某電廠氣象信息系統防雷設計

路進軍 齊 沖

（中國核電工程有限公司鄭州分公司 河南鄭州 450000）

0 引言

根據電力公司要求，單機容量在300MW及以上的并網大型電廠應同步投產建設電力自動氣象站，并能通過電力安全三區數據網絡向省調電力自動氣象站系統實時傳輸風力、風速、雨量、濕度、溫度、氣壓等氣象信息。氣象塔為廠區最高建筑物，容易受雷擊，而使氣象信息系統故障。本文結合某氣象信息系統的實際參數，采用接閃、分流、屏蔽、等電位連接、綜合布線、電涌保護和共用接地等手段，設計一種氣象塔防雷工程實施方案。

1 氣象信息系統基本狀況

該氣象信息系統位于山頂包含一氣象鐵塔和數據機房。鐵塔塔身主體高100m，為該地區海拔最高構筑物，為了觀測梯度氣象要素，在塔身分四層在10m、33m、66m、99m布置有風速、風向和濕度等傳感器，傳感器距橫擔0.5m高，橫擔兩側距塔身1.8m。雷雨季節時經常發生雷擊。雷擊導致高電壓、電火花等可能導致鐵塔上風速、風向、濕度傳感器損壞。數據機房建在鐵塔底部10m處，機房長6m寬4m高3m，機房內機柜高2m。用于采集鐵塔上的氣象數據并向遠方傳輸。數據機房電源采用架空線引入。閃電電涌可能沿電源線和信號線侵入機房，造成設備損壞，影響氣象監測設備正常工作。當地年平均雷暴日為37.6d/a，地處山頂，地勘顯示表層土壤電阻率1000Ω·m。

圖1 氣象塔避雷針安裝

2 氣象塔防雷方案設計

依據《自動氣象站場室防雷技術規范》和《建筑物防雷設計規范》，該氣象塔按照二類防雷建筑物設計，相應的其滾球半徑取45m[1]。防雷設計包含直擊雷防護和防止雷擊電磁脈沖。直擊雷是指閃擊直接擊于建筑物、其他物體、大地或外部防雷裝置上，產生電效應、熱效應和機械力者。雷擊電磁脈沖是指雷電流經電阻、電感、電容耦合產生的電磁效應，包含閃電電涌和輻射電磁場。

2.1 直擊雷防護

依據《自動氣象站場室防雷技術規范》，氣象塔所有的觀測設備均應處于LPZ0B區內[2]，即所有的傳感器，必須位于避雷針以45m為滾球半徑確定的保護范圍之內。為此需要在各層傳感器處布置兩根避雷針，兩支避雷針在其中點處保護高度應大于0.5m。根據《建筑物防雷設計規范》附錄D.0.2，兩支等高避雷針的滾球法計算可得安裝避雷針高度為0.6m，工程實施時，避雷針需要獨立安裝到橫擔上，橫擔位于傳感器下層0.3m處，考慮一定施工誤差及一定的裕量，選定采用1.5m避雷針安裝在橫擔上，避雷針橫擔固定在傳感器橫擔下方0.3m處。避雷針采用1.5m直徑為16mm的圓鋼，橫擔采用絕緣強度為35kV（1.2/50μs）的絕緣桿。絕緣桿每邊凸出風速、風向、溫度傳感器支架橫桿0.2m，其布置如圖1所示。此時兩支避雷針在中心處的保護高度驗算如式（1）。

式中：Hr-滾球半徑取45m；Hp桿高1.5m；D兩支避雷針間距離4m。

代入可得最低保護高度h=1.2m，滿足要求。

避雷針引下線采用截面為50mm2的屏蔽單芯多股電纜，引下線沿最近任一鐵塔拉線接入場地內接地網。在引下線入地處補加垂直接地極，接地極采用長度為2.5m截面積為185mm2裸銅棒。垂直接地極與場地內水平接地網格通過185mm2裸銅纜連接，裸銅纜埋深0.5m，局部地區開挖困難可以采用混凝土做保護。

2.2 防雷擊電磁脈沖

閃電電涌即閃電擊于防雷裝置或線路上以及由閃電靜電感應或雷擊電磁脈沖引發，表現為過電壓、過電流的瞬態波。閃電電涌可能沿著電源線、信號線侵入機房內，危及人身安全或損壞設備。氣象塔及其機房應該采取防止閃電電涌侵入的措施。

