环境监测子站防雷方案实施

杨旸

（鹤山市环境保护监测站，广东 鹤山 529700）

1 监测子站遭雷击的途径

环境空气质量自动监测子站（简称子站）遭受雷电损害通常有直击雷和感应雷两种。对于直击雷的防护比较简单,一般采取安装避雷针和完善接地网的方法防护。对感应雷击的防护比较复杂,而且损害的几率比较大,这也是环境质量自动监测子站需重点解决的问题。雷电入侵子站的主要通道有:①从自动监测仪器的采样头侵入,例如PM10 监测仪探头、气象传感器通道等;②从电源通道侵入,雷电能引发供电电压异常波动,而损坏设备或侵害其电源系统;③从通信传输信道侵入,曾有一个空气自动监测站调制解调器遭雷击受损。

2 监测子站重要作用

监测子站的主要任务:对环境空气质量和气象状况进行连续自动监测;采集、处理和存储监测数据;按中心计算机指令定时或随时向中心计算机传输监测数据和设备工作状态信息。监测子站主要是由采样装置、监测分析仪、校准设备、气象仪器、数据传输设备、子站计算机或数据采集仪以及站房环境条件保证设施 (空调、除湿设备、稳压电源等)等组成。图1 为监测子站仪器设备配置示意图。

图1 监测子站仪器设备配置示意图

3 监测子站的雷电防护方案

根据某现场基本情况和雷电综合防治原则,环境监测子站的雷电防护工程方案如下:

3.1 直击雷防护

某监测子站站房设在一办公楼顶层办公室内,所以站房的防直击雷设施借助于楼房天面自身避雷带。另外,由于屋面装有2m 高仪器探头、电加热等设备,因此,需在顶层架设一根富兰克林避雷针来保护室外的监测设备,针高的确定计算方法如下:1 按(GB50057-1994)《建筑物防雷设计规范》计算公式:

式中rx——避雷针在hrx 高度的XX 平面上的保护半径,实测值为5m;

hx——滚球半径45m(按二类防雷建筑物设计);

hx——被保护物高度2m。

h——避雷针高为3.9m

故避雷针的设置方式为:距监测设备5m 安装一高为4m 独立避雷针,材料采用直径50 镀锌钢管,顶端焊接预放电功能的优化避雷针。

3.2 感应雷防护

为了能够较为准确设计好感应雷防护,现参照GB50343-2004《建筑物电子信息系统防雷技术规范》表4.3.1 建筑物电子信息系统雷电防护等级的选择表,将该自动监测子站定性为C级,宜在低压系统中采取2 级SPD 进行保护。

3.2.1 电源系统保护

建筑物内电子设备使用的电源通常是由供电线路从户外交流电网引入。当雷击于附近或直击于电网时,能够在线路上产生过电压波,这种过电压波沿线路传播进入户内,通过交流电源系统侵入电子设备。据统计80%的雷灾是通过电源线路感应造成的,因此,电源线路的雷电过电压防护尤为重要。

对电源系统保护装置的基本要求:在电子设备电源系统的防雷保护应用中,随着具体的应用场合不同,对防雷保护装置性能的具体要求是有所不同的,这里仅就一些共性问题提出对保护装置的基本要求。

3.2.1.1 对保护装置接入后对所在电源系统正常运行的影响应限制到可忽略不计的程度。这就要求在正常运行时保护装置中的并联 (纵向)元件应具有非常大的阻抗,而串联(横向)元件应具有非常小的阻抗。

3.2.1.2 对保护装置应具有良好的箝位效果。在设计允许的最大雷电暂态电流作用下,保护装置的箝位电压水平应接近所在系统的最高运行电压。这里的接近一般指的是1～3倍于系统最高运行电压,其具体倍数取决于被保护电子设备的过电压耐受能力。

3.2.1.3 在抑制设计允许的苛刻雷电暂态过电压情况下,保护装置自身应能安全生存,不被破坏。这里所说的苛刻雷击暂态过电压情况通常由专门的技术标准规定或由保护装置产品的使用说明手册给出,在保护设计中,不应过份夸大这种苛刻雷电暂态过电压的严重性,应在保护可靠性与保护投资之间寻求优化方案,合理选用保护装置。

