環境自動監測站防雷技術研究

李兆華 莊嘉 馮暉 楊仕兵

摘? 要：應用雷電災害現場勘查分析的研究成果，根據環境自動監測站的工作屬性和所處環境位置的特殊性，分析環境自動監測站的雷擊風險、研究雷電防護的技術方法措施。確定環境自動監測站雷電防護的技術原則，規范環境自動監測站的選址、雷電防護的分區、防雷設計、施工要求。綜合應用接閃、分流、屏蔽、均壓、等防雷技術，研制環境自動監測站雷電防護標準，有效防御和減少雷電對環境自動監測站的危害，保障環境自動監測站的數據采集、信息傳輸和人員安全。

關鍵詞：環境自動監測站;雷電防護;防雷標準

中圖分類號：X84? ? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）08-0001-05

Abstract： Based on the research results of lightning disaster field investigation and analysis， according to the working attribute of environmental automatic monitoring station and the particularity of its environmental position， the lighting strike risk of environmental automatic monitoring station is analyzed， and the technical methods and measures of lightning protection are studied. The technical principles of lightning protection of environmental automatic monitoring station are determined， and the site selection of environmental automatic monitoring station， the zoning of lightning protection， lightning protection design and construction requirements are standardized. Comprehensive application of lightning protection technology， such as lightning， shunt， shielding， voltage sharing， lightning protection technology， the development of environmental automatic monitoring station lightning protection standards， effectively prevent and reduce the harm of lightning to the environmental automatic monitoring station， so as to ensure the data acquisition， information transmission and personnel safety of the environmental automatic monitoring station.

Keywords： automatic environmental monitoring station; lightning protection; lightning protection standard

引言

雷電災害是聯合國“國際減災十年”公布的最嚴重的10種自然災害之一[1]。由于環境自動監測站點所處環境的區域位置特殊，導致環境自動監測系統遭受雷擊的風險增加。僅在云南省，據不完全統計，環境自動監測系統在運行過程中就曾多次遭到雷擊，造成了監測數據缺失、影響系統運行等問題。

經查新，迄今為止，國外還沒有針對環境監測自動站雷電防護技術標準的相關研究報道。而國內該問題雖然引起了部分學者[2][3]的關注，并針對環境自動監測站的雷電防護提出一些相關措施，但目前仍沒有統一的技術標準，處于一種無序狀態，無法有效保障環境自動監測站的正常運行。為掌握環境自動監測站雷電的成災機理，云南省氣象災害防御技術中心會同昆明市環境監測中心自2004年起開始收集和整理雷電災害的現場資料。應用氣象部門統計資料，進行分區、分類的收集整理雷電災害資料。研究雷電危害的機理，雷電放電的路徑，雷電的主要危害形式。重點開展雷電災害的實驗研究，進行雷電災害的現場勘查，收集和整理雷災物證，立題開展雷電災害調查、鑒定技術方法的研究。為深入分析和研究雷電對環境監測自動站危害機理，立題開展了《雷擊災害現場物證微觀成像的分析與研究》的課題研究（圖1），從雷擊現場勘查、檢測、取樣，收集和整理各類雷擊物證，進行雷擊物證的成像分析和微觀形貌研究。在此基礎上，研制《環境自動監測站防雷技術規范》（DB53/T 670-2015）的地方標準。

1 前期雷電災害的實驗研究

針對雷電發生的隨機性、瞬時性和突發性，為深入分析和研究雷電成災的物理機制，在國內，首次立題開展《雷擊災害現場物證微觀成像的分析與研究》的課題研究，從雷擊現場勘查、檢測、取樣，收集和整理各類雷擊物證，開展雷擊物證痕跡的成像分析和微觀形貌研究。

試驗方法：采用物質結構分析技術，對樣品宏觀、微觀結構、物質組成及其變化過程進行分析，提供其表層及內部結構、保存狀態、構成工藝等信息。采用材料結構分析的熱分析法，主要是分析樣品在高溫過程中的結構變化和物理化學變化。分析物質在溫度變化過程中發生的一些物理變化（如相態轉變、晶型轉變）和化學變化（如分解、氧化、還原、脫水反應）。

