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(hù)

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(hù)的解決方案，但并未完全進(jìn)行試驗，應(yīng)在具體場所根據(jù)具本情況分析采用。

環(huán)境監(jiān)測；安全；雷電防護(hù)

隨著信息技術(shù)高速發(fā)展，雷電災(zāi)害已成為最嚴(yán)重的十大自然災(zāi)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(nèi)，根據(jù)市氣象局閃電定位監(jiān)測的數(shù)據(jù)表明這些地方無疑是雷電發(fā)生的重點(diǎn)區(qū)域，并且市區(qū)的年雷暴電日數(shù)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(xué)的雷電防護(hù)安全設(shè)計體系來確保其設(shè)備人員的安全。

一 雷電產(chǎn)生的危害

首先我們要了解產(chǎn)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(qiáng)大的雷擊閃電電流及其產(chǎn)生的大氣空間電磁脈沖通過傳導(dǎo)感應(yīng)和耦合等不同方式在建筑物內(nèi)的機(jī)房電子系統(tǒng)中產(chǎn)生的各種暫態(tài)過電壓，當(dāng)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(nèi)的電子系統(tǒng)的安全正常運(yùn)行產(chǎn)生危害，能夠造成電子設(shè)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(jī)控制器組成的集數(shù)據(jù)采集、過程控制及信息傳送的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。由于這些電子設(shè)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(zāi)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(hù)措施是非常必要的，分析雷電產(chǎn)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(chǎn)生的雷電流將在防雷系統(tǒng)中產(chǎn)生暫態(tài)高電位。如果各種管線與周圍電氣設(shè)備之間絕緣距離不夠，且設(shè)備又不與接閃系統(tǒng)共一個接地體，則兩者之間就會出現(xiàn)很高的電壓差并導(dǎo)致放電擊穿，即所謂反擊現(xiàn)象。暫態(tài)高電位產(chǎn)生高電流也會沿電源線、信號線傳輸?shù)竭h(yuǎn)處線路終端，侵害終端處的電子設(shè)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(shè)備受到雷電流的損害。二是感應(yīng)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(yīng)出暫態(tài)過電壓。前者屬于磁場感應(yīng)，后者屬于電場感應(yīng)。主要為回路感應(yīng)過電壓和線路感應(yīng)過電壓。據(jù)有關(guān)資料介紹，在一些建筑物和構(gòu)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(wǎng)絡(luò)盤根錯節(jié)，雷電流放電足可以對l公里范圍內(nèi)的電子信息系統(tǒng)產(chǎn)生電磁感應(yīng)作用，影響電子信息系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)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(zhuǎn)移到電氣及電子設(shè)備上，造成電氣及電子設(shè)備的損壞，被稱為耦合與轉(zhuǎn)移過電位。強(qiáng)大的雷電流產(chǎn)生的高電位對電子設(shè)備的危害是使電子設(shè)備訊號或數(shù)據(jù)的傳輸及存儲都受到干擾甚至丟失，致使電氣及電子設(shè)備不工作。重復(fù)影響而降低電子設(shè)備的使用壽命甚至立即燒毀元器件及設(shè)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(hù)的主要對象是雷電暫態(tài)過電壓侵入(感應(yīng))。按有關(guān)資料統(tǒng)計侵入(感應(yīng))占計算機(jī)類電子設(shè)備雷擊事故原因的85%，據(jù)有關(guān)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(shè)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(yùn)行，根據(jù)瞬間過電壓產(chǎn)生、危害途徑，我們認(rèn)為對自控系統(tǒng)雷電防護(hù)要盡可能降低損失，就必須采取系統(tǒng)的、綜合的防雷防護(hù)措施。特別應(yīng)從環(huán)境監(jiān)測站的配電系統(tǒng)防雷、自控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)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(hù)措施，將雷電對電子設(shè)備的危害減小到最低限度?，F(xiàn)代防雷又稱為電磁脈沖防護(hù)。雷電的危害涉及到各個領(lǐng)域，已引起國家各個部門高度重視，國務(wù)院頒布的氣象法和相關(guān)的法律法規(guī)對防雷工作做了明確規(guī)定。

二 設(shè)計思路及依據(jù)

由于在大氣環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)內(nèi)部集成了大量的高科技采集、通信設(shè)施，其重要科學(xué)地位和較高的經(jīng)濟(jì)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(shè)計，對信息系統(tǒng)參照A類信息系統(tǒng)防雷等級要求設(shè)計，即選用3級浪涌保護(hù)器(SPD)進(jìn)行保護(hù)。有關(guān)建筑物防雷等級的劃分及信息系統(tǒng)雷擊電磁脈沖防護(hù)的風(fēng)險評估方法分別見《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》(GB50057—2010)版和《氣象信息系統(tǒng)雷擊電磁脈沖防護(hù)規(guī)范》QX3-2000。在防雷設(shè)計中始終本著“先進(jìn)性、實用性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性、美觀性”的思路原則。

