姚永熙

（水利部南京水利水文自动化研究所，江苏  南京 210012）

摘  要：雷电影响是造成水文自动测报系统损坏、故障的重要原因。随着系统建设的发展，对系统防雷保护的认识也日趋完善。介绍了雷电对水文自动测报系统的影响途径，水文自动测报系统的防雷要求，对系统的防雷，尤其是对外部防雷保护措施的认识，以及对一些防雷技术问题的讨论。

关键词：水文；自动测报系统；防雷；接闪系统；等电位联接

0  前言

水文自动测报系统的传感器、部分通信设备都在野外工作，室内设备通过信号线、通信线、电源线与野外有直接联系，安装仪器的站房本身也暴露在大气中，它们都必然会受到雷电的影响。自动化系统大量应用微电子器件，耐压程度很低，雷电感应也很容易对它们造成破坏性的损坏。因此，水文自动测报系统的防雷工作非常重要。多年来，随着系统的发展，对防雷问题的认识也日益完善。正确的防雷措施将明显降低雷电影响，但由于雷电的复杂性，也很难做到万无一失。

1  雷电对水文自动测报系统的影响途径

1.1 直击雷

直接击中地面物体的雷电为直击雷，产生的破坏性很大，但发生的可能性小。直接雷击会产生数百千安的电流，但历时只有数百微秒。高度破坏性的电流将从被雷击和接地的部分流向所有设施。与此同时，在很多导线回路中产生电位差，也会造成不同程度的破坏。

   如果直击雷击中架空线路，高压冲击波形成的过电压将沿此架空线传播，很大范围内所有与之联接的设施都会受到这个传导过电压的影响或破坏 。

   直击雷基本上只会击中室外露天安装的设备，包括建筑物和人，一般不会击中室内安装的仪器。但直击雷形成的传导过电压很可能会沿电源线和各种通信线进入所有联接的设备。

   雷电流被避雷针引入大地时，要经由引下线、接地体而分散入地。由于存在着散流电阻，在这些区域的不同地点会有不同的电位。在雷电流的高压、大电流情况下，即使是很短的距离也会产生足以损坏微电子线路的电位差。

1.2  感应雷

   对地雷击或空中雷击在设备和相互间的传输线路附近发生。由于雷电是高频脉冲电流，频率在数千赫的范围，会在这些线路上产生感应过电压。感应过电压同样会产生脉冲浪涌，经相应线路传输，对设备造成破坏，称为感应雷。除直击雷外，其它雷电影响常都被称为感应雷。

   感应雷的能量远小于直击雷。但在设备附近很大范围内发生直击雷时，都可能使设备受到感应雷影响，所以，感应雷发生的可能性远大于直击雷，且足以损坏系统中的电子设备。对感应雷的预防是水文自动测报系统的主要防雷任务。

1.3 其它雷击破坏形式

   雷击的形式很多，造成破坏的机理也很多，有些是难以弄清的，如球状闪电。还有一些雷电击中附近地面，在击中处形成瞬间高压，此高压和附近的设备接地体形成很大压差，会产生浪涌电流，反弹到接地的设备上，造成破坏。

   雷电击中避雷设施，向接地体泄放巨大雷电流，同时在接地体上产生很高的过电压。如果附近有另一地网，形成的压差会造成二接地体间破坏性的浪涌电流，反弹到联接的设备上造成破坏。

