浅谈广西水文站综合防雷技术

摘要：广西地处低纬，中南亚热带季风气候，气候炎热，降水丰沛，冬短夏长，雷暴雨频繁，旱涝灾害严重。水文站常年持续定时的肩负着收集和传递水文信息，为政府抗旱、防汛排洪的决策提供重要的第一手资料，做好水文站的防雷工作，是我国防御、避免、减轻气象灾害的重要工作之一。本文从广西地理、地质、土壤、气象、环境等条件和雷电活动规律，以及水文站被保护物的特点，严格遵照国际和国家及行业标准，以先进的科学技术对水文站的雷电保护对象进行外部及内部的综合性雷电防护，将水文站的雷电灾害降到最低限度。

关键词：水文站；防雷设施；设计方案；

目录

一、水文站防雷工程设计规范及依据 1

二、广西水文站防雷等级划分 1

三、广西水文站防雷特点 1

四、广西水文站防雷要求和综合性防雷方案 2

（一）水文站防雷目的 2

（二）水文站综合防雷方案 2

1.水文站各类建筑物直击雷的防护措施 2

2.水文缆道直击雷的防护 3

3.电源系统防雷与接地 3

4.通信与测验数据线路的雷电防护 3

5.ADCP系统的雷电防护 4

6.接地系统 4

（1）接地装置一般要求 4

（2）广西水文站接地装置的设计 4

7、等电位连接 6

（1）等电位连接的作用 6

（2）水文站电子信息系统等电位措施 6

五、结语 7

六、参考文献 8

浅谈广西水文站综合防雷技术

近年来，随着通信技术、计算机技术、网络技术的发展和广泛应用，水文站也逐渐配备了计算机、通信电台、自动化测验设备等电子设备，这些电子设备耐雷击水平低，遭受雷击的概率较大，一旦遭受雷击过电压的冲击，轻则造成这些电子系统的运行中断、设备损坏，更重要的是这些系统所担负的那些须实时运行的后续工作的中断瘫痪所造成的不可估量的直接与间接的经济损失。为了保护水文站区域内建筑物、人员及设备不受雷击危害，最大限度降低雷击事故所造成的人身伤亡和财产损失，需对水文站采取有效的防雷措施。要做到有效的防雷，必须进行综合性的防雷设计，分析各个水文站直击雷和感应雷的危害特点，结合水文站设施设备现状，提供水文站建筑物及露天设施应采取防直击雷的设计方案；提出水文自动测验系统，水情信息传输系统等电子设备应采取防雷电感应及防雷电波侵入的设计方案；提出水文站建筑物设施、设备系统接地及等电位连接方案，做到安全可靠、技术先进、经济合理。

一、水文站防雷工程设计规范及依据

水文站防雷设计没有本行业的技术规范，《建筑物防雷设计规范》（国家标准GB50057-2010）和《建筑物电子信息系统防雷技术规范》（国家标准GB50343-2012）是所有建筑物防雷及建筑物电子信息系统防雷设计共同遵守的依据，水文站也不例外。根据设备的相似程度和使用功能，建议水文站设施防雷设计参考下列标准：

① 国家标准GB50057-2010《建筑物防雷设计规范》

② 国家标准GB50343-2012《建筑物电子信息系统防雷技术规范》

③ 中国电力行业标准DL/T621-1997《交流电气装置的接地》

④ 各地市防御雷电管理办法

二、广西水文站防雷等级划分

广西区内主要地区年平均雷暴日见下表《广西区内主要地区年平均雷暴日数表》

从上表可以看出广西属多雷区和强雷区。

水文站一般建筑面积小，根据（GB50057―2010）《建筑物防雷设计规范》对预计雷击次数的规定，广西各地水文站达不到三类防雷建筑物的要求，但水文站内有大量的信息系统，故宜将水文站划入第三类防雷建筑。根据（GB50343―2012）《建筑物电子信息防雷技术规范》第4.2.5条例第4.3条规定，水文站建筑物的电子信息系统雷电防护等级应划入C级。

