水质自动监测系统雷击分析与对策

原智庆,刘永巧，马富强

（1.驻马店市气象局，河南驻马店 463000；2.漯河市气象局，河南漯河 462000）

水质自动监测系统雷击分析与对策

原智庆1,刘永巧2，马富强2

（1.驻马店市气象局，河南驻马店 463000；2.漯河市气象局，河南漯河 462000）

1 引言

2011年7月，驻马店市环保局所属的水质自动监测站系统相继发生雷击。雷电流将德国产无线自动发报系统通讯网卡短路击穿，致使发报系统瘫痪，不能正常对淮河流经河南进入安徽末端的水质进行全时段监控。

2 水质自动监测站系统

水质自动监测站系统安装在地势平坦的淮河岸边，建筑物长60 m，宽13 m，高12 m，土壤湿度较大，是雷击多发地带。该设备前端电源安装了二级防雷浪涌保护器，在进入机房配电盘处安装了英国产帕尔玛公司生产PTF-240k浪涌保护器，在设备前端稳压器接线柱并联安装了单相20 kA浪涌保护器，传输天线放在室内，考虑数据传输是无线传输，传输系统没有安装防雷设备。单独做了人工接地，人工接地体与自然接地距离不到2 m，作为防雷设备接地。

3 防雷等级的判定

依据建筑物年预计雷击次数公式：N＝k NgAe，其中，式中：N为建筑物预计雷击次数（次／a）；Td为年平均雷暴日；k为校正系数；Ng为雷击大地的年平均密度；Ae为与建筑物截收相同雷击次数的等效面积（km2）。

建筑物年预计雷击次数：N=0.10315次／a。

结合规范与本区内的地理地质和雷电活动等因子，该水质自动监测站，必须按三类防雷进行设防。经过实地勘察，发现一些问题：监测站部分设备不在接闪保护范围内；天面接闪器上附着一些线路；设备接地有松动现象，接触不良。这些很有可能是诱发雷击因素之一。

4 水质自动监测站系统数据传输特性与雷击分析

水质自动监测站的数据，是通过设置在淮河监测端面水中的采集器采集的，通过数据线传输至传感器加以分析水质污染成份，再由无线自动发报系统上传信息。由于数据的传输是微电流信号，所以经过传感器到无线自动发报系统的信号对电磁环境十分敏感，恶劣的电磁环境会严重影响信号的传输乃至使信号失真。

4.1 水质自动监测站系统雷击诱因分析

经过对水质自动监测站雷击后的现场勘验发现，水质自动监测站避雷接闪系统有明显的灼烧痕迹，但总控室内的电话机无损，安装的防雷浪涌保护器SPD工作正常。这些迹象表明，避雷接闪系统成功接闪而导致的雷电事故。水质自动监测站无线自动发报系统和水质传感器位于总控室，供电方式采用的是架空明线入室，电源系统做了二级防雷。电源经UPS输电到设备。总控室设置等电位汇流排，材质为镀锌扁钢，接地线引入至埋设的地网。入室的所有数据线、信号线、电源线和相接的各类地线交错在一起，走向基本一致。可以认为，当避雷系统接闪时发生闪络或雷电流在向地下泄放过程中，瞬态的雷电感应电磁场在数据传输线产生了较强感应雷电过电压，雷电波在侵入水质传感器和无线自动发报系统的同时又感应了设备端口段的输电线路，不同强度的雷电过电压从信号线、电源线侵入到设备内。按照这个思路，我们可以结合防雷规范进行分析。设定避雷系统高度12 m，接地电阻为4 Ω，无线自动发报系统距避雷系统地线0.5 m，可以判定在避雷系统接地引线与无线自动发报系统和水质传感器之间产生旁侧闪络。因此，可以推导出避雷系统接闪对无线自动发报系统和水质传感器的影响。

