雷电环境下供水系统电子仪表的防护措施

文 | 深圳市铁岗·石岩水库管理处 曾育彬

雷电环境下供水系统电子仪表的防护措施

文 | 深圳市铁岗·石岩水库管理处 曾育彬

本文介绍了采用外部防雷、等电位连接、接地、线路浪涌拦截、线路屏蔽改造等雷电环境下供水系统电子仪表的防护措施，并给出了设计参数和经验做法。

雷击环境；防雷措施

华南沿海一带，四季多雨，每年雷电日平均超过100天。特别是在山区、丘陵地带受雷电环境影响严重，供水系统的仪表经常发生雷击事故。为保障供水，仪表防雷就显得十分重要。仪表属计量电子设备，为保证计量准确有效和稳定，需要有可靠的防雷保证，根据仪表本身特性，可通过采用外部防雷、等电位连接、接地、线路浪涌拦截、线路屏蔽改造等措施来提高仪表设备的雷电防护能力，并取得良好的防雷效果。

一. 雷击的类别

雷电对仪表设备的影响，主要由以下四个方面造成：

①直击雷；②传导雷； ③感应雷；④过电压。其中三种雷击为：

直击雷：雷电直接击中建筑物，雷电的不到50%的能量将会从引下线等外部避雷设施泄放到大地，接近40%的能量将通过建筑物的供电系统分流，还有5%左右的能量通过建筑物的通信网络线缆分流，其余的雷击能量通过建筑物的其他金属管道、缆线分流。这里的能量比例会随着建筑物内的布线状况和管线结构而变化。直击雷脉冲波形约为10/350us。

传导雷（雷电波侵入）：在更大的范围内（几公里甚至几十公里），雷电击中电力或信息通讯线路，然后沿着传输线路侵入设备，其中地电位反击也是传导雷中的一种。

雷电击中附近建筑物或附近其他物体、地面，导致地电压升高，并在周围形成巨大的跨步电压。雷电可能通过接地系统或建筑物间的线路入侵而使建筑物内部设备形成地电位反击。

感应雷（雷电波感应）：在周围1000公尺左右范围内（有资料为 500公尺或 1500公尺，距离应随着雷击大小和屏蔽措施而变化）。发生雷击时，在上述有效范围内，在所有的导体上产生足够强度的感应浪涌。感应雷可通过两种不同的感应方式侵入导体，一是静电感应，二是电磁感应，研究表明：静电感应方式引起的浪涌数倍于电磁感应引起的浪涌。

二. 防雷措施

防雷措施包括外部防雷和内部防雷两个方面措施：

外部防雷包括采用避雷针、引下线、接地极等措施。

内部防雷是为保护建筑物内部的设备以及人员的安全而设置的。主要采用等电位连接、接地、安装SPD（防雷器）、屏蔽等措施。具体措施和经验做法如下：

1.安装避雷针：

在独立的仪表房最高处天面上安装避雷针以保护建筑物。工艺要求：1）避雷针安装应充分考虑郊外台风影响，针杆及基座应浇注牢固；2）焊接部位连接长度应符合规范要求；3）要求双面焊接、焊缝饱满，不虚焊；焊接完成后应敲除清理焊渣，勿使焊渣滞留于混凝土中；4）焊接部位应采取防腐措施。

仪表房独立避雷针保护半径RX的计算

RX= √ h(2hr— h) — √ hX(2hr—hx) =7.4m

通过避雷针泄放入大地时所产生的感应电动势会对内部所有的金属线路产生破坏作用的感应雷电流，正是由于电源、网络、通讯等线路出现感应雷电流，增加了仪表房内部较为敏感的电子设备的破坏，因此安装避雷针时还要做好完备的内部防护感应雷的措施。

2.引下线：采用40×4热镀锌扁钢沿仪表房两侧与地网相连作为避雷针的引下线、每根引下线外套绝缘套管，引下线的间距不大于18m，引下线与地网连接处安装等电位连接器，引下线的冲击接地电阻小于4Ω。工艺要求：1）引下线与人工地网连接时，如需要弯折，应做成慢弯钝角，禁止做成锐角；2）要求双面焊接、焊缝饱满，不虚焊；3）焊接部位应采取防腐措施。

3.仪表房、传感器等电位连接及接地：

防雷等电位连接是将分开的导电装置各部分用等电位连接导体或电涌保护器（SPD）做等电位连接。防雷等电位区别于电气安全的等电位连接，最主要是将不能直接连接的带电体通过电涌保护器做等电位连接。

表房内所有的设备地线（含原来的设备专用地线）均与等电位接地基准平面进行了电气联结，线路的金属屏蔽管，金属桥架、配电盘的外壳、进入室内的水管、表房的金属屏蔽层、金属隔断、金属门窗以及金属支架也均与等电位母排或接地基准平面进行了电气联结。

设环形接地汇集排（40*4 镀锌扁钢），在表房内沿墙环型敷设，环型母排与人工地网至少在两处进行焊接连接，（通过铜铁专用接头）接地电阻应小于4Ω。保证了整个表房成为一个等电位体。如将仪表房内所有不带电的金属构件设备外壳、金属槽、防雷器接地线、金属门窗等用Ф10mm2导线连接。电源PE线、信号接地线、与环形母排连接，连接应符合、平、直、短的接地要求。

仪表传感器等电位连接及接地：1)前端传感器接地线、设备机壳、管道及不带电金属构件均与接地排连接。各处接地电阻必须保持一致。接地线从机房地网处理地引入至传感器地网处形成等电位接地体，2)焊接部位连接长度应符合规范要求；3)要求双面焊接、焊缝饱满，不虚焊；，焊接完成后应敲除清理焊渣，勿使焊渣滞留于混凝土中。4)焊接部位应采取防腐措施。

