长江河口主要物理参数智能监测站点防雷供电保障措施研究

黄建忠, 陈 东, 虞 敏

(上海市气象灾害防御技术中心, 上海 200030)

0 引 言

雷暴气候特征主要分析雷暴发生的规律以及活动的路径。由于人工观测的局限性,雷暴日参数并不能完全代表该区域具体的雷电特征。而闪电定位监测资料的运用,弥补了雷暴气候资料的局限性。闪电定位监测资料通过闪电定位监测系统获取数据。上海市闪电定位系统实现上海市全境无缝隙的闪电定位探测,闪电的探测效率达到95%,定位精度标称值为500 m。

1 长江河口主要物理和环境参数智能监测站点雷电环境分析

总体来看,近岸岛式、栈桥式站点的雷击大地密度明显比岛式站点高很多,这是因为相对岛式站点,近岸岛式、栈桥式站点离岸边更近,位于水陆交界处,更易受海风的影响而产生雷电。

利用闪电定位监测系统获取10个站点雷电参数信息,如表1所示。

表1 10个站点雷电参数信息

2 长江河口主要物理和环境参数智能监测站点的雷击损害路径

2.1 雷电直接击于监测站点建(构)筑物及设备设施上

当遭受直接雷击时,雷电可能直接击到建筑物和室外设备上,使建筑物和设备严重损害。建筑物外部结构上的雷电流容易通过设备外壳与建筑物外部结构之间的电气连接处直接进入到内部设备中,进而破坏整个水文自动监测系统。水文自动测报系统中安装在室外的设备主要有天线、雨量计、太阳能板等,这些设备都有可能遭受雷击,其中以天线引雷的可能性更大些[1]。

2.2 雷电间接影响智能监测站点设备设施的正常运营

雷电除了可能直接击中建筑物和室外设备上,也有很大的概率直接击在建筑物或室外设备附近的区域。雷电是高频脉冲电流,会在线路上感应过电压。感应过电压同样会在电子电气上产生电涌,对设备造成破坏。虽然雷电感应的能量较小,但监测站点附近较大范围内发生落雷时,均有可能使设备受到雷电感应的影响,所以雷电的间接影响也是监测站防雷的主要任务。

3 长江河口主要物理和环境参数的智能监测系统防雷供电保障技术措施

根据雷电损害智能监测系统的路径,可以采取针对性的技术措施来进行防御,包括拦截、分流、接地、共用接地系统、屏蔽、合理布线、等电位联结、安装电涌保护器(SPD)等8个方面。

3.1 拦 截

3.1.1 通信天线的地闪拦截

通信天线的地闪拦截通常采用安装接闪杆的方式实现。从上海市水文总站长江河口主要物理参数智能监测关键技术研究课题组(简称甲方)所提供的电气施工图中了解到:此次除南汇咀外,其余站房顶部均设计通信铁塔,可在通信铁塔顶部安装接闪杆时,将通信天线、风力发电设备、太阳能发电设备等设施考虑在接闪杆的保护范围内,保护范围宜按滚球半径45 m计算。通信铁塔接闪杆的保护范围如图1所示。

图1 通信铁塔接闪杆的保护范围

安装在铁塔顶部的接闪杆与通信天线之间尽量保持一定的水平距离,以满足安全间隔要求,可采用将两者呈对角线方向安装的方式来增加间距。

防雷引下线不宜利用铁塔本体或金属导体直接固定于铁塔,建议采用与铁塔本体绝缘的专设引下线。

3.1.2 风力发电设备的地闪拦截

陈行、长兴、三甲港、没冒沙站的供电方式为风力发电加太阳能发电的组合。

风电机组叶片的材料主要是玻璃纤维或者碳纤维,桨叶直击雷防护目的是将雷电流安全地从桨叶雷击点传导到接地装置,从而避免叶片内部雷电电弧的形成,可以通过以下三种方式实现:

(1) 通过在叶片外表面或内部安装金属导体,将雷电流从雷击点传输到叶片根部来实现。这种简单的防雷装置只适合长度不超过20 m的桨叶。

(2) 对于桨叶长度超过20 m的防雷装置,可在表面镶嵌一条金属网带或在桨叶上设多个接闪器解决。但接闪器面积相对整个桨叶面积占比很小,很难保证接闪器是桨叶上唯一的雷击点。

