上，完全能满足防雷要求。

总之，水文站的防雷工作是系统而整体的，简单的添置防雷产品并不能解决雷电防护的需要，要根据具体情况具体分析，在国标基准和相关设计规范要求下进行灵活运用，构建完整防护体系，取得更好的防雷效果。

参考文献

[1] 住房和城乡建设部，建筑物防雷设计规范（GB-50057-2010）[S].北京：中国建设出版社，2011.

[2] 袁东良，任志远，谷源泽，等.水文渡河设施水文设计与维修[M].郑州：黄河水利出版社，2000.

[3] 水利电力部水文局，水文缆道规范（SD121-84）[S].北京：水利电力出版社，1984.