三、广西水文站防雷特点

①水文站一般布设在空旷的河流岸边，站房孤立，容易成为雷击的主要目标，雷击概率极高。

②水文站建筑面积一般较小，不便于多级防雷方案的实施。

③水文缆道系统处于直击雷非防护区且跨度大，极易遭受雷击。水文缆道系统拥有大量信号线路，耐受雷击能力极差，虽然水文缆道的主索和信号索有一定的绝缘隔离（几十欧姆--几百欧姆），但两者间的电磁场及电压场的安全距离不够，当主索受到直接雷击或闪电静电感应雷击时，信号缆索会瞬间感应出很高的电动势窜入机房，击毁设备。在水文站，水文缆道系统是雷击事故的多发区。

④一般水文站380V供电线路都是架空明线接入，没有进行屏蔽埋地措施，非常容易感应雷电电磁脉冲。

⑤水文站的ADCPD多普勒流速仪系统，其工作电压只有12v，对雷电干扰极为敏感，特别是ADCP系统的传输线，从水下探头到监控机房的终端设备线路较长，室外敷设、雷电电磁场环境恶劣，也很容易感应雷电电磁脉冲将两端的电子设备击坏。

⑥水文站的水位传输线、雨量传输线、水文缆道测流信号线、公网电话线、短波发射天线、卫星接收天线等大部分暴露在室外，没有进行有效的屏蔽措施，这些信号线很容易受到雷电电磁脉冲的感应和干扰。

⑦大部分水文站建筑及机房电子信息系统的接地装置在土建阶段建成的，经过长时间的运行很多站接地装置的接地电阻已经不符合规范要求。

四、广西水文站防雷要求和综合性防雷方案

水文站防雷工程是个点面结合的体系，既要满足一般防雷工程的整体性、系统性、综合性防护，又要根据水文站自身的特点，对特殊部位采取重点防护。

（一）水文站防雷目的

水文站防雷的目的就是将诸如各类建筑物，水位铁塔或水位房、独立支架等杆塔，跨河测流缆索，电源系统，通信设备天馈线系统，水文测报设施及各种附属设施保护起来。水文站防雷包括防直击雷和感应雷。直击雷的防护主要是靠避雷针、避雷线、避雷带等接闪器把雷电引泻入地措施来保护建筑物和设备；感应雷的防护主要是通过屏蔽、等电位连接、分流泄放及安装电涌保护器等技术保护仪器、设备不因过压、过电流和电磁脉冲而导致损坏。

（二）水文站综合防雷方案

1. 水文站各类建筑物直击雷的防护措施

水文站的建筑物包括办公生活用房，缆道房及水位房。根据国家规范GB50057-2010《建筑物防雷设计规范》的有关规定，各类建筑物外部防直击雷措施宜在各建筑物顶部装设接闪网，接闪带或接闪杆，也可采用由接闪网，接闪带和接闪杆混合组成的接闪器。并通过专设引下线和接地装置将雷电引入指定的地点泄放入大地。广西各地水文站的建筑物有三种类型，大部分办公生活用房和缆道房天面为平屋面，可通过安装接闪带，接闪网为主进行直接雷防护。有一些办公生活用房（例如宜州水文站）天面为多个坡度较大的琉璃瓦屋面，不易安装接闪带及接闪网，可通过敷设避雷线或竖一至二根提前预放电避雷针，进行直击雷防护。第三种建筑物类型为水位房，基本上是二层钢筋混凝土结构，第一层为水位观测井筒，第二层为水位自记仪器房，天面为六角形，屋顶为圆体尖状，装饰琉璃瓦，要在屋顶敷设接闪装置比较困难，可以通过在建筑物一侧安装一支独立避雷针进行直击雷防护。