式中：S为安全距离（米）,这里取0.5 m；ER为电阻电压降的空气击穿场强，取500 kV/m；EL为电感电压降的空气击穿场强，取500 kV/m；L0为引下线单位长度电感，取1.5 μH/m；hX为防雷装置地面高度；di/dt为雷电流陡度（kA/ μs）；hX为12 m；Ri为4 Ω，取雷电流波型10/350 μs。

计算得到：不发生空气击穿的最大安全雷电流I为43 kA。雷电流强度一般在40～60 kA，很显然，避雷系统接闪与无线自动发报系统和水质传感器在雷电瞬间很难达到等电位，当雷电流强度大于43 kA时，避雷系统接闪与无线自动发报系统和水质传感器之间容易发生闪络。

4.2 水质自动监测站数据传输与雷电电磁场效应

水质自动监测站在空旷河滩处，从采集器到传感器，再从传感器到无线自动发报系统，传输线一般大于130 m。数据传输线与电源线、接地线等是处在几乎相同的电磁环境，相互之间存在一定的影响，数据传输线很难做到电磁屏蔽。水质自动监测系统是由高度数字化电路集成的敏感电器设备，应该具有良好的电磁兼容性，使之在有限的空间、时间和频谱资源下各种设备可以共存。结合驻马店市环保局所属的水质自动监测站雷击情况，从接地系统、供电系统、雷电感应和雷电波侵入等角度，分析雷击时可能存在的电磁效应。水质自动监测站在防雷工程建设中，将线缆穿金属管，管道设在预先设计的电缆沟里，接地极则埋在电缆沟底，同时也采取了屏蔽接地等措施，但为什么一旦遇雷，就不可避免地出现设备受损的情况，关键的问题是不利于电磁兼容。

接地引线的布设是整个防雷方案中核心环节之一，然而水质自动监测站将其简单化，只强调接地却不管接地引线的走向及间距，在室内把地线、电源线、数据传输线、设备静电连接线搭接在一起。雷电流是一种高频瞬态电流，如果地线不能为雷电流泄放提供一条低阻抗路径，那么容性（电容性感应）串扰和感性（电感性感应）串扰作用的存在，使地线的副作用增大。水质自动监测站，接地引线的走向有时几乎与信号的传输方向一致，而且连接线过长。室内的接地引线无论是安全保护地或是防雷接地，当浪涌电流通过时，对接地引线附近的信号传输线、电源线缆都会产生电磁感应。很多情况下，未必是信号线缆传输雷电波，而是电源线缆传载了雷电波，当雷电波较弱时不足以对一般电器设备造成危害，而却能通过感应对敏感的电子设备形成破坏；因为象UPS、稳压器之类的用电设备耐压是2.5 kV，而电子信息设备的耐压仅为0.5 kV或更低。接地引线太长、弯曲盘转、截面积太小，都会使得感抗变大，增加地电位反击的概率。水质自动监测站，只重视接地，忽略了引下线的布设、接地板材料规格、回路面积等。

5 水质自动监测站防雷整改措施

综上所述，有以下雷击隐患需要整改，才能有效降低水质自动监测站雷击风险：

（1）将避雷接闪系统与传感器分开设置，数据线缆与接地系统之间预留有效的安全距离，距离不够时，设法使线缆与接地系统之间的角度增大。做好雷电流引下线与水质监测信号传输线之间的电磁屏蔽。

（2）做好水质自动监测站各种线缆和管道入室的等电位连接；按照电磁兼容的原则，将不同性质的线缆、接地线通过金属线槽分开布设。

（3）室内等电位连接汇流排，应用铜质材料，要有足够的面积和厚度，厚度至少大于3 mm，减少等电位汇流排的直流电阻和高频电阻，同时接地引线尽量平直短粗。

（4）增设信号浪涌保护器SPD。数据传输系统用浪涌保护器与接地体连接。

（5）清除天面接闪器上附着的一些线路。

1002－252X（2012）01－0045－02

2011－12－6

原智庆（1973-），男，河南省沁阳市人，南京信息工程大学，本科生，助理工程师.