发生雷击时，所有联接在接地体上的设备如果没有很好地等电位联接，电位差较大处的压差或放电会造成破坏。

2. 水文自动测报系统的防雷要求

2.1  防直击雷要求

    中心站、测站和中继站都有相应的站房建筑，都有防直接雷击的要求。

    我国有GB50057-94（2000版）《建筑物防雷设计规范》，站房的防雷要求应符合此规范。中心站还应符合计算机、通信等防雷要求。

    防直击雷的主要措施包括安装较好的接闪器（避雷针）、接地体，以及等电位联接。

2.2  防感应雷要求

   感应雷能通过通信设备的天馈线、电源线、传感器信号线进入设备，要采取相应的防雷措施。通信线、信号线和电源避雷是水文自动测报系统必须采取的避雷措施 。

    等电位联接也是防感应雷的重要措施。

    直击雷和感应雷可能同时发生 。

3 水文自动测报系统中常用的防雷措施

   可以将防雷分为外部和内部防雷两种，外部防雷是防直击雷，内部防雷包括防雷电感应、防雷电波侵入、防反击等。

3.1  外部防雷保护系统

    外部防雷保护系统也可称为避雷针（网）系统，保护建筑物和户外设备不受直击雷雷击。

3.1.1  系统构成  

   外部防雷保护系统由接闪器、引下线、接地线、接地体组成。接闪器常常是一根垂直安装在高处的金属针（棒），所以常被称为避雷针。接闪器用引下线联接到接地线，接地线与接地体联接。接地体埋在地下，接地电阻很小，一般要求小于10Ω，中心站要求更小些。简单的避雷针系统的引下线和接地线是直接联接的。

    接闪器的布置可以是垂直的针或水平的线、带等多种形式，不只是常见的单针形避雷针。避雷“针”的接闪作用几乎只与其高度有关，而与其外形无关。

3.1.2防雷范围

   设计、安装良好的接闪系统可以很好地保护一定范围内的设备免遭直接雷击。不同的避雷设计有不同的保护范围 。

    （1）单针型避雷针的保护范围

    以单针型接闪器的保护角来说明其保护范围。以前曾笼统地认为保护角为45°左右，在此范围内都受到接闪器的防直击雷保护。单支避雷针构成及保护区示意图见图1。实际上保护角并不一定是45°，要根据避雷针高度，按防雷级别规定的滚球半径而定。

1.保护角（45°时）；2. 避雷针（接闪器）；3. 实际保护范围线A（滚球

半径等于避雷针高）；4. 实际保护范围线B（滚球半径大于避雷针高度）；

5.引下线；6.接地线；7.接地体。

图1    单支避雷针构成及保护区示意图

    水文测报系统普遍应用单支避雷针防护直击雷，可采用建筑物防雷设计规范中提供的参数，具体参数如表1所示。

表1  按照防雷级别布置接闪器的参数

    表1中的保护角是以滚球法为基础，以等效法计算而得到的，使保护角保护的空间等效于滚球法保护的空间。计算上很复杂，用直线型锥角代替圆弧状锥角本来就有明显矛盾，所以不要简单地用保护角来表示防雷范围。滚球法是基于某一雷闪数字模型确定防雷导体保护空间的特定方法，已被公认和采用，并被引入国际和国内标准。滚球半径可用简式估算：  ，                  

式中：——雷闪的最后闪络距离（击距），即滚球半径；I ——与相对应的得到保护的最小雷电流幅值。

（2）多防雷接闪器的保护范围

具有多个防雷接闪器的防雷设施安装有多个垂直和水平接闪器，保护其下方的设施，可使用滚球法确定这些防雷接闪器的保护范围。先按防雷等级确定滚球半径，设想以此给定半径的球体滚过上述所有防雷接闪器和地面上方时，滚球未触及的空间就是得到防雷保护的空间。

使用于较大建筑物时，先在屋顶四周布设避雷带，然后在屋顶中间根据形状和需要组合安装避雷带和避雷针。再选相应的滚球半径，在屋顶这些避雷针、带上滚动，球体未接触到的屋顶就在保护范围内。建筑物较高时要考虑防侧击。