根據(jù)雷電防護(hù)綜實際情況，在設(shè)計本方案時，依據(jù)了以下標(biāo)準(zhǔn)。

1.《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范GB50057—2010》版；

2.《電子計算機(jī)機(jī)房設(shè)計規(guī)范GBS0174-93》；

3.《計算機(jī)場地技術(shù)條件GB2887-89》；

4.《計算機(jī)房防雷設(shè)計規(guī)范GB—50174-93》；

5.《電子設(shè)備雷擊保護(hù)導(dǎo)則GB7450-87》；

6.《低壓配電設(shè)計規(guī)范GB50054-95》；

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

8.《通信局(站)接地設(shè)計暫行技術(shù)規(guī)定YDJ26-89》；

9.《微波站防雷與接地設(shè)計規(guī)范YD2022-93》；

10.《計算機(jī)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(hù)規(guī)范QX3-2000》；

12.《環(huán)境空氣自動監(jiān)檢測技術(shù)規(guī)范》。

三 方案探討

由于大氣采集設(shè)備價格昂貴，設(shè)備的集成化較高，設(shè)備損壞后對該市的經(jīng)濟(jì)、政治會造成一定的影響。因為大氣采集設(shè)備安裝于建筑物屋面，如果設(shè)備沒有屏蔽設(shè)施，按照防雷保護(hù)區(qū)的劃分為LPZOA區(qū)，設(shè)備有可能遭受直擊雷擊。建造屏蔽房后，按照防雷保護(hù)區(qū)的劃分為LPZl區(qū)，設(shè)備不可能遭受直擊雷擊。根據(jù)經(jīng)濟(jì)、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(jié)構(gòu)，鋼板壁厚0．5mm，鋼板之間進(jìn)行電氣搭接，內(nèi)部鋼骨架進(jìn)行電氣焊接，以構(gòu)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(fēng)能力和作為接地均壓使用。

①直擊雷防護(hù)。

由于彩鋼板屏蔽房為金屬結(jié)構(gòu)，又處于樓房頂端，本身已構(gòu)成接閃器。但由于屋面裝有風(fēng)向儀、電加熱等設(shè)備。因此，需在屏蔽房旁架設(shè)…根接閃桿，針接閃桿高為8m。保護(hù)范圍按《建筑物防雷設(shè)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(hù)半徑

hr——保護(hù)滾球半徑45m(按二類防雷建筑物設(shè)計)

hx——被保護(hù)物高度5m

h——接閃桿[接閃器]高11m ·

②感應(yīng)雷防護(hù)。

為了能夠較為準(zhǔn)確設(shè)計好感應(yīng)雷防護(hù)，現(xiàn)根據(jù)《氣象信息系統(tǒng)雷擊電磁脈沖防護(hù)規(guī)范QX3-2000》和現(xiàn)場基本情況作雷擊風(fēng)險評估。

N=KngAe

N——建筑物預(yù)計雷擊次數(shù)(次/a)；

K——校正系數(shù)(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(chǎn))；

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(jù)雷擊風(fēng)險評估得：監(jiān)控系統(tǒng)各線路中采取3級浪涌保護(hù)器[SPD]保護(hù)。

1．電源系統(tǒng)雷電防護(hù)。

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

(1)在防雷設(shè)計保護(hù)范圍情況下，防雷電保護(hù)裝置自身應(yīng)能安全運(yùn)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(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定或由防雷保護(hù)裝置產(chǎn)品的使用說明手冊給出，在防雷保護(hù)設(shè)計中，不應(yīng)過份夸大這種雷電暫態(tài)過電壓的嚴(yán)重性，應(yīng)在保護(hù)可靠性與保護(hù)投資之間尋求優(yōu)化方案，合理選用防雷保護(hù)裝置。

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

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

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

(5)在雷電保護(hù)裝置中應(yīng)加裝雷擊故障報警器和暫態(tài)過電壓脈沖計數(shù)器，以監(jiān)視保護(hù)裝置的運(yùn)行狀況，設(shè)備損壞時應(yīng)及時更換雷擊故障報警器。

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

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

(8)對雷電保護(hù)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(shù)的范圍，以保證雷電保護(hù)裝置中的各種保護(hù)元件能夠正常發(fā)揮其功能。

2．信號系統(tǒng)雷電防護(hù)。

環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)終端設(shè)備的雷電保護(hù)是防護(hù)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(yīng)出暫態(tài)過電壓。信號系統(tǒng)中電子設(shè)備的絕緣強(qiáng)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(hù)電子系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行，必須對信號系統(tǒng)采取過電浪涌保護(hù)措施。 大氣環(huán)境監(jiān)測站信號傳輸系統(tǒng)為通過調(diào)制解調(diào)器撥號與環(huán)境檢測中心連接。在計算機(jī)調(diào)制解調(diào)器進(jìn)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(hù)器。

3．接地系統(tǒng)。

接地電阻≤4歐姆為合格；

接地電阻達(dá)不到要求時，可增加輔助接地體。

四 總結(jié)

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(jīng)驗的結(jié)果，文中所述解決方案并未全部試驗，讀者應(yīng)在具體場所根據(jù)具本情況分析采用。

ClassNo.:P429DocumentMark：A

(責(zé)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