武夷山生態(tài)定位研究站野外儀器防雷研究

汪家社,金昌善,鄭群力,周方軍,吳焰玉,徐輝,阮宏華,徐涵湄,汪鵬

(1.福建省武夷山自然保護(hù)區(qū)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.武夷山市氣象局,福建武夷山 354300;4.南京林業(yè)大學(xué),江蘇省林業(yè)生態(tài)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京 210037)

武夷山生態(tài)定位研究站野外儀器防雷研究

汪家社1,金昌善1,鄭群力2,周方軍3,吳焰玉1,徐輝2,阮宏華4,徐涵湄4,汪鵬1

(1.福建省武夷山自然保護(hù)區(qū)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.武夷山市氣象局,福建武夷山 354300;4.南京林業(yè)大學(xué),江蘇省林業(yè)生態(tài)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京 210037)

武夷山生態(tài)站試驗(yàn)地的地形地質(zhì)特點(diǎn)為山勢(shì)陡峭、表土薄、下層為礫石、土壤電阻率高,因此用于野外連續(xù)監(jiān)測(cè)的儀器容易遭受雷電襲擊,鑒于此本研究采用以隔離為主,分散、疏泄、入地為輔,多級(jí)阻隔消減、逐級(jí)衰減雷電感應(yīng)過電壓的防雷方案保護(hù)野外儀器,闡述了該方案的工作原理,并對(duì)其應(yīng)用環(huán)境及其局限性進(jìn)行了分析和討論,以期為我國森林生態(tài)定位站野外監(jiān)測(cè)儀器的防雷安置提供借鑒。

武夷山;生態(tài)定位研究;野外儀器;防雷

監(jiān)測(cè)、研究水循環(huán)(森林涵養(yǎng)水源)是森林生態(tài)系統(tǒng)定位站的主要功能之一.水文研究的監(jiān)測(cè)儀器都在野外,而防雷是保護(hù)野外實(shí)驗(yàn)儀器的重要工作,它直接影響研究成果。2002年以來,在武夷山生態(tài)定位站開始森林生態(tài)水文學(xué)研究,在野外安裝監(jiān)測(cè)儀器測(cè)定林外氣象因子、林內(nèi)穿透雨、樹干徑流量、地表徑流量等的動(dòng)態(tài)變化,2008年為改變森林生態(tài)站監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集、傳輸、管理基本還是手工或半手工狀態(tài),開展了武夷山常綠闊葉林水分循環(huán)數(shù)據(jù)采集信息化研究,在野外安裝有線監(jiān)測(cè)采集、傳輸傳感器、光端機(jī)和無線監(jiān)測(cè)采集、傳輸發(fā)射器及室內(nèi)安裝有線、無線接收儀器。多年來,由于沒有防雷設(shè)施,儀器設(shè)備經(jīng)常被雷電擊壞,不但造成經(jīng)濟(jì)損失,同時(shí)嚴(yán)重影響研究數(shù)據(jù)正常采集。常規(guī)的防過電辦法有削減、分散、屏蔽、隔離、疏泄、等電位、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裝浪涌保護(hù)器,讓雷電流逐級(jí)泄放入地,降低雷電感應(yīng)過電壓,達(dá)到保護(hù)設(shè)備的目的,但這種方法的前提條件是必須有一個(gè)好的接地體,一般要求工頻接地電阻 <4Ω。武夷山定位站的情況特殊,山勢(shì)陡峭,土層薄,下層為礫石,土壤的電阻率高達(dá) 1500Ω.m以上,而且儀器多并分散在半山腰,接地體施工難度極大,成本高,要達(dá)到工頻接地電阻﹤ 4Ω的要求,一處采集器的接地體造價(jià)要在萬元以上。為解決林區(qū)雷電損害室內(nèi)外監(jiān)測(cè)儀器難題,我們開展了野外儀器防雷研究,通過一年多的野外試驗(yàn),現(xiàn)達(dá)到防雷效果。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)地概況

武夷山生態(tài)定位研究站 2000年建站,位于武夷山自然保護(hù)區(qū)東側(cè)的黃溪洲 -皮坑口斷裂帶內(nèi),河谷流域集水面積 876.2 ha,河谷由東北流向西南,匯水于皮坑入星桐溪,全程 5.125 km,集水區(qū)海拔 1000 m以下,東面 (坡向西、西北)以甜櫧林 (Castanopsis eyrei)、木荷林 (Sch im a superba)為主,西面 (坡向東)以絲栗栲 (Castanopsis rargesn)、米櫧林 (Castanopsis carlesii)為主,均為中亞熱帶典型常綠闊葉林。山脊為馬尾松 (Pinus m assoniana)、臺(tái)灣松暖性針葉林,在海拔 900-1100 m處為針葉林和常綠闊葉林混交地帶。目前野外建設(shè)有:林中鐵塔 1座、測(cè)水堰2個(gè)、徑流場(chǎng) 3個(gè)。

1.2 試驗(yàn)方法與設(shè)備

使用電感線圈和浪涌電阻構(gòu)成用于室外采集器供電干線防雷 2K W電抗箱;使用電感線圈、浪涌電阻、隔離變壓器和交流轉(zhuǎn)直流穩(wěn)壓模塊構(gòu)成采集器專用電源隔離箱;室內(nèi)電源采用第一級(jí)防雷 60KA單相浪涌保護(hù)器、第二級(jí)防雷 40KA單相浪涌保護(hù)器;采集器專用電源隔離箱連接簡易接地體,安裝接地引下線。