现代防雷技术原则如同防洪，是将洪水疏导入海一样，是为雷电流提供一条低阻抗的对地泄放途径，同时要防止其泄放过程中对弱电设备的干扰。

接地装置的接地电阻，须小于4Ω，测量并确认该阻值后，将专用接地端子双面焊于地网主钢筋上，

并用Ф35mm多股铜导线连接于流量计仪表房汇流排作为整个设备的接地装置，汇流排采用T2 30×3紫铜带制作。

4.防雷过电压保护：

过电压保护就是将一切从室外来的电源线、数据线、信号线与接地线之间并联一种适当的浪涌过电压保护装置SPD(避雷器)，使侵入系统的冲击过电压限制在设备耐受允许的水平。

按原邮电部的统计：约占80%的雷击事故都是由电源侵入的感应雷造成的，因此，对建筑物内的系统设备进行感应雷防护时，电源是重点。

弱电设备由于其运行电压低（几伏或十几伏）、电流小（毫安级）、频率高，其防御电源线路的过电压能力，大大低于电力设备和电力线路。一般都是根据截断感应源、重点保护的策略，使瞬间过电压、过电流被抑制到动力设备、计算机、通信、仪表设备能够承受的安全状态。

三.IEC要求的防雷理念和措施

IEC（国际电工委员会）定义了防雷的保护分区，根据保护分区的要求，需要在每个分区的交界处安装相对应的防雷器，即第一级为B级防雷器，第二级为C级防雷器，第三级为D级防雷器。其工作原理为利用分级的防雷器层层泄放雷电感应的能量，逐级减低浪涌电压，从而保护终端设备。

1.第一级电源防雷器:

第一级防雷器，可将几千伏的过电压进一步限制到1千多伏，雷电多发地带需要具有40KA的通流容量，将由第一级防雷泄放后出现的雷电残压以及电源线路中感应的雷电流给予再次泄放，防雷器可并联安装在配电柜的电源进入端，此级防雷器并联安装对后接设备的功率不限。

比如在总配电柜内安装一套OBO V25—B电源SPD（In=60kA，8/20μs，Up≤1.9kV），同时SPD的前端应设置63A/3P过电流保护装置，SPD接地采用就近接地方式，接地线长度不大于0.5m。

2.第二级电源防雷器:

从总配电柜到分配电柜为三相五线制电源输入，为了有效防止雷电的窜入，在分配电柜内安装一套防雷器作第二级电源防雷，并在电源避雷器的前端安装空气开关，使所有配电设备都处在第二级防雷保护之中。

计量设备机房（市电电源箱、UPS电源箱）配电箱处安装一套OBO V20—C电源第二级SPD，（同时SPD的前端应设置20A/1P过电流保护装置，SPD接地采用就近接地方式，接地线长度不大于0.5m。

3.第三级电源防雷器:

第三级防雷器，采用电源防雷并联安装在各需要保护终端设备前端。目的是将雷电及其他浪涌电压限制到对设备没有损害的水平，特别是对日常天天发生的电源系统操作过电压、电源高次谐波等具有限制和保护作用，可以延长设备的正常使用寿命，减少运行维护成本。

比如计量仪器仪表机柜内配置A6-42-0NS电源防雷插座，SPD接地采用就近接地方式，接地线长度不大于0.5m，使控制柜所有配电设备都处在第三级防雷保护之中。对于装有多级过电压保护装置的系统，通常要求一级与二级SPD距离不小于1Orn，二级与三级间距不小于5m。

四.线路屏蔽与改造措施

屏蔽就是利用屏蔽体把需要保护的对象包围起来，以阻挡或衰减电磁脉冲的能量传播，也是一种有效的防雷措施。电子设备常用的屏蔽体有设备的金属外壳、屏蔽室的外部金属网和电缆的金属外套等。所有的屏蔽套、壳等均需要接地。具体措施是：

1.户外信号线应与电源线分开敷设并用Φ32镀锌钢管埋地敷设；金属屏蔽线槽进行屏蔽改造，并多点接地，全长电气贯通。连接处需跨接，多点接地，各处接地电阻必须保持一致，地面开挖及恢复原样。

2.户外架空电源线改造为，用Φ32镀锌钢管理地敷设；金属屏蔽线槽进行屏蔽改造，并多点接地，全长电气贯通。连接处需跨接，各处接地电阻必须保持一致，地面开挖及恢复原样。

3.室内信号线路用80×50镀锌金属线槽敷设进行屏蔽改造，并多点接地，全长电气贯通。连接处需跨接，各处接地电阻必须保持一致。

4.室内电源线路用60×40镀锌线槽敷设，进行屏蔽改造，并多点接地，全长电气贯通。连接处需跨接，各处接地电阻必须保持一致。

结语

综合防雷是一个系统工程，在一个完善的防雷系统工程中，特别是电子设备的防雷工程中，综合防雷防护措施是缺一不可的，如果缺少某一个环节，也起不到良好的防雷作用，还有可能引雷入室，而造成设备失灵或损坏。

1.《建筑物防雷设计规范》GB50057-94/2000

2.《建筑物电子信息系统技术规范》GB50343-2004

3.《电子计算机机房设计规范》GB50164-93规范要求

4.《雷电电磁脉冲的防护》IEC 1312

Protection Measures for Electronic Instruments in Water Supply System Under Lightning Environment

This article introduces the following protection measures for electronic instruments in water supply system under lightning environment, such as external lightning protection, bonding, earthing, surge interceptor,line shield transformation etc; indicating as well their design parameters and common practice.

lightning environment；lightning protection measures