浅淡鸡西市环境监测子站的雷电防护

王 军，谭志民

(鸡西市气象局 防雷中心，黑龙江 鸡西 158100)

浅淡鸡西市环境监测子站的雷电防护

王 军，谭志民

(鸡西市气象局 防雷中心，黑龙江 鸡西 158100)

针对解决环境监测站雷电安全问题，主要探讨鸡西市环境监测子站的雷电防护的解决方案，但并未完全进行试验，应在具体场所根据具本情况分析采用。

环境监测；安全；雷电防护

随着信息技术高速发展，雷电灾害已成为最严重的十大自然灾害之一，被称为‘电子时代’的一大公害。鸡西环境监测子站分布在市区不同地理区域或开阔,或山坡厂矿院内，根据市气象局闪电定位监测的数据表明这些地方无疑是雷电发生的重点区域，并且市区的年雷暴电日数平均在28.6d，这就需要我们对环境监测子站有足够的科学的雷电防护安全设计体系来确保其设备人员的安全。

一 雷电产生的危害

首先我们要了解产生的雷电暂态过电压及其危害。在大气发生闪电雷击时，强大的雷击闪电电流及其产生的大气空间电磁脉冲通过传导感应和耦合等不同方式在建筑物内的机房电子系统中产生的各种暂态过电压，当暂态过电压沿建筑物的电源线或信号线等线路传输时，就形成了过电压波。这些暂态过电压和过电压波对建筑物内的电子系统的安全正常运行产生危害，能够造成电子设备工作失灵或损坏及人员的伤害。目前，我市的大气环境监测系统的自动化控制采用由工业计算机控制器组成的集数据采集、过程控制及信息传送的监控网络。由于这些电子设备采用高度集成化的CMOS电路和CPU元件，就造成其对过电压的承受能力大幅度降低，也就成为监测系统闪电雷击灾害的主要因素。所以对自动化监测系统采取有效的雷电保护措施是非常必要的，分析雷电产生暂态过电压的途径有以下几种方式。一是暂态过电压电位抬高时，建筑物在遭受闪电雷击时，雷电流会沿建筑物防雷装置系统中各管线和接地体泄入大地，在此过程中，闪电所产生的雷电流将在防雷系统中产生暂态高电位。如果各种管线与周围电气设备之间绝缘距离不够，且设备又不与接闪系统共一个接地体，则两者之间就会出现很高的电压差并导致放电击穿，即所谓反击现象。暂态高电位产生高电流也会沿电源线、信号线传输到远处线路终端，侵害终端处的电子设备及人员。暂态高电位还会对邻近未受闪电雷击的建筑物引起反击，使得与这些线路相连接电子设备受到雷电流的损害。二是感应过电压，雷电流在放电时能够在电气回路中和电子线路上感应出暂态过电压。前者属于磁场感应，后者属于电场感应。主要为回路感应过电压和线路感应过电压。据有关资料介绍，在一些建筑物和构筑物稠密的城市区域中，由于各种不同供电、通信和信号线路等网络盘根错节，雷电流放电足可以对l公里范围内的电子信息系统产生电磁感应作用，影响电子信息系统的安全可靠运行。在由闪电雷击引起的浪涌过程中，暂态高电位差或过电压常常可以通过信号或电源等线路耦合或转移到电气及电子设备上，造成电气及电子设备的损坏，被称为耦合与转移过电位。强大的雷电流产生的高电位对电子设备的危害是使电子设备讯号或数据的传输及存储都受到干扰甚至丢失，致使电气及电子设备不工作。重复影响而降低电子设备的使用寿命甚至立即烧毁元器件及设备，给国家和人民带来较大的损失。大气环境监测子站其防护的主要对象是雷电暂态过电压侵入(感应)。按有关资料统计侵入(感应)占计算机类电子设备雷击事故原因的85%，据有关部门资料统计电子自动化系统雷击事故主要原因由雷电波侵入对自动化系统的破坏。主要是通过设备的电源线、天馈线和通讯信号线损坏自动化采集系统或影响其运行，根据瞬间过电压产生、危害途径，我们认为对自控系统雷电防护要尽可能降低损失，就必须采取系统的、综合的防雷防护措施。特别应从环境监测站的配电系统防雷、自控系统网络防雷、等电位连接和接地体等方面着手，采取泄流、均压、接地、屏蔽和隔离等雷电防护措施，将雷电对电子设备的危害减小到最低限度。现代防雷又称为电磁脉冲防护。雷电的危害涉及到各个领域，已引起国家各个部门高度重视，国务院颁布的气象法和相关的法律法规对防雷工作做了明确规定。

二 设计思路及依据

由于在大气环境监测系统内部集成了大量的高科技采集、通信设施，其重要科学地位和较高的经济价值决定了对防雷装置要求较高。本方案对大气环境监测子站参照二类建筑物防雷等级要求设计，对信息系统参照A类信息系统防雷等级要求设计，即选用3级浪涌保护器(SPD)进行保护。有关建筑物防雷等级的划分及信息系统雷击电磁脉冲防护的风险评估方法分别见《建筑物防雷设计规范》(GB50057—2010)版和《气象信息系统雷击电磁脉冲防护规范》QX3-2000。在防雷设计中始终本着“先进性、实用性、可靠性、经济性、美观性”的思路原则。

