水文缆道站防雷电波研究与实践

田有成，陈 超

(长江中游水文水资源勘测局，武汉 430010)

水文缆道站防雷电波研究与实践

田有成，陈 超

(长江中游水文水资源勘测局，武汉 430010)

雷电波对水文缆道测站构成重大安生隐患，以双指数函数模型分析了雷电波的特性与参数，并根据测站的实际情况分析了雷电波可能侵入的途径，对每种侵入途径从技术与工程规范层面上采取了针对性的防范措施。

水文缆道；雷电波；接地技术

0 引 言

随着水利信息化建设步伐的加快实施，目前长江中下游地区长江干流及中小支流都建有水文缆道测站，为长江防汛及地方水利建设提供水情信息。特别是近几年来，缆道站的自动化程度不断攀高，智能测流系统、无线水位和雨量测报系统等多种弱电系统的电子设备都安装在缆道控制室的操作台机柜中，它们极易受强电磁波的干拢而无法正常工作，甚至造成设备损坏。从缆道测站的防雷现状来看，对主索、塔架和测站建筑物防直接雷基本上按水文缆道设计规范采取了相应的防雷措施，但雷电波对测流系统以及测站其它通信系统的入侵却防范不力，特别是在讯期因雷电安全事故频发，严重影响了测验作业，因此，对雷电波的防范应引起足够的重视并采取有效应对措施，将其阻塞在一定安全范围内，保证系统运行安全可靠。

1 雷电波及其特性

雷电波主要是由雷电效应引起的。当雷击发生时,一方面由于雷云接近地面，在地面凸出物顶部感应出大量异性电荷，雷云与其他部位放电后，凸出物顶部的电荷失去束缚，以雷电波的形式，沿凸出物极快地传播。另一方面由于雷击后，巨大的雷电流在周围空间产生迅速变化的强大磁场，磁场在附近金属导体上感应出很高的电压，通过导线以波的形式传播进入室内。

由Brace和Golde提出的双指数函数模型可知，雷电波电流为：i(t)=KIm(e-αt-e-βt),其中，Im为峰值电流，α为决定电流衰减的时间常数，β为决定电流上升的时间常数，K为峰值电流修正因子。其波形如图1所示。雷电流的波前时间t1处于1～4μs范围，平均为2.6μs，波长t2约为20～100μs，平均为40μs，雷电波Im达到100～200 kA。可见雷电波传播快，瞬时能量大。另外对双指数函数进行频谱分析雷电流所包含的频率从低频到高频都有分量，但主要集中在低频部分。根据IECl312-l提供的雷电流频谱资料显示，其频率主要分布为100kHz的范围内。

2 雷电波对缆道站的几种入侵途径

缆道站的建筑物分布主要是缆道房与控制室及水位自记台。利用循环索传回的水下信号(水深、流速、水面及水底信号)与起点距经缆道房由通信线路传输至控制室的测验设备。通信线路通常包括水下信号电缆、水位数据线、起点距数据线。施工时通常是通过管道进入控制室的机柜。控制室主要是供电线路和网络线路，有些测站还有无线通信介质。从多次雷击事故分析结果来看，雷电波侵入导致测验电子装置损坏几率占80%以上。雷电波侵入主要有以下三种途径：

(1)通过低压配电线路侵入。当雷击发生时，雷电波通过变电房高压侧线路向变电房传播，产生的过电压施加于配电变压器的原边绕组上，经过变压器的电磁耦合感应到低压侧，使电子设备的供电发生过电压，以及雷电波的其它谐波分量使电子器件因过压而损坏。

(2)通过通信电缆侵入。由于缆道房临近塔架，测站建筑防直接雷是通过塔架将引下与接地体连接，将雷电流向地排泄，因此，在导线的周围产生强电磁场并沿着导线产生很高的过电压，通过通信电缆转播到控制室。

(3)通过共用接地电阻形成反击而侵入。在测站接地系统中，除防雷地、保护地以外，通常将多个电子设备的工作地采用共地的方式以保证电子电路的等电位而避免共模干扰，但是当雷击发生时，雷电波在接地电阻上产生过电致使设备损坏。