应用双支避雷针时，用2个滚球在地面上从两侧滚向避雷针，与其接触后两球体的圆弧线及上部避雷线以下、以内是防护区域。双支避雷针保护区示意图见图2。

    水文自动测报系统中心站房和需重点保护的野外站可使用这类方式。

   用滚球法确定防直击雷的保护范围比保护角法合理、方便，用于多防雷接闪器时更为方便。独立避雷针、线的高度如果超过所用的滚球半径，则不能用滚球法确定它们的保护范围。

（3）防雷网络形导体的保护范围

   以给定的网格宽度和给定的引下线间距盖住需要防雷的空间，构成防雷网络。不同防雷级别的避雷网络宽度参见表1。网络保护的原理基于法拉弟电位分布原理，可以保护网络覆盖下的区域。

   此方法的防雷效果最好。和其它系统结合在一起的中心站，高山上的中继站可以考虑应用此方法。此方法和多防雷接闪器法类似，只是接闪器更密些。

3.1.3  外部防雷保护系统在水文测报系统中的应用

（1）接闪器

    大多数测站使用单支避雷针作为接闪器，防雷等级应取Ⅰ和Ⅱ级，滚球半径20或30 m。避雷针高度很少会超过20 m，所以保护角在25～35 ° 范围内。防雷等级高，滚球半径小，保护范围较小（保护角小），如图1中的保护范围线A，但保护效果好，反映在可能进入保护区击中被保护建筑物的雷电流要小些。防雷等级低，滚球半径大，保护范围大（保护角大），如图1中的保护范围线B，但保护效果较差，保护角是一圆锥顶角的半角，实际保护范围线是一复杂的近似圆弧线。习惯用45°代表单支型避雷针的保护范围是误差较大的估计值，不应再采用。用表1的保护角来确定的保护范围也只是一个基本近似值。雷电现象很复杂，雷电防护范围不可能精确确定。虽然保护角定义的保护范围能满足水文自动测报系统的一般要求，但还是不宜简单地应用一个恒定的保护角值来确定保护范围，要考虑避雷针高度和滚球半径的取值。

    对于重要站点可以考虑采用双支避雷针作为接闪器，就是在被保护范围的两侧竖立2支避雷针。它们的保护范围大于单支避雷针，用滚球法确定保护范围，保护效果明显优于单支避雷针。运用双支避雷针时，在两针端部加设架空避雷线，能起到更好的防雷效果，双支避雷针保护区示意图如图2所示。

I.雷电非保护区；II.雷电保护区；III.雷电保护室内1区。

1. 支柱；2. 避雷针； 3. 避雷线； 4. 防护范围。

图2    双支避雷针保护区示意图

    架空避雷网应用于雷击多发地区的高山中继站和少量测站。图3所示为架空避雷网的一种形式。接闪器由相互联通并很好接地的架空网组成，正规布设的引下线也作为接闪器的一部分。保护区在网下，与避雷网间应有一安全距离，以保证防雷效果。架空避雷网的应用效果最好。在建筑物屋顶周围及屋顶上架设避雷带、线，再通过引下线接地，是架空避雷网保护中心站建筑物的一种形式。

              1. 支柱； 2. 架空避雷网； 3. 保护区。

图3     架空避雷网的一种形式

（2）引下线

    引下线与接闪器相连，接闪器可能是单根（单支避雷针）、2根（双支避雷针）和多根（架空避雷网等）。用于避雷带、线和网时，必须使用多根引下线，分布间距要按照有关规定，较高较长时要增加等电位联接点。

（3）接地装置

    接地装置俗称为接地电网，接地电网可以是1块或几块金属板，或是1根金属带线。较正规的接地体由多根水平或垂直接地体组成。常将接地地网直接布置在站房地下，并增加幅射状水平接地体 。