3.2.1.4 在遇到雷电暂态过电压作用时,保护装置应具有足够快的动作响应速度,应能尽早动作限压和旁路泄流。

3.2.1.5 对保护装置,需要规定其工作环境的温度、湿度和气压等参数的范围,以保证保护装置中的各种保护元件能够正常发挥其功能。

3.2.1.6 保护元件的安装连接线的长度应尽可能减小,以减小纵向并联支路的寄生电感,降低保护装置安装点处的实际箝位水平。

3.2.1.7 在系统正常运行时,保护装置中流过的泄漏电流要很小,以减缓保护装置自身的老化,并减小对系统正常运行的影响程度。为此,既要限制保护装置中并联保护元件的稳态泄漏电流值,又要限制保护装置中电源引线端对地之间的寄生电容值。

3.2.1.8 在保护装置中应加装故障报警器和暂态过电压脉冲计数器,以监视保护装置的运行状况,并及时更换故障元件。

根据以上要求及系统实际情况,对环境空气质量监测子站电源系统的保护,具体设备及措施如下:①三相五线RVV 电缆从总配电房拉一根专线到监测子站配电箱,RVV 电缆外穿PVC管;②电源系统采用TN-S 系统;③在监测子站配电箱处安装三相二级电源防雷箱,其标称放电电流分别大于50,20kA;④在第一级与第二级之间安装电感退耦器;⑤在末端用电设备处改用带防雷功能的插座(标称放电电流>10kA)。

3.2.2 信号系统传输线路防护

信号系统传输线路上终端设备的保护也是防护的重要组成部分,雷电电磁脉冲能够在信号线路及其回路中感应出暂态过电压。同时,信号电路中电子设备的绝缘强度低,过电压和过电流耐受能力差,很容易受到暂态过电压的危害。因此,为了维护电子系统的安全可靠运行,必须对信号电路采取过电压保护措施。信号SPD 安装注意的问题:

3.2.2.1 信号SPD 应满足信号传输带率、工作电平、网络类型的需要,同时接口应与被保护设备兼容。

3.2.2.2 信号SPD 由于串接在线路中,在选用时应选用插入损耗较小的SPD。

信号系统的防护措施如:①环境空气质量监测子站信号传输系统为通过调制解调器拨号与环境检测中心连接。工作室调制解调器前端应加装符合其接口型式(一般为RJ11/RJ45)的信号SPD;在计算机前端的网络数据线上安装接口型式为RS232 或RJ45 的信号SPD。信号SPD的最大持续工作电压应>1.5Uc,在设备前端加装Iimp>0.5kA(10/350μs)或 In>5kA(8/20μs)的信号SPD,其他参数应符合系统要求。②环境监测子站的数据传输线进入转接盒及采集器前端宜加装In>5kA(8/20μs)的信号SPD。

3.3 等电位设置

监测子站室内应设置等电位连接板进行星形(S 型)连接,连接板或连接带应与建筑物内钢筋或人工接地体作电气连接,除在等电位连接板处(ERP)外,设备之间、设备至连接板的连接导线之间应有大于10kV(1.2/50μs)的绝缘。工作室内所有设备的金属外壳、防静电接地、信号地、PE线和SPD 接地线、屏蔽金属管和屏蔽线缆的金属外护层均应就近与等电位连接板进行电气连接。

3.4 接地设置

接地系统是防雷的重要环节,良好的接地是泄流和屏蔽的保障。监测子站的接地系统采用人工垂直接地体与水平接地体结合的方式,沿站房四周敷设构成闭合环型的接地网,接地电阻实测值要求<4Ω,其垂直接地体采用直径50mm长度2500mm 镀锌钢管,水平接地体采用4mm ×40mm 镀锌扁钢,地网埋设在地面下500mm,表面铺设50mm 厚的沥青层防止跨步电压造成人员伤害。

[1]唐军.环境空气自动监测子站投入使用[J].奉贤年鉴，2006-01-01.