2 室內(nèi)外安裝方法

2.1 室外防雷器件與儀器設(shè)備安裝。

采用電抗箱作為雷電防護(hù)的第一級(jí)方法,在數(shù)據(jù)采集儀器前端安裝電源隔離箱 (見圖 1)。

圖 1 室外防雷器件與儀器設(shè)備安裝

2.2 室內(nèi)防雷器件與儀器設(shè)備安裝

采用常規(guī)浪涌保護(hù)器逐級(jí)泄流方法,在數(shù)據(jù)接收儀器終端的前端安裝電源隔離箱。見圖 2。

圖 2 室內(nèi)防雷器件與儀器設(shè)備安裝

2.3 電抗箱工作原理圖

電抗箱工作原理圖見圖 3

圖 3 電抗箱結(jié)構(gòu)圖

2.4 電源隔離箱結(jié)構(gòu)圖

電源隔離箱結(jié)構(gòu)圖見圖 4。

圖 4 電源隔離箱結(jié)構(gòu)圖

3 結(jié)果與討論

3.1 通過采用以隔離為主,分散、疏泄、入地為輔,多級(jí)阻隔消減的辦法,逐級(jí)衰減雷電感應(yīng)過電壓,而對(duì)接地電阻值要求不會(huì)很高的方法達(dá)到防雷目的。

3.2 采用電抗箱作為戶外雷電防護(hù)的第一級(jí),L1,L2為空心電感,電感值很小,約 50～100μH,對(duì) 50Hz交流電而言 ,感抗 XL=ωL=2πfL(f=50Hz,L=50 ×10-6H)很小 ,而對(duì)雷電流,由于是脈沖波,頻率分量中的基波都在 10kHz以上,L1,L2呈現(xiàn)出較高的感抗 (約幾十Ω到幾 kΩ之間),阻礙雷電流的通過 (阻礙作用對(duì)共模和差模電流都一樣)。L3有鐵芯的大電感,單邊電感量達(dá) 3H左右,雖然對(duì)于 50Hz的交流電流也呈現(xiàn)出大電感,但交流電流 (單相)IL,IN(相線與零線電流)總是大小相等,相位相反 (即差模電流),按圖 3的接法,流經(jīng) L3時(shí),磁通相互抵消,無阻礙作用 (也就是說對(duì)差模電流感抗 XL=0)。但對(duì)于雷擊感應(yīng)過電壓在相線和零線上產(chǎn)生的電流主要是共模成分 (或者說是共模分量為主),流經(jīng) L3時(shí),磁通相互疊加,呈現(xiàn)出很大的感抗,阻礙雷電流通過,但雷電流無處泄放,在電感的兩端和 2個(gè)電感之間都會(huì)產(chǎn)生高電位差,所以要配以電涌保護(hù)器 RU(氧化鋅放電器)5個(gè),它的擊穿電壓 (即啟動(dòng)電壓)在500V～600V之間,殘壓在 3000V左右,額定放電電流 20kA,8～20μs的脈沖電流。雖然輸出電壓還會(huì)很高,但通過后級(jí)的配合,逐級(jí)阻礙、泄放、隔離、消減。

3.3 電源隔離箱的主要器件是隔離變壓器B,是為防雷特殊設(shè)計(jì)制作的:采用U型鐵芯,初、次級(jí)分別繞在 2個(gè)骨架上,初級(jí)線圈與次級(jí)線圈及鐵芯之間都有比較高的絕緣能力,擊穿電壓≥5×104V,(而普通的小型電源變壓器初次級(jí)線圈是分里外層繞在一起,耐壓只有3kV),當(dāng)雷擊感應(yīng)過電壓 (共模分量)加到初級(jí)時(shí),被初次級(jí)之間的間隙和絕緣骨架隔離,因共模電壓 L、N線同時(shí)升高電壓,鐵芯不產(chǎn)生磁通增量,次級(jí)無輸出。雷電感應(yīng)到差模分量,由于是脈沖電壓,頻率高,鐵芯中產(chǎn)生磁滯和磁飽和現(xiàn)象,通過 B之后的幅值也不是與匝數(shù)比成正比例關(guān)系,而是小得多。另一方面,過高的雷電感應(yīng)電壓會(huì)擊穿空氣間隙和絕緣骨架的,這就靠 RU(電涌保護(hù)器)共同配合以保護(hù) B不被擊穿。如圖 4。由于有了 B,RU放電時(shí)地電位的升高、和L、N之間的高電壓大大減小對(duì)后級(jí)儀器設(shè)備的破壞力。

3.4 研究成果,工藝簡單、成本低、施工難度小,適應(yīng)在山勢(shì)陡峭,土層薄,地形復(fù)雜的林區(qū)野外各種監(jiān)測(cè)研究儀器設(shè)備防雷推廣應(yīng)用。

3.5 對(duì)雷擊的防護(hù)仍然具有局限性。雷電入侵的電壓要在B的隔離能力之內(nèi),即 5萬伏以內(nèi),超出此范圍,如直擊雷落在電源線上,無法達(dá)到防雷目的。

[1]何建源,等.武夷山研究 (自然資源卷)[M].廈門:廈門大學(xué)版社.1994.

[2]蘇邦禮,崔秉球,等.雷電與避雷工程 [M].廣州:中山大學(xué)出版社.1996.

[3]虞昊,臧庚媛,等.現(xiàn)代防雷技術(shù)基礎(chǔ) [M].北京:清華大學(xué)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

福建省科技廳重點(diǎn)資助項(xiàng)目 (項(xiàng)目編號(hào):2008Y0021)。

汪家社 (1955-),男,高級(jí)工程師,研究方向:森林生態(tài)和森林昆蟲學(xué)。