提要：经对水库建筑物、电子电气系统的设备构成、布线方式、防雷措施、环境状况、落雷情况等综合调查，分析该区域电子电气设备雷击的原因，通过理论计算，提出综合雷电防护设计方案，以达到水库电子电气系统安全防雷的目的。
前言：随着水库管理现代化水平的提高，大量弱电设备进入到管理、控制系统，由于弱电设备的耐冲击电压能力低，因而受损几率增大，同时由于水库周围水、土不同介质的电阻率变化较大，造成落雷频率增多。山东省库容量排第5位的聊城水库，曾多次出现雷击事故，04年经防雷改造后两年来未出现雷击事故，现对此防护设计方案介绍一下，仅供防雷同行指正。
1 水库电子电气系统的基本情况调查
1.1  水库状况调查。水库为西北—东南走向，大坝东北—西南走向，长约1200m，9孔溢洪闸门位于大坝北头，4层综合办公楼位于水库南侧坝南头。综合办公楼西侧6m处为40m的铁塔，防汛电台接收天线架设在34m处，信号电缆自铁塔飞线引入室内设备。
1.2  管理控制系统的构成。该系统包括两部指挥电台（其中一部备用），皆与市防汛指挥部相连；一条专线（光缆）及程控交换机，交换机与闸门控制室及各办公室相连；监控系统（防雷改造时安装），监控探头分别设置在办公室、9空溢洪闸闸门及闸门控制室、发电厂等23处；闸门起闭控制系统，由微控室设备与起闭机房有线控制。上述管理控制系统主设备设置在综合办公楼3楼微控室。
1.3  防雷及布线状况。综合办公楼（80×14×14m）接闪器已按照三类防雷建筑物标准设置，工频接地电阻为0.9Ω。溢洪闸门起闭机房（112×10.2×20m）接闪器为避雷带，天面网格为74×10.2m，接地系统在南北两端，工频接地电阻为12Ω。综合办公楼的电源线路自变压器室架空进入，溢洪闸门起闭机房的电源线路沿大坝架空引入。
2  雷击隐患分析
分析历史上雷电对建筑物及设备造成危害的程度、方式，结合现有设备的设置方式与耐冲击能力，分析设备可能遭受雷击的方式、途径。
2.1  雷击基本情况。历史雷击基本出现在2处地方：一是起闭机房闸门提升控制器烧坏；二是综合办公楼微控室的电台、微机烧坏，漏电保护开关曾经烧坏。
2.2  雷击危害程度及渠道。从用电设备损坏程度分析，雷电危害设备的脉冲过电压约在1.5~4kV①。从设备放置的空间及电缆与接地线的连接方式，判定造成设备损坏的途径有4个方面：一是信号线路的铠装层转移过脉冲过电压；二是架空低压线雷电感应或直接雷击造成高电压输入；三是建筑物防雷设施遭受雷击，地电位反击，N线带有高电压；四是雷击附近通讯铁塔，电磁脉冲危害（此处表现不明显）。
2.3  现有电子电气设备的耐冲击能力。构成水库管理控制系统的电台、微机、监控系统、闸门启闭控制系统皆为弱电设备，其耐冲击能力皆小于1.5kV。因此，现有设备存有较强的雷击隐患。
3  综合防雷设计方案
综合防雷是指经过计算，确定建筑物防雷类别及SPD设置级数，并通过设置直击雷防护措施、屏蔽、科学布线、设置电涌保护器、等电位连接、共地等措施，消除雷击电磁脉冲危害，达到防雷目的。
3.1  建筑物直击雷防护设计。
3.1.1  确定建筑物防雷类别。根据建筑物年预计雷击次数①来判别，年预计雷击次数N可由下式来计算：
N＝kNgAe＝1.5×0.024×33.81.3·[LW＋2（L＋W）· ＋πH（200－H）]·10-6　　
上式：K-校正系数，取1.5；Ng-雷击大地的年平均密度Ng＝0.024Td1.3；Td-年平均雷暴日，取33.8d/a；L、W、H-建筑物的长、宽、高，m。
由此计算综合办公楼、溢洪闸门起闭机房的年预计雷击次数分别为0.066次/a、0.094次/a，皆为第二类防雷建筑物。综合办公楼的接闪器网格设为10×7m。溢洪闸门起闭机房的避雷带设置为10.2×8m网格，引下线利用柱筋直接与接闪器及基础钢筋相连，测量接地电阻为0.8。女儿墙4个外角设置450mm高φ12mm的镀锌圆钢短针。
3.1.2  建筑物外部监视探头的直击雷防护。在云台附近设置一避雷针，其高度可依据第三类防雷建筑物标准计算①。
