王流通[]，金 松1，赵腾瑜1，温永帅2，鲍 晨1
1.太湖流域管理局水文局（信息中心），上海 200434；2.安徽理工大学，安徽 淮南 232001
摘要：街口水文站是新安江入千岛湖的重要控制站，也是新安江流域浙皖省际边界水量分配和生态流量保障目标的考核站。该站建有高18m的缆道铁塔，建设位置土层较薄且所处山区为安徽省雷暴日最高区域，防雷难度大。针对这些问题，本文分别从电源、信号、地网及等电位等方面对街口水文站进行防雷设计和改造完善，提高了测站防雷等级和运行稳定性。街口水文站防雷接地完成后，接地电阻达到标准，近两年无雷击损毁设施设备，本文的防雷方案可以为具有类似防雷难点的设施设备防雷提供参考。
关键词：新安江；山区；水文站；缆道；防雷
中图分类号：P336 文献标识码：A 文章编号：
Design and Practice of Lightning Protection Solution for Jiekou Hydrological Station of Xin'an River
WANG Liutong1,JIN Song1,ZHAO Tengyu1,
WEN Yongshuai2,BAO Chen1
(1.Bureau of Hydrology (Information Center) of Taihu Basin Authority, Shanghai 200434,China; 2.Anhui University of Science and Technology,Huainan 232001,Anhui China)
Abstract: Jiekou hydrological station is an important control station of Xin'an River into Qiandao Lake. It is also the assessment station for the purposes of water allocation and ecological flow guarantee along the boundary between Zhejiang Province and Anhui Province in the Xin'an River Basin. The station locates in an area where there is an 18 m high cableway tower, a thin soil layer, and the most thunderstorm days in Anhui Province. Therefore, the lightning protection of the station is quite difficult. In view of these problems, a lightning protection solution is proposed in this paper for Jiekou hydrological station from the aspects of power supply, signal, ground grid and equipotential, aiming to improve the lightning protection level and operation stability of the station. After the lightning protection and grounding of Jiekou hydrological station is completed, the grounding resistance reaches the standard, and there is no lightning damage to facilities and equipment in the past two years. The lightning protection solution in this paper will provide reference for facilities and equipment with similar lightning protection difficulties.
Key words: Xin'An River; mountain area; Hydrological station; Cableway;lightning protection
引言
为加强流域水资源统一调度管理，推进生态文明建设，水利部于2018年批复了新安江流域水量分配方案，2020年印发了第一批重点河湖生态流量保障目标，明确了街口断面作为新安江浙皖主要控制断面。为做好水资源和水生态管理考核工作，太湖流域管理局在新安江入库处建设了街口水文站。该站既是浙皖两省新安江流域防汛调度的重要控制站，也是新安江流域省际边界水量分配和生态流量保障目标的考核站。