(3) 叶片表面利用导电材料,使叶片本身能够将雷电流全部传到叶片根部。

该项目风力发电机组的直击雷防护,推荐通过以下方式实现:应尽可能将叶片置于安装在通信铁塔上接闪杆的保护范围内。如此,落到叶片上的雷击电流小于10 kA;在叶片外表面或内部安装金属导体,将可能落到叶片上的较小雷电流从雷击点传输到叶片根部。

3.1.3 太阳能发电设备的地闪拦截

南汇咀、顾园沙、北支门口、横沙东、九段沙是岛式站房,其供电方式为太阳能发电。

光伏电站阵列区最常见的外部雷电防护装置是根据光伏方阵的面积大小,选择合适的接闪杆型号和数量,使受保护设备处于直击雷防护范围之内。光伏阵列的最高点往往是组件的金属边框,是良好的导电体,可利用该金属边框作为接闪器。

根据该项目的实际情况,光伏发电系统的直击雷防护推荐通过以下方式实现:应尽可能将光伏方阵、光伏发电单元等置于安装在通信铁塔上接闪杆的保护范围之内;利用光伏阵列的金属边框作为接闪器,拦截小于10 kA的雷击电流。

3.2 分 流

推荐采用专用屏蔽电缆作为引下线,不采用铁塔本体作为引下线,可以将防雷引下线与通信天线馈线有效隔离,避免地闪电流的电磁感应效应,大大降低通信设备遭受闪电电涌入侵的概率。

3.3 接 地

接地是防雷技术最重要的环节,也是电气、电子设备安全正常运营的关键所在。接地系统的设计施工需要考虑现场环境、地质条件、接地材料、施工工艺、设备设施的技术要求以及工程的经济合理性等诸多因素。

3.4 共用接地系统

该项目必须采用共用接地系统。站房及设备设施的防雷接地装置、各金属构件、电源PE线、设备保护地、屏蔽体接地、功能性接地等可靠电气连接构成共用接地系统,可使智能监测系统有效避免地电位干扰。

3.5 屏 蔽

3.5.1 站房屏蔽

将站房建(构)筑物的钢筋、金属构架、金属门窗等相互连接在一起,使其构成一个六面体的网笼,即法拉第笼,并与地网可靠地相连,形成初级屏蔽网,从而实现站房的屏蔽。

3.5.2 线路屏蔽

所有进出站房线缆,包括电力电缆、通信天线馈线、各种信号线缆,均应穿钢管或采用双层屏蔽线缆的方式进行屏蔽处理,钢管或外屏蔽层的两端应分别就近与防雷接地装置可靠连接。

通信天线的馈线应从铁塔中心部位引下,并用金属线槽或穿钢管进行屏蔽,线槽或钢管应在上、中、下三处部位可靠接地。

信号线缆的具体屏蔽措施可按GB 50343—2012《建筑物电子信息系统防雷技术规范》[2]第5.3.3条的规定处理。

3.5.3 设备屏蔽

条件允许时,智能监测系统设备均应采取设备屏蔽措施,站房内的设备宜设置在金属机柜内,使其处于LPZ2区内。必须置于站房外的设备,也应当采取屏蔽措施,使其位于LPZ1区内。

3.6 合理布线

智能监测系统的布线应因地制宜地考虑安全间隔距离,合理布置电力、信号线缆,注意与引下线、保护地线等其他管线的安全间距;同时注意系统信号线缆的路由走向,减小线缆自身形成的感应环路面积。

智能监测系统设备应尽量选择设置在站房内的中心部位,其设备至少应在LPZ1区内。内部布线时应最大程度地减小感应回路的面积。防雷引下线应尽可能远离信号线缆。

3.7 等电位联结

等电位联结就是直接用连接导体或通过SPD将分离的金属部件、外来导电物、电力线路、通信线路及其他电缆连接起来,以减小雷电流在它们之间产生电位差的措施。

3.8 安装SPD

3.8.1 风力发电设备的SPD

风力发电机组电气和电子系统中重要、敏感或处于电磁环境恶劣的设备应安装SPD,其基本要求应满足NB/T 31039—2012《风力发电机组雷电防护系统技术规范》[3]第5.4.1.6条的规定要求,SPD的选择和应用可参照NB/T 31039—2012《风力发电机组雷电防护系统技术规范》附录C的规定要求。

3.8.2 太阳能发电设备的SPD

光伏方阵电气线路应采取防雷击电磁脉冲和防闪电电涌侵入措施。SPD的选择和应用应满足GB/T 32512—2016《光伏发电站防雷技术要求》[4]第5.5.4条的规定要求;可参照QX/T 263—2015《太阳能光伏系统防雷技术规范》[5]第5.4节和附录E的技术要求。