3.2  屏蔽。屏蔽可有效地防护雷电对电缆的电磁脉冲并减少转移阻抗。根据实测证明，在0.05MHz~2MHz时，电缆的转移阻抗：无屏蔽时为1045mΩ/m，单层屏蔽时为2~20mΩ/m，双层屏蔽时为0.01~1mΩ/m②。现将电源、信号电缆及设备屏蔽的具体措施分述如下。
3.2.1  电缆线路屏蔽的材料规格与设置方式。电源及信号电缆，在其外面套装金属管作为双层屏蔽（各自套装），管径逾大逾好。进入综合办公楼前不少于15m的电缆埋地穿管，溢洪闸门起闭机房各种电缆穿管埋设在600mm以下，屏蔽层两端皆接地并与建筑物的公共地作电气连接，进入室内后与总等电位母排连接，此措施可分流70%雷电流①。
3.2.2  LPZ0B区设备的屏蔽。处于LPZ0B区的设备应采取多层屏蔽措施，使设备处于LPZ1~n区域。
3.3  等电位连接。等电位连接可使各金属导体间的电势平恒，避免导体间过电压造成的闪击。
3.3.1  电台天线及信号电缆的等电位连接。在电台天线与信号电缆连接处、电缆入室转弯处，将铠装层与铁塔作电气连接，进入室内时将铠装层、金属套管连接后与建筑物的内筋连接并与总等电位母排连接，信号线进入电台前设置SPD（图1）。
图1  信号电缆的等电位连接  
3.3.2  室外监控探头的等电位连接（图2）。摄象机的电源、信号电缆皆穿金属管，并在云台处将各电缆的屏蔽层、金属管及避雷设施作电气连接。在连接盒内设置信号、电源SPD，其接地线与线缆的屏蔽层连接并接地。信号传输至光端机前应设置信号SPD，信号以光纤传输至综合办公楼，进入光端机前将光缆的铠装层及加强筋与设备断开③。
图2  监控系统带电导体等电位连接示意图
3.3.3  电源SPD的设置级数与等电位连接。
3.3.3.1  电源SPD的设置级数。根据公式E＝1－NC/Ne＝1－（5.8×10-3·C）/（N＋N′）④
＝1－{5.8×10-3·（C1＋C2＋C3＋C4＋C5＋C6）/[N＋0.024·Td1.3·（Ae1′＋Ae2′）]}
＝1－[0.0464/（N＋2.33·Ae1′）]
上式：E-拦截效率；Nc-因雷击引起信息系统设备损坏的可接受的最大年雷击次数；C-各类因子，C1-取1.0、C2-取2.0、C3-取0.5、C4-取1.5、C5-取1.5、C6-取1；N-建筑物年预计雷击次数；N′-入户线路年预计雷击次数；Ae1′-电源线缆入户设施的截收面积，综合办公楼为（土壤电阻率取36Ω/m）；Ae2′-信号线缆入户设施的截收面积，
经计算：综合办公楼E为0.8；溢洪闸门启闭机房E为0.5，因此综合办公楼、溢洪闸门启闭机房皆可设置2级SPD即能满足雷电感应及高电压输入防护需要。
3.3.3.2  电源SPD的基本参数。当电缆穿金属管埋地，且两端接地并与建筑物内筋等电位连接时，可采用8/20μs波形的SPD①，首级设置在总配电盘处，标称放电电流为50kA，第二级设置在楼层或微控室，标称放电电流为10kA，但第二级SPD的残压及其两端连接线的藕合电压之和应不大于1.5kV。
3.3.3.3  电源SPD的连接。电源SPD设置在配电盘内，SPD的接地线直接与等电位母排连接，其与相线连接线及与接地母排连接线垂直长度之和小于500mm，SPD的上部设置一熔断器。
3.4  共地。配电盘内各种接地共同连接于箱内等电位母排。室内设备地、PE地、信号地等各种地共同连接于建筑物等电位母排。建筑物防雷地、弱电地、配电PE地连接于同一接地系统。接地电阻取各系统中规范要求最低阻值，即信息系统允许接地电阻1Ω。
4  总结。水库管理控制系统防雷关系重大，应在综合调查基础上，通过理论计算，确定建筑物的防雷类别与电涌保护器的设置级数，并采取综合防雷措施，方可对直击雷、雷电感应、脉冲过电压输入、雷电反击等雷电危害达到有效防护。

                                                       
作者简介：1970出生   从事防雷工作（1998-至今）助理工程师


参考文献
①  《建筑物防雷设计规范》GB50057—1994
②  《雷电与避雷工程》 苏邦礼等  中山大学出版社
③  《低压系统防雷保护》 [德]Peter Hasse   傅正财译  中国电力出版社
④  《建筑物电子信息系统防雷技术规范》GB50343—2004