武夷山生态定位研究站野外仪器防雷研究

汪家社,金昌善,郑群力,周方军,吴焰玉,徐辉,阮宏华,徐涵湄,汪鹏

(1.福建省武夷山自然保护区管理局,福建武夷山 354300;2.福建省武夷山生物研究所,福建武夷山 354300;3.武夷山市气象局,福建武夷山 354300;4.南京林业大学,江苏省林业生态工程重点实验室,江苏南京 210037)

武夷山生态定位研究站野外仪器防雷研究

汪家社1,金昌善1,郑群力2,周方军3,吴焰玉1,徐辉2,阮宏华4,徐涵湄4,汪鹏1

(1.福建省武夷山自然保护区管理局,福建武夷山 354300;2.福建省武夷山生物研究所,福建武夷山 354300;3.武夷山市气象局,福建武夷山 354300;4.南京林业大学,江苏省林业生态工程重点实验室,江苏南京 210037)

武夷山生态站试验地的地形地质特点为山势陡峭、表土薄、下层为砾石、土壤电阻率高,因此用于野外连续监测的仪器容易遭受雷电袭击,鉴于此本研究采用以隔离为主,分散、疏泄、入地为辅,多级阻隔消减、逐级衰减雷电感应过电压的防雷方案保护野外仪器,阐述了该方案的工作原理,并对其应用环境及其局限性进行了分析和讨论,以期为我国森林生态定位站野外监测仪器的防雷安置提供借鉴。

武夷山;生态定位研究;野外仪器;防雷

监测、研究水循环(森林涵养水源)是森林生态系统定位站的主要功能之一.水文研究的监测仪器都在野外,而防雷是保护野外实验仪器的重要工作,它直接影响研究成果。2002年以来,在武夷山生态定位站开始森林生态水文学研究,在野外安装监测仪器测定林外气象因子、林内穿透雨、树干径流量、地表径流量等的动态变化,2008年为改变森林生态站监测数据的采集、传输、管理基本还是手工或半手工状态,开展了武夷山常绿阔叶林水分循环数据采集信息化研究,在野外安装有线监测采集、传输传感器、光端机和无线监测采集、传输发射器及室内安装有线、无线接收仪器。多年来,由于没有防雷设施,仪器设备经常被雷电击坏,不但造成经济损失,同时严重影响研究数据正常采集。常规的防过电办法有削减、分散、屏蔽、隔离、疏泄、等电位、入地等措施。目前,在防雷工程中最常用的、行之有效的方法是安装浪涌保护器,让雷电流逐级泄放入地,降低雷电感应过电压,达到保护设备的目的,但这种方法的前提条件是必须有一个好的接地体,一般要求工频接地电阻 <4Ω。武夷山定位站的情况特殊,山势陡峭,土层薄,下层为砾石,土壤的电阻率高达 1500Ω.m以上,而且仪器多并分散在半山腰,接地体施工难度极大,成本高,要达到工频接地电阻﹤ 4Ω的要求,一处采集器的接地体造价要在万元以上。为解决林区雷电损害室内外监测仪器难题,我们开展了野外仪器防雷研究,通过一年多的野外试验,现达到防雷效果。

1 材料与方法

1.1 实验地概况

武夷山生态定位研究站 2000年建站,位于武夷山自然保护区东侧的黄溪洲 -皮坑口断裂带内,河谷流域集水面积 876.2 ha,河谷由东北流向西南,汇水于皮坑入星桐溪,全程 5.125 km,集水区海拔 1000 m以下,东面 (坡向西、西北)以甜槠林 (Castanopsis eyrei)、木荷林 (Sch im a superba)为主,西面 (坡向东)以丝栗栲 (Castanopsis rargesn)、米槠林 (Castanopsis carlesii)为主,均为中亚热带典型常绿阔叶林。山脊为马尾松 (Pinus m assoniana)、台湾松暖性针叶林,在海拔 900-1100 m处为针叶林和常绿阔叶林混交地带。目前野外建设有:林中铁塔 1座、测水堰2个、径流场 3个。

1.2 试验方法与设备

使用电感线圈和浪涌电阻构成用于室外采集器供电干线防雷 2K W电抗箱;使用电感线圈、浪涌电阻、隔离变压器和交流转直流稳压模块构成采集器专用电源隔离箱;室内电源采用第一级防雷 60KA单相浪涌保护器、第二级防雷 40KA单相浪涌保护器;采集器专用电源隔离箱连接简易接地体,安装接地引下线。