防直击雷装置，在设计时应严格执行国标《建筑物防雷设计规范》的要求，避雷针必须按滚球法计算避雷针高度和保护范围，避雷针可选用国外或国内提前预放电避雷针，此避雷针有降低雷电流幅值，衰减雷电流陡度，减小雷电感应高电压的作用。平顶屋面的接闪带应用Rφ10mm热镀锌圆钢沿女儿墙面明敷，高度R150mm，每隔500mm至1000mm支撑一次。三类防雷建筑物的接闪网格尺寸不应大于20m*20m或24m*16m；引下线一类、二类、三类防雷建筑物不应少于两根，引下线间距第三类防雷建筑物应不大于25m。

2.水文缆道直击雷的防护

水文缆道是水文站进行流量及泥沙测验的基本载体，由于水文缆道架设在室外开阔，空旷的河面上，另外缆道的主索、工作索等均是钢材，属导电体，是受直接雷击和闪电静电感应雷击，将强大的雷电流引入缆道房内，造成设备和人员损害，故应对缆道进行雷电防护。其措施是在支撑缆索两端头的钢筋水泥杆或铁塔顶端安装1.5m-2m避雷针，在主缆索上方3m处敷设架空避雷线，架空避雷线按缆索跨度大小采用截面积不小于50mm2的裸铝钢芯绞线或镀锌钢缆。架空避雷线应设置专用雷电电流引下线与两岸边的接地装置焊接相连。

根据防雷技术中的分流原理，为了减小缆道房侧的雷电流，应在缆道房对岸的缆道支架附近设置2组集中接地极以便雷电流经对岸入地泄放，由于对岸无市电，无法电焊，故集中接地极采用镀铜钢绞线为水平地级，用镀铜钢棒作为垂直深井地极，每组集中深井地极长6m，接地极的焊接采用放热焊接新技术。有条件时，集中接地极应与支架拉线锚定基础钢筋，支架基础钢筋焊接。缆道架空避雷线接地装置的接地电阻应不大于10Ω，对岸的接地电阻越小越好，以便多导雷电流，减小缆道房一侧雷电流的侵扰。

3.电源系统防雷与接地

广西各地水文站外供380v交流电源基本上都是架空进入，故交流供电线路都有可能遭受到直接雷击、静电感应和雷电电磁脉感应而将雷电高电位、强电流带入室内，击毁设备及危及工作人员的人身安全。故水文站的低压交流线路应尽可能穿金属管进行屏蔽再进入基站，并在进站的总配电空开处安装电源避雷器作为一级保护，设计通流容量大于15KA（10/350us），此级防雷器并联安装。第二级电源防雷，是在进入通信与数据处理机房、操作控制室的二级配电输入端并联安装电源避雷器作为二级保护，设计通流容量40KA（8/20us）。第三级电源防雷，是在各设备前端并联或串联加装避雷器作为设备的三级保护，设计通流容量10KA（8/20us）。

水文站的所有信号电源，基本上都是由太阳能电源供给，应在太阳能电源箱端口安装相适电压等级的直流电源避雷器。

4.通信与测验数据线路的雷电防护

水文站的通信天线分为短波和超短波以及卫星地面站天线，这些通信设备天线应在接闪器的保护范围之内，天线同轴电缆的屏蔽层应在两端作可靠接地，有条件时，天线的同轴电缆宜穿金属套管进入机房，金属套管两端接地，同轴电缆在靠近设备的一端应根据不同的频率安装合适的电涌保护器。

水文站的测验数据信号线主要由水位计传输线、雨量计传输线、水文缆道测流信号线、ADCP流速测验传输线及公网电话线等组成，室外的数据信号线和电话线尽量做到套金属管屏蔽埋地敷设，金属管道间导电贯通，两端在防雷交界处作等电位连接。信号线缆屏蔽金属层及电缆内的空线对均应两端接地。各种信号线缆在靠近设备的一端或两端根据不同型号电压等级及工作特性安装合适的电涌保护器。

