某电厂气象信息系统防雷设计

路进军 齐 冲

（中国核电工程有限公司郑州分公司 河南郑州 450000）

0 引言

根据电力公司要求，单机容量在300MW及以上的并网大型电厂应同步投产建设电力自动气象站，并能通过电力安全三区数据网络向省调电力自动气象站系统实时传输风力、风速、雨量、湿度、温度、气压等气象信息。气象塔为厂区最高建筑物，容易受雷击，而使气象信息系统故障。本文结合某气象信息系统的实际参数，采用接闪、分流、屏蔽、等电位连接、综合布线、电涌保护和共用接地等手段，设计一种气象塔防雷工程实施方案。

1 气象信息系统基本状况

该气象信息系统位于山顶包含一气象铁塔和数据机房。铁塔塔身主体高100m，为该地区海拔最高构筑物，为了观测梯度气象要素，在塔身分四层在10m、33m、66m、99m布置有风速、风向和湿度等传感器，传感器距横担0.5m高，横担两侧距塔身1.8m。雷雨季节时经常发生雷击。雷击导致高电压、电火花等可能导致铁塔上风速、风向、湿度传感器损坏。数据机房建在铁塔底部10m处，机房长6m宽4m高3m，机房内机柜高2m。用于采集铁塔上的气象数据并向远方传输。数据机房电源采用架空线引入。闪电电涌可能沿电源线和信号线侵入机房，造成设备损坏，影响气象监测设备正常工作。当地年平均雷暴日为37.6d/a，地处山顶，地勘显示表层土壤电阻率1000Ω·m。

图1 气象塔避雷针安装

2 气象塔防雷方案设计

依据《自动气象站场室防雷技术规范》和《建筑物防雷设计规范》，该气象塔按照二类防雷建筑物设计，相应的其滚球半径取45m[1]。防雷设计包含直击雷防护和防止雷击电磁脉冲。直击雷是指闪击直接击于建筑物、其他物体、大地或外部防雷装置上，产生电效应、热效应和机械力者。雷击电磁脉冲是指雷电流经电阻、电感、电容耦合产生的电磁效应，包含闪电电涌和辐射电磁场。

2.1 直击雷防护

依据《自动气象站场室防雷技术规范》，气象塔所有的观测设备均应处于LPZ0B区内[2]，即所有的传感器，必须位于避雷针以45m为滚球半径确定的保护范围之内。为此需要在各层传感器处布置两根避雷针，两支避雷针在其中点处保护高度应大于0.5m。根据《建筑物防雷设计规范》附录D.0.2，两支等高避雷针的滚球法计算可得安装避雷针高度为0.6m，工程实施时，避雷针需要独立安装到横担上，横担位于传感器下层0.3m处，考虑一定施工误差及一定的裕量，选定采用1.5m避雷针安装在横担上，避雷针横担固定在传感器横担下方0.3m处。避雷针采用1.5m直径为16mm的圆钢，横担采用绝缘强度为35kV（1.2/50μs）的绝缘杆。绝缘杆每边凸出风速、风向、温度传感器支架横杆0.2m，其布置如图1所示。此时两支避雷针在中心处的保护高度验算如式（1）。

式中：Hr-滚球半径取45m；Hp杆高1.5m；D两支避雷针间距离4m。

代入可得最低保护高度h=1.2m，满足要求。

避雷针引下线采用截面为50mm2的屏蔽单芯多股电缆，引下线沿最近任一铁塔拉线接入场地内接地网。在引下线入地处补加垂直接地极，接地极采用长度为2.5m截面积为185mm2裸铜棒。垂直接地极与场地内水平接地网格通过185mm2裸铜缆连接，裸铜缆埋深0.5m，局部地区开挖困难可以采用混凝土做保护。

2.2 防雷击电磁脉冲

闪电电涌即闪电击于防雷装置或线路上以及由闪电静电感应或雷击电磁脉冲引发，表现为过电压、过电流的瞬态波。闪电电涌可能沿着电源线、信号线侵入机房内，危及人身安全或损坏设备。气象塔及其机房应该采取防止闪电电涌侵入的措施。

外电源采用架空线，在距机房15m外的一根塔杆处，由架空线转换为屏蔽电缆，在电缆与架空线连接处，尚应装设户外型电涌保护器。电涌保护器、电缆金属外皮、钢管和绝缘子铁脚、金具等应连在一起接地，其冲击接地电阻不应大于30Ω。电源入户处所装设的电涌保护器应选用I级试验产品，其每一保护模式应选冲击电流计算如式（2）所示。