    接地体间距一般为5 m，以减小相邻接地体的屏蔽作用。过密的接地体并不增加接地电网的效用。水平接地装置埋深0.5～0.8 m就可以了。

   接地装置的水平延伸长度也是一个需要考虑的因素，以有效地将雷电冲击电流散流入地。水平延伸长度与土壤电阻率有关。平均水平延伸长度（为土壤电阻率，在数百到数千之间）。

    如果较大的钢筋混凝土基础的接地电阻值符合要求，也可以作为接地装置。

    在布设接地网时，往往最重视的是接地电阻。SL61-2003《水文自动测报系统技术规范》规定避雷针接地电阻应小于10 Ω。一般说来，接地电阻越低，防雷性能越好。但在接地电阻率很高的地点，要达到10Ω的接地电阻很不容易。降低接地电阻的主要作用是加快雷电流的散泄，减少因电位差而引起的地网反击危险。而出现反击危险的主要因素是互相连接的金属物（包括避雷装置）之间的电位差，它们与防雷接地装置的接地电阻无关。如果已采取了完善的与防雷装置的联接和等电位均压措施，可以不必要求很低的接地电阻，这也是应优先采用等电位接地电网的原因。

   从防雷的观点出发，应该采用共用接地装置。即用一个接地网供所有接地用，包括防雷（接闪器）、低压电力和电信等系统。

3.1.4  关于外部防雷保护系统的一些讨论

（1）接闪器的形状问题

   一般总认为避雷针的针状结构符合尖端放电原理，最适宜作为接闪器。但研究表明，在同一高度的避雷带、线具有基本同样的接闪功能。也就是说接闪器不必一定是向上的针状体，应该将俗称的“避雷针”概念改为标准的“接闪器”概念。

（2）避雷针的高度和防护性能

   一般常认为避雷针高一些，防雷效果好一些好。但实际上是由滚球半径决定保护范围和性能。滚球半径愈小，可能进入保护范围的雷击能量越小。水文自动测报系统应用的滚球半径应在20～30 m范围内，避雷针的高度不应高于此高度。很多研究认为，避雷针超过60 m高时对任何场合均无意义。另外，在保护范围内仍可能遭受较小能量的雷击，但概率较小。

（3）接地装置接地电阻的要求

技术规范中一般都要求接地电阻小于某一值，常规定小于10 Ω，也有些情况规定小于5 Ω的。由于传统接闪器只是将雷电流引向自身，再下泄由接地装置导入大地。同时也可能带来地电位升高、侧击、雷电流电磁干扰等问题。这些问题要用其它方法，如等电位联接、屏蔽等方法来解决，只规定接地电阻并不完整。

   过分地要求降低地电阻也无必要。为了将雷电流散入大地而不发生危险的过电压，接地装置的布置和尺寸，以及等电位处理等比接地电阻值更重要。这些观点已被大家接受，但实际要求仍希望有一较低的接地电阻。供电和通信对接地电阻有各自的要求，不完全属防雷范围。

（4）接地装置的数量问题

    过去有些设计要求每一站点最好有2个地网，分别用于避雷和设备接地。如果2个地网相距较远，则有一定的合理性。从防雷角度看，应该共同使用1个接地地网，以保证等电位联接。

（5）消雷器的停用

   消雷器的设计原理是通过改变接闪器的材料和形状来产生电流和雷云中的电荷，使雷云在消雷器的保护范围内无法建立起发生雷闪所需的电场强度，从而达到消雷的目的。这种观点引起很大争论，反对观点认为，此原理无法在技术上实现。实际应用的消雷器也没有证明其作用，因此目前已停止使用消雷器。

（6）引下线产生的感应雷问题

引下线中会有大量的雷电流通过，并在周围的导体中产生电磁感应。为了避免或减少这种影响，可用多根引下线均匀对称分布，以相互抵消保护范围内的电磁感应，这种方法可起到雷电流的分流作用。另有提出将引下线屏蔽保护的方法。但对水文测报系统，采用普通金属引下线就可以了。

（7）采用屏蔽方式的防雷效果

此方法根据法拉第原理，认为将设施（遥测设备）安放在全电磁屏蔽的较大机柜内，就能全面保护其中的电子线路，不受雷击影响。可以从等电位（外壳）、屏蔽、集肤效应等电磁原理来理解其防雷功能。问题是遥测设备必然要与外部的传感器信号线、通信线及天馈线、电源线等联接，由此带来的雷电影响不能用屏蔽遥测终端机的方法来解决。简单地使用屏蔽式机箱、机柜，防雷效果改善不明显。