5.ADCP系统的雷电防护

广西各地目前有多个水文站使用ADCP-多普勒流速仪系统，此系统由ADCP换能器探头，操作软件系统，计算机及连接设备等组成，由于此系统工作电压只有12V，对雷电干扰极为敏感，故必须做好布线、屏蔽、均压等电位连接，安装浪涌保护器和接地等综合性处理。

6.接地系统

（1）接地装置一般要求

接地是电子信息系统综合防雷工程的重要组成部分，是防雷工程的重点和难点，接地系统分为工作接地（交流工作接地、直流工作接地）、保护接地、防雷接地和防静电接地。根据国家防雷规范要求，以上各类接地应共用一个接地装置，在电子设备有特殊要求时，应采用瞬变共地等电位技术，以消除建筑物上及建筑物内所有设备之间危险的电位差，防止或消除地电位反击给电子设备带来的损害。共用接地装置的接地电阻值应按GB50343-2012《建筑物电子信息系统防雷技术规范》的第5.2.5条规定：防雷接地与交流工作接地、直流工作接地、安全保护接地共用一组接地装置时，接地装置的接地电阻值必须按接入设备中要求的最小值确定。对照广西壮族自治区地方标准DB45/T446-2007《防雷装置检测技术规范》第4.1.4.1.4表5《接地电阻允许值》要求，广西水文站接地装置的接地电阻值由以下确定：第三类防雷建筑物防雷装置接地电阻值允许值≤30Ω（冲击接地电阻），防静电保护接地装置接地电阻允许值≤100Ω，防雷接地电阻允许值≤10Ω，交流工作接地电阻允许值≤4Ω，信息系统直流工作接地电阻允许值≤4Ω，其中最小值为4Ω。那么广西水文站共用接地装置的接地电阻值应确定为≤4Ω。

（2）广西水文站接地装置的设计

广西是典型的喀斯特（岩溶）地貌，河流的总体特征是山地型，多峡谷和险滩；各水文站站址大多数建在河边的河床上，石多土薄，土壤电阻值较高。建造地网比较困难。因此，对于水文站地网的设计应根据各站设备的特点，基站建（构）筑物的形式，地理位置，周边环境，土壤组成，土壤电阻率等因素制定不同的设计图纸和施工措施。但地网设计的一般原则和基本方案是大同小异，内容如下：

①一般原则

水文站的地网设置应按均压等电位的原理和采用联合共地的接地方式。

②地网的设计

a、环形接地网：

接地装置应优先利用建（构）筑物的自然接地体（基础钢筋、金属管道），当自然接地体的接地电阻达不到要求时应围绕建筑物四周敷设人工环形接地体。人工接地体由水平地极和垂直地极组成；水平地极材料采用40*4热镀锌扁钢，埋深上端距地面不宜小于0.6m，水平接地体周边应形成闭合式。在土壤较薄的石山或碎石多岩地区根据具体情况确定接地体埋深。垂直接地体宜采用长度不小于2.5m的热镀锌角钢，镀铜钢棒等接地体，也可根据埋设地网的土质及地埋情况确定。垂直接地体间距不宜小于5m，具体数量可根据地网大小，地理环境及土壤电阻率情况确定。垂直接地极埋设在水平地极下方，与水平地极焊接连接。最后，人工接地极与建筑物自然接地极各面多点焊接连通，形成地网。

b、外延伸辐射形接地极

在大地土壤电阻率较高的水文站，当地网接地电阻值难以满足要求时，可在环形接地体外缘或四角增设外延伸辐射形接地体，外延伸辐射形接地体长度L=2 （ 为土壤电阻率）。

c、敷设水下地网

水文站基本上都是在河边，水的电阻率较低（广西天然河水电阻率一般在5～60Ω*m之间），应充分利用这一资源，必要时敷设水下地网。水下地网的设计及计算篇幅较大，本文就不过多陈述。