街口水文站自试运行以来，数次遭受雷击，导致设施设备多处损毁故障，严重影响水文测验工作正常开展和测站效益发挥。而根据统计30年（1970-1999）的雷暴日观测资料，黄山市平均每年的雷暴日为55.1[1]，为安徽省雷暴日天数最高区域。经当地气象部门对近年来该区域资料统计分析，每年雷暴日为60.8。为提高测站防雷等级，针对街口水文站防雷难点，需对其进行防雷方案设计和改造。
1 测站基本情况
1.1 流域概况
新安江流域涉及皖、浙两省，源头位于安徽省黄山市休宁县，干流自街口断面入浙江境，汇入千岛湖，流域位于东经117°38′~119°31′，北纬29°11′~30°16′，地处钱塘江流域上游，流域面积为12151.2km2。新安江是浙皖两省重要省界河流，从安徽省流入浙江省，是浙江省最大的入境河流。
1.2 测站概况
街口水文站位于安徽省黄山市歙县新溪口乡塔坑村牛石坞组，坐标118°43′29"E、29°45′51"N，测站断面所在河道较为顺直，水域宽阔，河宽约240m，水深约25m，测站断面以上流域面积6150 km2。新安江流域水系示意图如图1所示。
1.3 测站主要监测设备
街口水文站主要监测降水、水位、流量等要素，主要配备有雨量计、气泡及浮子水位计、固定ADCP、走航ADCP、电波流速仪、流速仪等设备，建有两层水文站房、跨河缆道测流设施、测验浮台、人工观测水尺等基础设施。其中，站房面积为105.6m2，跨河缆道主索塔架高度为18m，主索跨度为260m。测站洪水期采用雷达波流速仪测验，正常水位用固定ADCP在线自动监测，枯水期时用走航ADCP进行全断面监测。街口水文站平面示意图如图2所示。
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2 设计思路
2.1 设计依据
根据水文缆道测验的基本要求，主要有铁塔、过河缆、电动绞车、缆道铅鱼、测控装置等组成[2]，水文缆道年平均雷击次数不小于0.03 次/a 的水文站，应作防雷设计[3]。年平均雷击次数可按式（1）计算。
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式中，N1 缆道塔架（柱）主索预计年平均雷击次数；
n 年平均雷电日；
L 主索跨度，m；
h 主索塔架（柱）高度，m。
根据该规范把街口水文站雷暴日天数数据带入公式（1）求得的年平均雷击次数可知，N1=0.13，年平均雷击次数大于0.03次/a，计算结果显示街口水文站存在较高的雷击风险。
2.2 防雷标准
根据《建筑物防雷设计规范》（GB 50057-2010）对不同建筑物防雷设计的要求，水文站虽达不到三类防雷建筑物的要求，但测站内外建有多台套测验及通信信息设备，宜按照三类防雷建筑物采取防雷措施[4]。根据《水文缆道设计规范》（SL 622-2014）规定和测站客观实际等多方面因素，水文站内的接地系统接地电阻不能大于4?，站外测验河段的接地系统不能大于10?。
2.3 防雷难点
街口水文站防雷主要存在以下难点：一是测站位于山区，建在河段岸边裸露基岩上，可用于接地土层较薄；二是测站建有18m高的缆道铁塔远高于周边建筑物，为突出引雷点；三是测站运行所需的测验设备及通信传输强弱电系统线路较多；四是测站所在区域雷暴日为安徽省雷暴日最高区域，以上四点均增加了防雷方案设计、建设实施和运维管理难度。
雷电三种类型为：一是直击雷，主要发生在地面凸起物、露天高架线等；二是感应雷，主要对电子电器设备等金属物体产生破坏，一般雷击损毁均为感应雷引起，比较常见；三是球型雷，无规律可循。经分析街口水文站雷击损毁设备的故障特征，该站遭受的雷电类型以感应雷为主。防雷常规采取的措施主要有：接闪，如避雷针；均压，如等电位连接处理；拦截，如增加参数匹配的避雷器；接地，如接地地网，以上4种防雷措施在水文站得到了广泛的应用[5-6]。
3防雷方案的设计与实现
3.1 电源防雷
电源防雷主要是防止雷电和其他内部过电压侵入设备造成损坏，电源防雷器能在最短时间内释放电路上因雷击感应而产生的大量脉冲能量短路泄放到大地，降低设备各接口间的电位差，从而保护电路上的设备。街口水文站电源防雷采用四级防雷措施，在市电接入水文站不同阶段的位置上安装对应的电源避雷器，同时还要保证各级电源避雷器的接地端都通过引线连接在与接地网可靠连接的接地端子上。
电源第一级防雷是在室外380V市电进水文站门前电表箱处安装电源防雷器、防水箱和空气开关；电源第二级防雷是在配电箱内加装一台模块化单相电源防雷器，保护AC220V的UPS和AC380V的缆道控制系统供电；电源第三级防雷是在UPS的AC220V输出端口安装单相电源防雷插座；电源第四级防雷是在UPS输出供电电源（AC220V转DC12V）的DC12V端口安装DC12V电源避雷器。电源防雷示意图如图3所示。