3 缆道站雷电波的防范技术

为了保证测验工作的安生可靠，避免人身伤害及设备损坏，从雷电波入侵的途径出发，采取有针对性的防雷措施。

3.1 供电电源系统的防雷电波措施

供电电源的防雷电波可采取两级保护，第一级对配电变压器进行防雷，降低雷电波通过变压器的电磁感应而产生的过压风险。其方法可分别在变压器的原、副边加上避雷装置，并将中线接地，一方面减轻高地电压反击强度，另一方面避免或减轻雷电波对低压终端用户的危害。防雷保护电路如图2所示。对于小容量的配电变压器可选用FS系列阀型避雷器，接地电阻应小于2.5Ω。第二级防雷电波采用隔离变压器，将隔离变压器的次级输出作为供电电源，这样就可以再次将雷电波的行波抑制，为了达到较好的抑制效果，应在初次级线圈上加上防电涌装置。其电路原理如图3所示。图中TL1～TL4为退耦电感，SPD1～SPD7为氧化锌电涌保护器，初级接地为TT系统，次级按地为TN-C系统。初次级间不共地。

3.2 防雷电波通过通信电缆侵入措施

当缆道房附近的雷电经避雷器注入地网，使测站接地网中的冲 击电流增大时，将产生暂态的电位波动，同时地网的接地电阻也将暂时升高而产生感应电压，由于信号电缆由缆道房至控制室只有30～50m，感应的雷电波通过信号电缆侵入控制室内，高电压直接加在测验设备的接口上，使设备损坏。在防雷措施上，可通过以下方式来实现。

图2 电源防雷电波电路图

图3 隔离变压器防雷电波原理图

(1)传输线缆应选屏蔽电缆。为了保证较好的屏蔽效果，同时兼顾雷电感应电压不至于通过屏蔽层产生回流而损坏电缆屏蔽层，用单端接地来消除雷电波的影响，接地方式如图4所示。在线缆末端串接防浪涌信号防雷器，在安装时注意防雷器的输入端(IN)与信号通道相连，防雷器的输出端(OUT)与被保护设备相连。

图4 屏蔽层接地方式

(2)选用光缆作为传输介质。这样不仅通信容量大，而且损耗低。光缆的光纤是绝缘体材料，它不受自然界的雷电干扰、电离层的变化和太阳黑子活动的干扰，也不受周围环境及其它电气设备引起的工业干扰。因此，使用光缆作为信号传输线可以抑制雷电波对测验设备的影响。

3.3 改善接地

在强大的雷电波作用下，接地电阻泄流作用的均压效果不好, 会使接地网的部电位升高,导致地电位干扰形成反击。一方面应尽量降低接地网的接地电阻，使其符合规程所要的电阻值，另一方面，在接地方式上，尽量不采用共用接地方式，防雷地、保护地单独按接地工程规范进行施工，多个设备的工作地采用单点接地，接地引下线不串接，各工作地用等电位联接。在接地过程中，要注意保持各接地点的安全距离不小于15m。

4 结束语

实践表明，雷电波对水文缆道测站的安全作业构成重大安全隐患，必须引起高度重视，在建设过程中要严格按照防雷规范做好接地工程和加装必要的防雷装置，在日常维护过程中，对避雷装置、避雷设施和接地装置做到定期进行安全技术检测，发现问题及时整改，使之符合技术规范要求，达到应有的防雷效果，确保安全生产，减少经济损失。

[1] 腾 旭，胡志昂.电子系统抗干扰实用技术[M].北京:国际工业出版社，2004.

[2] 刘丙江.实用接地技术[M].北京:中国电力出版社，2012.

[3] G.夏里克，候景韩译.接地工程[M].北京:人民邮电出版社，1988.

[4] 刘有菊.雷电波数学模型[J].保山学院学报，2010(9).

[5] 周方君，等.隔离变压器在电源系统防雷中的应用[J].气象科技,2015(10).

[6] 蔡建初.信息系统接地工程技术的探讨[J].气象研究与应用,2010(5).

Research and Practice of Lightning Wave Protection of Cableway Station

TIAN You-cheng， CHEN Chao

(Hydrological and Water Resources Survey Bureau of the Middle Reaches of Yangtze River, Wuhan 430010，China)

Lightning wave is a severe potential risk to cableway stations. The characteristics and parameters of lightning wave are analyzed by using a dual-exponential function mode and the possible invading paths of lightning waves are analyzed based on the actual situation of cableway stations, and targeted preventive measures are put forward for each kind of invading paths from technology and engineering specification level.

cableway stations; lightning wave; grounding technique

2017-03-02

田有成(1989-)男，甘肃庆阳人，工程师，大学，主要从事水文缆道的设计与水文仪器研制工作。

P427.32

A

1673-0496(2017)02-0024-03

10.14079/j.cnki.cn42-1745/tv.2017.02.008