外電源采用架空線，在距機房15m外的一根塔桿處，由架空線轉換為屏蔽電纜，在電纜與架空線連接處，尚應裝設戶外型電涌保護器。電涌保護器、電纜金屬外皮、鋼管和絕緣子鐵腳、金具等應連在一起接地，其沖擊接地電阻不應大于30Ω。電源入戶處所裝設的電涌保護器應選用I級試驗產品，其每一保護模式應選沖擊電流計算如式（2）所示。

式中：I——雷電流（kA）二類防雷建筑物取150kA；

n——地下和架空引入的外來金屬管道和線路總數，只有一路電源取1；

m——需要確定的那跟電纜導體芯數的總根數，三芯電纜取3；

Rs——屏蔽層或鋼管每公里的電阻（Ω/km）取8.5Ω/km；

Rc——芯線每公里的電阻（Ω/km）3×16交聯聚乙烯銅芯電纜取1.5Ω/km；

代入可得Iimp=27kA。

激光調制采取馬赫曾德電光強度調制器（Mach-ZehnderModulator，MZM），MZM 可實現微波對激光的強度調制，具體細節參見文獻[13]，激光信號經過微波調制后，可以表示為：

電纜穿DN40鍍鋅鋼管埋地敷射，埋地長度應大于70m（>2）進入室內電纜屏蔽層，鋼管兩端和中間均應接地。電涌保護器選用電壓開關型，其有效電壓保護水平Up/f小于或等于被保護設備的絕緣耐沖擊電壓額定值，即Up/f≤4kV，其持續運行電壓應大于1.15U0=253V。

室內裝380/380V隔離變壓器。隔離變壓器出線穿DN40鋼管沿墻敷設，鋼管兩端接地。由于閃電電涌入侵中的共模電壓分量在變壓器的一次繞組中不能產生勵磁電流，二次繞組無感應電動勢，只要保證隔離變壓器的絕緣，即可隔離閃電電涌入侵中的共模分量，另外當閃電電涌入侵時，差模分量引起隔離變壓器一次側飽和，對閃電電涌電壓產生顯著的削峰抑制作用[3]。

信號電纜采用屏蔽電纜，在信號塔底穿DN40鍍鋅鋼管埋地敷射，埋地長度應大于70m進入室內線纜屏蔽層、鋼管兩端和中間均接地。入戶處裝設D1類高能量試驗類型電涌保護器，，其短路電流也滿足式（2）的計算結果。

雷電流有極大的峰值和變化率，在其周圍會產生強大的交變電磁場。研究表明，當環境磁場強度大于5.6A/m時，計算機會誤動作；當環境磁場強度大于191A/m時，計算機會發生永久性損壞[4]。為避免數據機房內設備損壞，應該采取屏蔽措施，降低房間的磁場強度[1]。屏蔽網格尺寸、材質及室內設備布置要求計算如下：

雷擊點與機房的最小平均距離按式（3）計算：

式中：H-機房高度取3m；L-建筑物長度取6m；R-滾球半徑對于正極性首次雷擊取260m。

代入得雷擊點與機房的最小平均距離Sa=42m，實際布局氣象塔與機房距離僅有10m，因此雷擊時磁場強度的衰減應按式（4）計算

式中：SF格柵屏蔽系數，按式（6）計算為22dB；w格柵屏蔽的網格寬，取1m。

式中：屏蔽網格導體半徑r=6×10-3m；w-格柵形屏蔽網格寬取1m，代入求得SF=22dB。

通過以上計算可知為保證機房內設備不損壞，機房應該采用直徑為12mm的圓鋼，做1x1m的格柵形屏蔽網絡，此時求得屏蔽系數SF=22dB，代入式（5）得室內設備布置距墻的最小安全距離ds/1=1m，代入式（4）得H1=1.5A/m，滿足文獻4中給出的指標，雷擊時，機房內設備不會應輻射電磁場的影響而受到損壞或功能發生異常。

2.3 接地系統設計

接地系統包含氣象塔接地和機房接地。為避免電壓差導致的雷電反擊，兩者公用同一接地系統。接地系統采用185mm2在場地內敷設人工水平接地體，水平接地體間距5m，埋深0.5m，墻或基礎周圍的水平接地體，距墻或基礎1m。穿線管、氣象塔基礎、拉線基礎、機柜間基礎內鋼筋與接地網做可靠連接。機房接地網也應與人工水平接地體可靠連接，連接點不少于2處。

3 結論

氣象信息系統防雷設計要結合滾球法防雷計算避雷針的高度，根據閃電電涌的衰減機理確定外部引入電源、信號線路、機房屏蔽的處理措施，根據現場實際情況確定接地網的布局和設置。充分利用接閃、分流、屏蔽、等電位連接、綜合布線、電涌保護和共用接地措施的組合效應，降低雷擊氣象塔概率及風險。