根据雷电防护综实际情况，在设计本方案时，依据了以下标准。

1.《建筑物防雷设计规范GB50057—2010》版；

2.《电子计算机机房设计规范GBS0174-93》；

3.《计算机场地技术条件GB2887-89》；

4.《计算机房防雷设计规范GB—50174-93》；

5.《电子设备雷击保护导则GB7450-87》；

6.《低压配电设计规范GB50054-95》；

7.《通信工程电源系统防雷技术规定YD5078-98》；

8.《通信局(站)接地设计暂行技术规定YDJ26-89》；

9.《微波站防雷与接地设计规范YD2022-93》；

10.《计算机信息系统防雷保安GAl73-1998器》；

11.《气象信息系统雷击电磁脉冲防护规范QX3-2000》；

12.《环境空气自动监检测技术规范》。

三 方案探讨

由于大气采集设备价格昂贵，设备的集成化较高，设备损坏后对该市的经济、政治会造成一定的影响。因为大气采集设备安装于建筑物屋面，如果设备没有屏蔽设施，按照防雷保护区的划分为LPZOA区，设备有可能遭受直击雷击。建造屏蔽房后，按照防雷保护区的划分为LPZl区，设备不可能遭受直击雷击。根据经济、实用的原则，建造一间带屏蔽的活动房，该屏蔽房采用双层夹心不锈钢板金属结构，钢板壁厚0．5mm，钢板之间进行电气搭接，内部钢骨架进行电气焊接，以构成屏蔽房。该屏蔽房长、宽、高分别为2．5m、2．0m、2．2m。该屏蔽房底座采用100mmXl00mmX5方管以框架，以增加抗风能力和作为接地均压使用。

①直击雷防护。

由于彩钢板屏蔽房为金属结构，又处于楼房顶端，本身已构成接闪器。但由于屋面装有风向仪、电加热等设备。因此，需在屏蔽房旁架设…根接闪杆，针接闪杆高为8m。保护范围按《建筑物防雷设计规范CB50057-2010》版计算。

tX——√·h(2hr-h)·—√·hx(2hr-hx)—

tX——√1l(2X45—11)—√5(2X45-5)

rx=5m

rx——接闪杆[接闪器]在hx高度的建筑物平面上的保护半径

hr——保护滚球半径45m(按二类防雷建筑物设计)

hx——被保护物高度5m

h——接闪杆[接闪器]高11m ·

②感应雷防护。

为了能够较为准确设计好感应雷防护，现根据《气象信息系统雷击电磁脉冲防护规范QX3-2000》和现场基本情况作雷击风险评估。

N=KngAe

N——建筑物预计雷击次数(次/a)；

K——校正系数(位于旷野孤立的建筑物取2)；

NgI建筑物所处地区雷击大地的年平均密度，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 为A级

根据雷击风险评估得：监控系统各线路中采取3级浪涌保护器[SPD]保护。

1．电源系统雷电防护。

环境监测子站设备的电源由从市区不同供电线路从户外交流电网引入的电源。当发生雷击于供电网时，在电源线路上产生过电压，这种闪电产生的过电压会沿电源线路进入站内，通过交流电源系统侵入电子设备，造成设备损坏。据统计85%的雷击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。这里我们就一些共性问题提出对保护装置的一些探讨。

(1)在防雷设计保护范围情况下，防雷电保护装置自身应能安全运行。这里所说的雷电暂态过电压情况通常由专业的技术标准规定或由防雷保护装置产品的使用说明手册给出，在防雷保护设计中，不应过份夸大这种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，合理选用防雷保护装置。

(2)在环境监测系统正常运行时，防雷保护装置中流过的泄漏电流要很小，以减缓雷电保护装置自身的老化，并减小对系统正常运行的影响。为此，既要限制雷电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电容值。

(3)对雷电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雷电保护装置中的并联元件应具有非常大的阻抗，而串联元件应具有非常小的阻抗。

(4)在遇到雷电过电压时，雷电保护装置应具有足够快的响应速度，应能尽早动作限压和旁路泄流。

(5)在雷电保护装置中应加装雷击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，设备损坏时应及时更换雷击故障报警器。

(6)浪涌保护器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产生电感，降低雷电保护装置安装点处的实际水平值。

(7)对雷电保护装置应具有良好的效果。在防雷设计允许的最大雷电暂态电流作用下，雷电保护装置的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。

(8)对雷电保护装置，需要规定其工作环境的温度、湿度和气压等气象参数的范围，以保证雷电保护装置中的各种保护元件能够正常发挥其功能。

2．信号系统雷电防护。

环境监测系统终端设备的雷电保护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。信号系统中电子设备的绝缘强度低，对雷电流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，必须对信号系统采取过电浪涌保护措施。 大气环境监测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。在计算机调制解调器进出线端口处串接OFL06-C100—信号器各一只。电话和信号接口采用法国西岱尔BPlT、BPl．24D3．浪涌保护器。

3．接地系统。

接地电阻≤4欧姆为合格；

接地电阻达不到要求时，可增加辅助接地体。

四 总结

本文所述为笔者针对解决环境监测站雷电安全问题，累积实际经验的结果，文中所述解决方案并未全部试验，读者应在具体场所根据具本情况分析采用。

ClassNo.:P429DocumentMark：A

(责任编辑：蔡雪岚)

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

王军，鸡西市气象局防雷中心。

谭志民，鸡西市气象局防雷中心。

1672-6758(2012)07-0085-2

P429

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