淺淡雞西市環(huán)境監(jiān)測子站的雷電防護

王 軍，譚志民

(雞西市氣象局 防雷中心，黑龍江 雞西 158100)

淺淡雞西市環(huán)境監(jiān)測子站的雷電防護

王 軍，譚志民

(雞西市氣象局 防雷中心，黑龍江 雞西 158100)

針對解決環(huán)境監(jiān)測站雷電安全問題，主要探討雞西市環(huán)境監(jiān)測子站的雷電防護的解決方案，但并未完全進行試驗，應在具體場所根據具本情況分析采用。

環(huán)境監(jiān)測；安全；雷電防護

隨著信息技術高速發(fā)展，雷電災害已成為最嚴重的十大自然災害之一，被稱為‘電子時代’的一大公害。雞西環(huán)境監(jiān)測子站分布在市區(qū)不同地理區(qū)域或開闊,或山坡廠礦院內，根據市氣象局閃電定位監(jiān)測的數據表明這些地方無疑是雷電發(fā)生的重點區(qū)域，并且市區(qū)的年雷暴電日數平均在28.6d，這就需要我們對環(huán)境監(jiān)測子站有足夠的科學的雷電防護安全設計體系來確保其設備人員的安全。

一 雷電產生的危害

首先我們要了解產生的雷電暫態(tài)過電壓及其危害。在大氣發(fā)生閃電雷擊時，強大的雷擊閃電電流及其產生的大氣空間電磁脈沖通過傳導感應和耦合等不同方式在建筑物內的機房電子系統(tǒng)中產生的各種暫態(tài)過電壓，當暫態(tài)過電壓沿建筑物的電源線或信號線等線路傳輸時，就形成了過電壓波。這些暫態(tài)過電壓和過電壓波對建筑物內的電子系統(tǒng)的安全正常運行產生危害，能夠造成電子設備工作失靈或損壞及人員的傷害。目前，我市的大氣環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的自動化控制采用由工業(yè)計算機控制器組成的集數據采集、過程控制及信息傳送的監(jiān)控網絡。由于這些電子設備采用高度集成化的CMOS電路和CPU元件，就造成其對過電壓的承受能力大幅度降低，也就成為監(jiān)測系統(tǒng)閃電雷擊災害的主要因素。所以對自動化監(jiān)測系統(tǒng)采取有效的雷電保護措施是非常必要的，分析雷電產生暫態(tài)過電壓的途徑有以下幾種方式。一是暫態(tài)過電壓電位抬高時，建筑物在遭受閃電雷擊時，雷電流會沿建筑物防雷裝置系統(tǒng)中各管線和接地體泄入大地，在此過程中，閃電所產生的雷電流將在防雷系統(tǒng)中產生暫態(tài)高電位。如果各種管線與周圍電氣設備之間絕緣距離不夠，且設備又不與接閃系統(tǒng)共一個接地體，則兩者之間就會出現很高的電壓差并導致放電擊穿，即所謂反擊現象。暫態(tài)高電位產生高電流也會沿電源線、信號線傳輸到遠處線路終端，侵害終端處的電子設備及人員。暫態(tài)高電位還會對鄰近未受閃電雷擊的建筑物引起反擊，使得與這些線路相連接電子設備受到雷電流的損害。二是感應過電壓，雷電流在放電時能夠在電氣回路中和電子線路上感應出暫態(tài)過電壓。前者屬于磁場感應，后者屬于電場感應。主要為回路感應過電壓和線路感應過電壓。據有關資料介紹，在一些建筑物和構筑物稠密的城市區(qū)域中，由于各種不同供電、通信和信號線路等網絡盤根錯節(jié)，雷電流放電足可以對l公里范圍內的電子信息系統(tǒng)產生電磁感應作用，影響電子信息系統(tǒng)的安全可靠運行。在由閃電雷擊引起的浪涌過程中，暫態(tài)高電位差或過電壓常?？梢酝ㄟ^信號或電源等線路耦合或轉移到電氣及電子設備上，造成電氣及電子設備的損壞，被稱為耦合與轉移過電位。強大的雷電流產生的高電位對電子設備的危害是使電子設備訊號或數據的傳輸及存儲都受到干擾甚至丟失，致使電氣及電子設備不工作。重復影響而降低電子設備的使用壽命甚至立即燒毀元器件及設備，給國家和人民帶來較大的損失。大氣環(huán)境監(jiān)測子站其防護的主要對象是雷電暫態(tài)過電壓侵入(感應)。按有關資料統(tǒng)計侵入(感應)占計算機類電子設備雷擊事故原因的85%，據有關部門資料統(tǒng)計電子自動化系統(tǒng)雷擊事故主要原因由雷電波侵入對自動化系統(tǒng)的破壞。主要是通過設備的電源線、天饋線和通訊信號線損壞自動化采集系統(tǒng)或影響其運行，根據瞬間過電壓產生、危害途徑，我們認為對自控系統(tǒng)雷電防護要盡可能降低損失，就必須采取系統(tǒng)的、綜合的防雷防護措施。特別應從環(huán)境監(jiān)測站的配電系統(tǒng)防雷、自控系統(tǒng)網絡防雷、等電位連接和接地體等方面著手，采取泄流、均壓、接地、屏蔽和隔離等雷電防護措施，將雷電對電子設備的危害減小到最低限度。現代防雷又稱為電磁脈沖防護。雷電的危害涉及到各個領域，已引起國家各個部門高度重視，國務院頒布的氣象法和相關的法律法規(guī)對防雷工作做了明確規(guī)定。