3.8.3 电源SPD

智能监测系统设备电源线路应采取防闪电电涌侵入措施,设计和安装低压电源SPD。

(1) 通流量计算。参照GB 50057—2010《建筑物防雷设计规范》,估算建筑物电源系统通过的雷电流,分流系数的计算如图2所示,其中n为评估单体引下线总数。

图2 分流系数的计算

当确定SPD所在配电系统的楼层,即可计算出该楼层处的分流系数kc,结合建筑物所在地的雷电流幅值的统计资料,根据GB 21714.1—2015《雷电防护 第1部分:总则》[6]以及建筑物低压配电系统接地保护模式和建筑物自身属性,可计算出电源系统SPD第一级的通流量。

对于建筑物总配电系统,SPD通流量的计算:

(1)

式中:Iimp——最大冲击电流;

I——雷电流幅值;

kc——分流系数;

m——线缆芯线数;

Imax——最大放电电流;

In——标称放电电流。

对于框架式钢筋混凝土建筑物,利用所有柱子钢筋作为引下线,且柱子钢筋与屋顶钢筋网连接在一起。假设总配电箱为TN-C-S系统,电源线缆无屏蔽层装设SPD时,分流均按4支回路考虑,流经每台SPD的电流为10/350 μs。10个站点雷电流幅值如表2所示。表2中,陈行站引下线根数n为4,Iimp=(1/4)×163/4=10.18 kA,通常其与8/20 μs的Imax的换算可按20倍计算,则Imax=203.75 kA。一般情况下,In=Imax/2,所以In=101.8 kA。根据以上计算方式,若站点最大雷电流幅值小于150 kA,仍按150 kA计算,以此类推,10个站点放电/冲击电流如表3所示。SPD的安装位置:安装于高压电源线路引入建筑物,且无电源线路引出建筑物至其他有独自敷设接地装置的配电装置情况的低压配电屏;安装于低压电源线路引入建筑物的总配电箱(配电柜)。

表2 10个站点雷电流幅值统计表

表3 10个站点放电/冲击电流

表3中,南汇咀、顾园沙、北支口门、横沙东、九段沙由于提供的资料中缺少引下线相关信息,故按照GB 50057—2010《建筑物防雷设计规范》第4.3.8条第4、5款的规定要求,每一保护模式的冲击电流值应等于或大于12.5 kA。

由各站的SPD可能经受的雷电流可知,10个站点低压总配电箱(LPZ1区内或LPZ1区与LPZ2区的界面处)内可选用冲击电流Iimp或标称放电电流In与表3中数值相对应的产品。

(2) 电压保护水平。电压保护水平Up应低于相应电气、电子设备的耐压水平,低压电源线路中安装的SPD的Up值应不大于2.5 kV;当无法确定电子信息设备耐冲击电压额定值时,可按不大于1.5 kV执行。另外,Up值应留有20%裕量。

(3) 其他技术要求。电源SPD的其他技术要求还包括最大持续工作电压(Uc)、接线形式(也称安装方式)、后备保护装置、多级SPD的配合等,可参照GB 50057—2010附录J和GB 50343—2012第5.4.3条的规定要求。

3.8.4 信号SPD

智能监测系统信号线缆进出站房的界面处,应依据其设备的主要技术指标选择、安装适配的信号SPD。信号SPD的选择应根据线路的工作频率、传输介质、传输速率、传输带宽、工作电压、接口形式、特性阻抗等参数,选用电压驻波比和插入损耗小的适配SPD,具体可参照GB 50343—2012中第5.4.4条、第5.4.5条的规定要求。

4 结 语

雷电防护是一项复杂的系统工程,综合考虑各种雷电损害的影响因素。从10个智能监测站点的雷电环境分析着手,结合监测站点设备设施的大体情况,在充分了解国内外防雷技术发展现状的基础上,有针对性地研究智能监测站点防雷供电保障措施与要求,参照现行的国家标准和行业标准,提出了适合长江河口不同工况和条件监测站的防雷解决方案,形成符合实际需求、安全可靠、经济合理的长江河口监测站网防雷保障系统。

本研究报告基于上海市水文总站“长江河口主要物理参数智能监测关键技术研究”(编号:16DZ1205401)课题组提供的站点基础资料(站点地理位置、电气施工图、供电方式等),若其中内容发生改变,则部分防雷措施与要求有可能将不再适用于智能监测系统。