（8）采用悬浮方式防雷的可能

这种方式是将遥测终端机以完全与地绝缘的方式安装，可以垫以高绝缘性能的物体，也可以用绝缘物悬挂。被认为是另一类等电位方法，或者被认为无穷大的接地电阻使雷电感应不会起破坏作用。这种方法没有正式应用过。

雷击方面的研究不断深入，新的防雷概念和成果也在不断出现，需要及时了解和改进。

3.2  内部防雷措施中的等电位联接

   内部防雷措施包括等电位联接和有关线路、电子设备的过压保护等。等电位联接是内部防雷中必须采用的很重要措施，水文自动测报站点内都应做到。有时，等电位联接的性能比降低接地电阻更重要。

   等电位联接时，用连接导线将防雷空间内的防雷装置、外来的导体、电气和电讯装置、建筑物的金属构架、金属装置等的接地部分全部联接起来。对外来导体包括屏蔽金属管、导线屏蔽层，都应在进户点作等电位联接 。较高建筑的多根引下线要通过水平环形导体联入等电位联接系统。

   雷击时等电位联接的各避雷装置、设施线路间不会产生较大的电位差，不会产生大电流或放电，加上各种电子设备的自身防雷措施，则可保护各种设备。设备外壳和建筑物内钢筋也进入等电位联接，会产生更好的屏蔽作用。

3.3  信号线、电源、通信线路的防雷

    信号线、电源、通信这3类线路都可能从站房外接入，都有可能引入雷电影响。

3.3.1传感器信号线防雷措施

优先采用穿金属管埋地的方法铺设传感器信号线。铺设时应穿入热镀锌铁管，再固定埋设在地下。金属管起到了很好的屏蔽和分流接地作用，对信号线的保护防雷效果最佳。一般情况下，野外信号线都应该穿管埋地铺设。在建筑群内部范围，或在外部防雷设施很完善的保护范围内，信号线的铺设可以简单一些。

如果只能将信号线架空布设，最好将信号线穿入金属管内，至少要使用屏蔽电缆，另外要采取防雷措施。比较可取的措施是在信号线上方架设避雷线，避雷线高出信号线1 m以上。避雷线的两端和传输中途要多处接地，接地引下线通入地内。实际上就是一个外部避雷装置。

信号线传输距离较远时，雷电感应影响难以完全消除，接入设备采用一些端口隔离保护措施是很有必要的。

在电子设备内部可以应用各种防雷元器件和线路构成仪器本身的雷电保护，用于从各种外接线路上进入仪器的过电压和浪涌防护。可以用于各种通信接口、传感器信号线、电源线等，在保护范围内使设备不受雷电影响，雷击后可以自动恢复正常工作。

3.3.2电源防雷措施

   利用市电作为电源时，很容易从相互联通的交流电网上引入各种雷电影响，因此电源避雷也很重要。测站基本采用太阳能电池浮充的蓄电池供电，使用的太阳能电池和引线应在外部防雷系统的保护范围内。

3.3.3通信线路防雷措施

   水文自动测报系统应用的通信线路中，应用电话线通信的有线方式和超短波通信的无线方式需要考虑防雷设施。其它通信方式，如卫星和移动通信，它们的天线、馈线很低、很小，受雷击影响的可能性小，一般不专门考虑防雷设施。

4结语

    对水文自动测报系统防雷措施的认识已逐步深入，其外部防雷系统的布置和性能设计应按目前的认识和相关标准，以及系统特性去执行，包括接闪系统、等电位联接要求等。传感器信号线、通信线路、电源防雷中，如不应用超短波通信和自架有线通信，传感器信号线防雷是最应重视的部分。

参考文献:    [1] GB50057-94，建筑物防雷设计规范（2000版）[S].