二 設計思路及依據

由于在大氣環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)內部集成了大量的高科技采集、通信設施，其重要科學地位和較高的經濟價值決定了對防雷裝置要求較高。本方案對大氣環(huán)境監(jiān)測子站參照二類建筑物防雷等級要求設計，對信息系統(tǒng)參照A類信息系統(tǒng)防雷等級要求設計，即選用3級浪涌保護器(SPD)進行保護。有關建筑物防雷等級的劃分及信息系統(tǒng)雷擊電磁脈沖防護的風險評估方法分別見《建筑物防雷設計規(guī)范》(GB50057—2010)版和《氣象信息系統(tǒng)雷擊電磁脈沖防護規(guī)范》QX3-2000。在防雷設計中始終本著“先進性、實用性、可靠性、經濟性、美觀性”的思路原則。

根據雷電防護綜實際情況，在設計本方案時，依據了以下標準。

1.《建筑物防雷設計規(guī)范GB50057—2010》版；

2.《電子計算機機房設計規(guī)范GBS0174-93》；

3.《計算機場地技術條件GB2887-89》；

4.《計算機房防雷設計規(guī)范GB—50174-93》；

5.《電子設備雷擊保護導則GB7450-87》；

6.《低壓配電設計規(guī)范GB50054-95》；

7.《通信工程電源系統(tǒng)防雷技術規(guī)定YD5078-98》；

8.《通信局(站)接地設計暫行技術規(guī)定YDJ26-89》；

9.《微波站防雷與接地設計規(guī)范YD2022-93》；

10.《計算機信息系統(tǒng)防雷保安GAl73-1998器》；

11.《氣象信息系統(tǒng)雷擊電磁脈沖防護規(guī)范QX3-2000》；

12.《環(huán)境空氣自動監(jiān)檢測技術規(guī)范》。

三 方案探討

由于大氣采集設備價格昂貴，設備的集成化較高，設備損壞后對該市的經濟、政治會造成一定的影響。因為大氣采集設備安裝于建筑物屋面，如果設備沒有屏蔽設施，按照防雷保護區(qū)的劃分為LPZOA區(qū)，設備有可能遭受直擊雷擊。建造屏蔽房后，按照防雷保護區(qū)的劃分為LPZl區(qū)，設備不可能遭受直擊雷擊。根據經濟、實用的原則，建造一間帶屏蔽的活動房，該屏蔽房采用雙層夾心不銹鋼板金屬結構，鋼板壁厚0．5mm，鋼板之間進行電氣搭接，內部鋼骨架進行電氣焊接，以構成屏蔽房。該屏蔽房長、寬、高分別為2．5m、2．0m、2．2m。該屏蔽房底座采用100mmXl00mmX5方管以框架，以增加抗風能力和作為接地均壓使用。

①直擊雷防護。

由于彩鋼板屏蔽房為金屬結構，又處于樓房頂端，本身已構成接閃器。但由于屋面裝有風向儀、電加熱等設備。因此，需在屏蔽房旁架設…根接閃桿，針接閃桿高為8m。保護范圍按《建筑物防雷設計規(guī)范CB50057-2010》版計算。

tX——√·h(2hr-h)·—√·hx(2hr-hx)—

tX——√1l(2X45—11)—√5(2X45-5)

rx=5m

rx——接閃桿[接閃器]在hx高度的建筑物平面上的保護半徑

hr——保護滾球半徑45m(按二類防雷建筑物設計)