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3.2 信号防雷
感应雷的发生频率大大高于直接雷击，通过静电反应和电磁反应在裸露在室外的信号线上产生电磁干扰危害，损坏仪器设备，因此防止信号线产生的感应雷为避雷工作的重点。街口水文站有信号传输线的设备包含以下几种：缆道信号发射接收仪、气泡水位计、浮子水位计、雨量计、固定ADCP和测验浮台设备。其中缆道信号发射接收仪、浮子水位计、雨量计、固定ADCP都安装在室外，信号电缆需要在户外布设，需安装信号避雷器。
街口水文站所有安装在室外的设备都采取信号避雷措施，针对室外的缆道信号发射接收仪和屏蔽网需要采取以下措施：一是缆道信号发射接收仪的信号接入端口安装信号开关，要求只有在使用缆道信号发射接收仪进行流量测验时才能将信号开关闭合，不进行流量测验时必须将信号开关断开；二是所有户外布设的信号电缆的屏蔽网都需要通过引线连接在与接地网可靠连接的接地端子上。其它室外信号避雷设备处理方法见表1，信号防雷示意图如图4所示。
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3.3 地网防雷
避雷地网是接地系统的基础，地网能否快速发散电流，是整个防雷系统建立等电位的关键[7]。为达到防雷接地阻值标准，街口站地网采用岸上地网和入水地网相结合的方式布设。
（1）岸上地网：沿站房外路边空地处开挖深60cm、宽40 cm沟槽，共计36m，在沟槽内每间隔3至5m打入各长1m的垂直接地极共计9根，各垂直接地极之间用40×4水平接地带牢固焊接及防锈处理，垂直接地极与水平接地带成“T”字形布置，再使用降阻剂将所有金属接地体进行包裹覆盖厚度30cm，然后回填泥土30cm，恢复表面土层原样，使得接地体与大地紧密可靠连接。
（2）入水地网：顺着江边斜坡开完深60cm、宽40 cm沟槽，共计18m，使用3根根垂直接地极，各垂直接地极之间用40×4水平接地带连接；垂直接地极与水平接地带成“T”字形布置。延伸至江滩乱石处，清理出沟槽12m，延伸焊接40×4水平接地带，便于和水体铁架接地框连接。
经以上多种方式处理后，分别选取不同天气和早中晚分别检测均不大于4?，多次平均值仅为2.54?，经检测接地电阻达到要求。
3.4 等电位处理
现代防雷技术观点认为，各设备进行等电位连接形成“等电位孤岛”，可以大大降低对接地电阻的要求[8]。虽然通过电源、信号及地网防雷措施已达到规范要求，为进一步提高测站防雷效果和减少测验通讯设备干扰，同步对站房内等电位处理设计以下方案：一是在站房BVR95m2总接地线缆道房内安装200*300 TD28等电位联结端子箱；二是从缆道控制台处的接地处，往机房引一路接地线，再下穿BVR4m2接地线穿管沿立柱往栈桥室外设备箱处送1路地线；三是在仪器房另布置TD28等电位联结端子箱；四是采用40×4热镀锌扁钢备份替换铁塔之前焊接锈蚀的螺纹钢接线引下线，并做防锈处理。
通过以上设计方案，当站房附近发生雷击时，站房内设备出现感应电压和感应电流时，因室内设备接地端会处于同一电位水平，大部分雷电流会通过接地线进行泄流释放，电源线路和通信线路上安装的各种防雷器也会在纳秒级反应时间内动作，进行感应雷电泄流，进而保护设备。
3.5 防雷检测
防雷改造完成后，考虑到测站接地部位土层较薄和位于雷暴日高发区的客观实际，故需对后续日常管理中特别注意防雷接地自查。为此，街口水文站制定了雷雨天气测验规定、防雷接地电阻巡查规定等办法，要求每年在汛前、汛后运维必须开展接地电阻检测，关注设备及防雷设施生锈等情况；汛期每月开展接地电阻检测，每次雷电发生过后逐个检查避雷器工作状态；在水文缆道使用完成后，进行断电处理以保护测站其他设施设备的安全。
4 结语
街口水文站防雷改造完成后，2019-2020年未发生单纯因雷电原因而导致测站设施设备损毁的现象，取得了较好效果，为测站效益发挥和水文测验工作开展奠定了基础条件。通过该站防雷方案的设计和实施，也为其它水文站、该区域其它防雷设施设备和具有相似防雷难点的建设工程，提供了防雷参考方案。
参考文献
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[2]长江流域规划办公室水文处.水文缆道[M]. 水利电力出版社, 1978.
[3]中华人民共和国水利部.水文缆道设计规范：SL622-2014 [S].北京：中国水利水电出版社, 2014.
[4]中华人民共和国住房和城乡建设部,中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.建筑物防雷设计规范：GB50057-2010 [S]. 北京：中国计划出版社, 2013.
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