2 室内外安装方法

2.1 室外防雷器件与仪器设备安装。

采用电抗箱作为雷电防护的第一级方法,在数据采集仪器前端安装电源隔离箱 (见图 1)。

图 1 室外防雷器件与仪器设备安装

2.2 室内防雷器件与仪器设备安装

采用常规浪涌保护器逐级泄流方法,在数据接收仪器终端的前端安装电源隔离箱。见图 2。

图 2 室内防雷器件与仪器设备安装

2.3 电抗箱工作原理图

电抗箱工作原理图见图 3

图 3 电抗箱结构图

2.4 电源隔离箱结构图

电源隔离箱结构图见图 4。

图 4 电源隔离箱结构图

3 结果与讨论

3.1 通过采用以隔离为主,分散、疏泄、入地为辅,多级阻隔消减的办法,逐级衰减雷电感应过电压,而对接地电阻值要求不会很高的方法达到防雷目的。

3.2 采用电抗箱作为户外雷电防护的第一级,L1,L2为空心电感,电感值很小,约 50～100μH,对 50Hz交流电而言 ,感抗 XL=ωL=2πfL(f=50Hz,L=50 ×10-6H)很小 ,而对雷电流,由于是脉冲波,频率分量中的基波都在 10kHz以上,L1,L2呈现出较高的感抗 (约几十Ω到几 kΩ之间),阻碍雷电流的通过 (阻碍作用对共模和差模电流都一样)。L3有铁芯的大电感,单边电感量达 3H左右,虽然对于 50Hz的交流电流也呈现出大电感,但交流电流 (单相)IL,IN(相线与零线电流)总是大小相等,相位相反 (即差模电流),按图 3的接法,流经 L3时,磁通相互抵消,无阻碍作用 (也就是说对差模电流感抗 XL=0)。但对于雷击感应过电压在相线和零线上产生的电流主要是共模成分 (或者说是共模分量为主),流经 L3时,磁通相互叠加,呈现出很大的感抗,阻碍雷电流通过,但雷电流无处泄放,在电感的两端和 2个电感之间都会产生高电位差,所以要配以电涌保护器 RU(氧化锌放电器)5个,它的击穿电压 (即启动电压)在500V～600V之间,残压在 3000V左右,额定放电电流 20kA,8～20μs的脉冲电流。虽然输出电压还会很高,但通过后级的配合,逐级阻碍、泄放、隔离、消减。

3.3 电源隔离箱的主要器件是隔离变压器B,是为防雷特殊设计制作的:采用U型铁芯,初、次级分别绕在 2个骨架上,初级线圈与次级线圈及铁芯之间都有比较高的绝缘能力,击穿电压≥5×104V,(而普通的小型电源变压器初次级线圈是分里外层绕在一起,耐压只有3kV),当雷击感应过电压 (共模分量)加到初级时,被初次级之间的间隙和绝缘骨架隔离,因共模电压 L、N线同时升高电压,铁芯不产生磁通增量,次级无输出。雷电感应到差模分量,由于是脉冲电压,频率高,铁芯中产生磁滞和磁饱和现象,通过 B之后的幅值也不是与匝数比成正比例关系,而是小得多。另一方面,过高的雷电感应电压会击穿空气间隙和绝缘骨架的,这就靠 RU(电涌保护器)共同配合以保护 B不被击穿。如图 4。由于有了 B,RU放电时地电位的升高、和L、N之间的高电压大大减小对后级仪器设备的破坏力。

3.4 研究成果,工艺简单、成本低、施工难度小,适应在山势陡峭,土层薄,地形复杂的林区野外各种监测研究仪器设备防雷推广应用。

3.5 对雷击的防护仍然具有局限性。雷电入侵的电压要在B的隔离能力之内,即 5万伏以内,超出此范围,如直击雷落在电源线上,无法达到防雷目的。

[1]何建源,等.武夷山研究 (自然资源卷)[M].厦门:厦门大学版社.1994.

[2]苏邦礼,崔秉球,等.雷电与避雷工程 [M].广州:中山大学出版社.1996.

[3]虞昊,臧庚媛,等.现代防雷技术基础 [M].北京:清华大学出版社.1995.

L IGHTNING PROTECTI ON OF FIELD INSTRUM ENTS IN ECOSYSTEM LONGTERM RESEARCH STATI ON INW UY ISHANMOUNTA IN

Wang Jia-she1,Jin Chang-shan1,ZhengQun-li2,Zhou fang-jun3,Wu Yan-yu1,Xu Hui2,Ruan Hong-hua4Xu Han-mei4,Wang peng1
(1.The National N atural Preserve of W uyi M ountains in Fujian Province,W uyi Shan,Fujian354300,China;2.The B iological Institute ofW uyiM ountains in Fujian Province,W uyi Shan,Fujian354300,China;3.TheM eteorologicBureau ofW uyiM ountains in Fujian Province,W uyi Shan,Fujian354300;4.Key Laboratory of Forestry Ecological Engineering of Jiangsu Province,N anjing Forestry University,N anjing,Jiangsu210037,China)

Because the topographic and geological features of ecosystem long-ter m research station inWuyishanMountain are high and steep,thin top soil,pebbly sublayer and high soil resistivity,the continuousmonitoring instruments used in the field are easily destroyed by lightning.We studied a lightning protection plan whatwas isolation firstly and dispersed into earth secondly,and then subduction by obstructed multilevelly and cascade reducing lightning overvoltage.Moreover,we expounded principle of this plan and discussed its application environment and l imits.

WuyiMountain;ecological long ter m research;field instruments;lightning protection

S718.5

A

1001-4276-(2010)01-0059-05

2010-10-01

福建省科技厅重点资助项目 (项目编号:2008Y0021)。

汪家社 (1955-),男,高级工程师,研究方向:森林生态和森林昆虫学。