hx——被保護物高度5m

h——接閃桿[接閃器]高11m ·

②感應雷防護。

為了能夠較為準確設計好感應雷防護，現根據《氣象信息系統(tǒng)雷擊電磁脈沖防護規(guī)范QX3-2000》和現場基本情況作雷擊風險評估。

N=KngAe

N——建筑物預計雷擊次數(次/a)；

K——校正系數(位于曠野孤立的建筑物取2)；

NgI建筑物所處地區(qū)雷擊大地的年平均密度，次/(Km2．a)；

C二C：+C2+C3+C4+C；

C，二0．5；C2=3．0；G=3．0；C4=1．5；G=i．0。

C=9

Nc=0．0006

E二1-Nc/N

E=0．992

Egt;0．98 為A級

根據雷擊風險評估得：監(jiān)控系統(tǒng)各線路中采取3級浪涌保護器[SPD]保護。

1．電源系統(tǒng)雷電防護。

環(huán)境監(jiān)測子站設備的電源由從市區(qū)不同供電線路從戶外交流電網引入的電源。當發(fā)生雷擊于供電網時，在電源線路上產生過電壓，這種閃電產生的過電壓會沿電源線路進入站內，通過交流電源系統(tǒng)侵入電子設備，造成設備損壞。據統(tǒng)計85%的雷擊是通過電源線路感應造成的，因此，電源線路的雷電過電壓防護尤為重要。這里我們就一些共性問題提出對保護裝置的一些探討。

(1)在防雷設計保護范圍情況下，防雷電保護裝置自身應能安全運行。這里所說的雷電暫態(tài)過電壓情況通常由專業(yè)的技術標準規(guī)定或由防雷保護裝置產品的使用說明手冊給出，在防雷保護設計中，不應過份夸大這種雷電暫態(tài)過電壓的嚴重性，應在保護可靠性與保護投資之間尋求優(yōu)化方案，合理選用防雷保護裝置。

(2)在環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)正常運行時，防雷保護裝置中流過的泄漏電流要很小，以減緩雷電保護裝置自身的老化，并減小對系統(tǒng)正常運行的影響。為此，既要限制雷電保護裝置中并聯(lián)保護元件的穩(wěn)態(tài)泄漏電流值，又要限制保護裝置中電源引線端對地之間的電容值。

(3)對雷電保護裝置接入后對所在電源系統(tǒng)正常運行的影響應限制到可忽略不計的程度。這就要求在正常運行時雷電保護裝置中的并聯(lián)元件應具有非常大的阻抗，而串聯(lián)元件應具有非常小的阻抗。

(4)在遇到雷電過電壓時，雷電保護裝置應具有足夠快的響應速度，應能盡早動作限壓和旁路泄流。

(5)在雷電保護裝置中應加裝雷擊故障報警器和暫態(tài)過電壓脈沖計數器，以監(jiān)視保護裝置的運行狀況，設備損壞時應及時更換雷擊故障報警器。

(6)浪涌保護器的安裝連接線的長度應盡可能減小，以減小縱向并聯(lián)支路的產生電感，降低雷電保護裝置安裝點處的實際水平值。

(7)對雷電保護裝置應具有良好的效果。在防雷設計允許的最大雷電暫態(tài)電流作用下，雷電保護裝置的電壓水平應接近所在系統(tǒng)的最高運行電壓。這里的接近一般指的是1～3倍于系統(tǒng)最高運行電壓，其具體倍數取決于被保護電子設備的過電壓耐受能力。

(8)對雷電保護裝置，需要規(guī)定其工作環(huán)境的溫度、濕度和氣壓等氣象參數的范圍，以保證雷電保護裝置中的各種保護元件能夠正常發(fā)揮其功能。

2．信號系統(tǒng)雷電防護。

環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)終端設備的雷電保護是防護的重要組成部分，雷電電磁脈沖能夠在信號線路及其回路中感應出暫態(tài)過電壓。信號系統(tǒng)中電子設備的絕緣強度低，對雷電流過電壓和過電流耐受能力差，很容易受到暫態(tài)過電壓的危害。因此，為了維護電子系統(tǒng)的安全可靠運行，必須對信號系統(tǒng)采取過電浪涌保護措施。 大氣環(huán)境監(jiān)測站信號傳輸系統(tǒng)為通過調制解調器撥號與環(huán)境檢測中心連接。在計算機調制解調器進出線端口處串接OFL06-C100—信號器各一只。電話和信號接口采用法國西岱爾BPlT、BPl．24D3．浪涌保護器。

3．接地系統(tǒng)。

接地電阻≤4歐姆為合格；

接地電阻達不到要求時，可增加輔助接地體。

四 總結

本文所述為筆者針對解決環(huán)境監(jiān)測站雷電安全問題，累積實際經驗的結果，文中所述解決方案并未全部試驗，讀者應在具體場所根據具本情況分析采用。

ClassNo.:P429DocumentMark：A

(責任編輯：蔡雪嵐)

LightningProtectionoftheEnvironmentMonitoringStationinJixiCity

Wang Jun，Tan Zhimin

The paper discusses how to solve the lightning protection of environment monitoring station in Jixi city in light of the lightning safety problem during the operation of the station .Because the solution proposed has not been tested yet , it is suggested that the application of the proposal should consider the actual monitoring operation of the station.

environment monitoring; security; lightning protection

王軍，雞西市氣象局防雷中心。

譚志民，雞西市氣象局防雷中心。

1672-6758(2012)07-0085-2

P429

A