d、水文站地网应根据各站址实际情况，采取不同形状，不同埋设方式，水平与垂直接地体相结合等方法，获取最大接地效果。

e、广西来宾某水文站地网建设案例图，见下图《水文站地网设置示意图》。

图《水文站地网设置示意图》

7、等电位连接

（1）等电位连接的作用

等电位连接是当今世界防雷理论的重要组成部分，是现代防雷技术的重要手段。等电位连接的目的是减小防雷保护区内端口与端口、端口与地面的电位差。将端口间的电位差降至设备的绝缘水平范围内，实现这一技术措施的手段就是等电位连接。由一个系统的诸外露导电部分（指电源线、信号线、金属管道、金属门窗、大尺寸金属物架、建筑物内钢筋等）都必须通过电涌保护器或直接进行等电位连接，各保护区界面处同样要彼此进行局部等电位连接，各局部等电位相互连接后，最后与主等电位连接，构成一个完整的等电位连接网络。

（2）水文站电子信息系统等电位措施

①在机房建筑物LPZ0B区与LPZ1区交界处应设置总等电位端子板，总等电位接地端子板与接地装置的连接不应少于两处，连接导体为最小截面积≥50mm2多股铜芯导线或铜带。将进入建筑物内的电源线、信号线、金属管道、光缆加强钢芯、电力电缆外铠、金属门窗等用浪涌保护器（对带电体而言）或导线（不带电导体而言）进行等电位连接。

②在电子信息系统设备机房设置局部等电位接地端子板，接地端子板材料为40*4铜板，局部等电位接地端子板用连接导体最小截面积≥16mm2多股铜芯导线或铜带与建筑物总接地端子板及本机房建筑物主结构钢筋连接，形成等电位网络。然后用截面积不小于6mm2的多股铜芯导线将机房内的电气和电子信息设备的金属外壳和机柜、机架、金属屏蔽线缆外层、直流工作地、安全保护地及各种SPD接地端以最短的距离与局部等电位接地端子板直接连接。水文站机房等电位连接宜采用S型，见下图《S型星型结构》

图《S型星型结构》

图中EPR表示接地基准点；― 表示建筑物的共用接地系统和等电位连接网；

表示设备；・表示等电位连接网与共用接地系统的连接。

③水文过河缆道有主索和工作索（信号索），一般要求主索接地而信号索采用闸刀人工控制接地，也就是当采集水文信息时，拉开闸刀，信号索不接地；水文信息采集结束，合上闸刀，信号索接地。这种接地方式被动也不安全，因为雷暴来临之时，正是水文站设备开机之时，此时受雷击概率极高。近几年，瞬变共地技术及产品已较成熟，目前常用的产品是隔离火花间隙（浪涌保护器），其方法是将独立接地体通过隔离火花间隙浪涌保护器与共用接地装置连接。在正常情况下，独立接地体与共用接地装置相对绝缘，当过河缆索或水文站建筑物遭受雷击时，独立接地体与共用接地装置之间产生电位差，当电位差达到一定值（700V～1000V）时，隔离火花间隙导通，瞬变联合共地，消除了电位差，使之等电位，防止瞬变雷电过电压反击到弱电设备而损坏，当瞬变电压过去后，隔离火花间隙恢复到高阻状态，两地之间又呈相对绝缘状态。

五、结语

近几年，我们在河池、来宾两个市对水文水资源局所属的20多个水文站进行了综合防雷技术整改，过去有些水文站每年遭受多次雷击损坏设备的现象得到了有效的控制，整体雷击事故率大大降低，保证了水文信息系统的安全运行及为政府防汛抗洪工作的顺利展开起到了至关重要的作用。

六、参考文献

[1]国家标准GB50057-2010《建筑物防雷设计规范》

[2]国家标准GB50343-2012《建筑物电子信息系统防雷技术规范》

[3]中国电力行业标准DL/T621-1997《交流电气装置的接地》

[4]广西法规2010年《广西壮族自治区防御雷电管理办法》