式中：I——雷电流（kA）二类防雷建筑物取150kA；

n——地下和架空引入的外来金属管道和线路总数，只有一路电源取1；

m——需要确定的那跟电缆导体芯数的总根数，三芯电缆取3；

Rs——屏蔽层或钢管每公里的电阻（Ω/km）取8.5Ω/km；

Rc——芯线每公里的电阻（Ω/km）3×16交联聚乙烯铜芯电缆取1.5Ω/km；

代入可得Iimp=27kA。

激光调制采取马赫曾德电光强度调制器（Mach-ZehnderModulator，MZM），MZM 可实现微波对激光的强度调制，具体细节参见文献[13]，激光信号经过微波调制后，可以表示为：

电缆穿DN40镀锌钢管埋地敷射，埋地长度应大于70m（>2）进入室内电缆屏蔽层，钢管两端和中间均应接地。电涌保护器选用电压开关型，其有效电压保护水平Up/f小于或等于被保护设备的绝缘耐冲击电压额定值，即Up/f≤4kV，其持续运行电压应大于1.15U0=253V。

室内装380/380V隔离变压器。隔离变压器出线穿DN40钢管沿墙敷设，钢管两端接地。由于闪电电涌入侵中的共模电压分量在变压器的一次绕组中不能产生励磁电流，二次绕组无感应电动势，只要保证隔离变压器的绝缘，即可隔离闪电电涌入侵中的共模分量，另外当闪电电涌入侵时，差模分量引起隔离变压器一次侧饱和，对闪电电涌电压产生显著的削峰抑制作用[3]。

信号电缆采用屏蔽电缆，在信号塔底穿DN40镀锌钢管埋地敷射，埋地长度应大于70m进入室内线缆屏蔽层、钢管两端和中间均接地。入户处装设D1类高能量试验类型电涌保护器，，其短路电流也满足式（2）的计算结果。

雷电流有极大的峰值和变化率，在其周围会产生强大的交变电磁场。研究表明，当环境磁场强度大于5.6A/m时，计算机会误动作；当环境磁场强度大于191A/m时，计算机会发生永久性损坏[4]。为避免数据机房内设备损坏，应该采取屏蔽措施，降低房间的磁场强度[1]。屏蔽网格尺寸、材质及室内设备布置要求计算如下：

雷击点与机房的最小平均距离按式（3）计算：

式中：H-机房高度取3m；L-建筑物长度取6m；R-滚球半径对于正极性首次雷击取260m。

代入得雷击点与机房的最小平均距离Sa=42m，实际布局气象塔与机房距离仅有10m，因此雷击时磁场强度的衰减应按式（4）计算

式中：SF格栅屏蔽系数，按式（6）计算为22dB；w格栅屏蔽的网格宽，取1m。

式中：屏蔽网格导体半径r=6×10-3m；w-格栅形屏蔽网格宽取1m，代入求得SF=22dB。

通过以上计算可知为保证机房内设备不损坏，机房应该采用直径为12mm的圆钢，做1x1m的格栅形屏蔽网络，此时求得屏蔽系数SF=22dB，代入式（5）得室内设备布置距墙的最小安全距离ds/1=1m，代入式（4）得H1=1.5A/m，满足文献4中给出的指标，雷击时，机房内设备不会应辐射电磁场的影响而受到损坏或功能发生异常。

2.3 接地系统设计

接地系统包含气象塔接地和机房接地。为避免电压差导致的雷电反击，两者公用同一接地系统。接地系统采用185mm2在场地内敷设人工水平接地体，水平接地体间距5m，埋深0.5m，墙或基础周围的水平接地体，距墙或基础1m。穿线管、气象塔基础、拉线基础、机柜间基础内钢筋与接地网做可靠连接。机房接地网也应与人工水平接地体可靠连接，连接点不少于2处。

3 结论

气象信息系统防雷设计要结合滚球法防雷计算避雷针的高度，根据闪电电涌的衰减机理确定外部引入电源、信号线路、机房屏蔽的处理措施，根据现场实际情况确定接地网的布局和设置。充分利用接闪、分流、屏蔽、等电位连接、综合布线、电涌保护和共用接地措施的组合效应，降低雷击气象塔概率及风险。