通過比對實驗研究，獲取了迄今為止國內首幅雷擊物證微觀形貌圖（圖1），該圖為云南省昆明市楊宗海水質自動監測站電源供電線路被雷擊的線徑為0.25毫米多芯銅線現場取樣。應用電子掃描成像技術，對金屬線（取樣樣品）通過不同倍率的放大后，獲取微米量級的微觀成像。由圖片可以看出遭受雷擊的多芯銅線上呈現出多孔洞層疊，且呈微米量級的蜂窩狀熔蝕坑。根據力學性能結構分析，在微秒量級的瞬態高溫巨熱作用下，產生的電熱能量，作用于金屬多芯銅線，此類孔洞為雷電流產生的電弧放電所致。試驗樣品呈現的形態、形貌，具有唯一性和不可復現性，從微觀層面上科學驗證了雷電流的沖擊特性，幅頻特性以及雷擊電磁脈沖的多峰值效應。通過痕跡分析，科學地揭示了雷擊放電產生的電荷效應對環境監測自動站的危害形式。該項研究成果已應用于多起雷擊火災、雷擊引發的群體性涉訴案件的災害調查、鑒定工作中，取得了良好的社會效益。

實驗研究分析表明：雷擊放電過程蘊含著豐富的電學參量，其產生的各種能量，在不同載體上，會呈現出不同的形態、形貌，其分布狀態各異。因雷擊的電磁效應而導致環境自動監測站中央處理器、計算機芯片、電源供電系統、信號傳輸線路絕緣層和傳輸線受損，是造成設備損壞、信號中斷、采樣數據缺失的直接原因。同時由于雷電的電磁效應和機械效應，常造成監測設備損毀并危及工作人員安全。

2 雷電危害環境自動檢測站的主要形式

為探索雷電放電的物理機制，我國和外國許多科學家做了大量觀測和理論研究工作，提出來很多有關雷電放電過程的計算模型。文中重點對雷電電磁脈沖的危險性進行分析。實驗觀察表明：雷電電磁脈沖（lightning electromagnetic impulses，LEMP）是伴隨雷電放電發生的瞬變電流和強電磁輻射，是常見的天然強電磁脈沖干擾源之一。 LEMP的影響區域遠大于直擊雷。通常情況下，它是由云閃和地閃產生，影響范圍遍布對流層以下至地表以上區域。雷雨云對地放電過程中，將云中的電荷向大地瞬間釋放。當先導通道與地面被擊物向上發出的迎面流注（或回閃）頭部相遇時，先導通道通過回閃接地，主放電過程開始。主放電通道中通過脈沖形式的放電電流，一次閃電平均包含有上萬個脈動放電過程，電流脈沖平均幅值為幾萬安培，持續時間幾十到上百微秒。閃電通道大約有幾百米至幾公里長，在先導——主放電過程中，向外輻射高頻和甚高頻電磁能量，形成雷電電磁脈沖。它所產生的強電場和強磁場能夠耦合到電氣或電子系統中，對地面數據采樣傳感器等電子設備產生干擾性的電涌電流或感應電壓。導致靜電感應、電磁感應、高電位反擊、電磁波輻射等效應的產生[3]，甚至使整個環境監測網絡系統、信息傳輸及通信系統癱瘓。現場勘查和研究表明：雷擊放電產生的電磁脈沖通常沿著電源供電線路、現場數據信號傳輸線路、通信線路侵入到設備末端，造成危害。雷電電磁脈沖從多維空間侵入到環境監測自動站室內，產生電磁輻射，形成電磁干擾、造成電磁效應，危及環境監測自動站的系統安全。

在模擬實驗中觀察到當某處由閃電放電的電磁輻射引起的磁場脈沖幅度超過0.07G時，該處自動控制監控設備、計算機、通訊設備發生誤動作，而磁場脈沖幅度超過2.4G時，會使電子線路等集成電路芯片、元器件永久性損壞，造成環境自動監測系統癱瘓。

根據國家對空氣、地表水自動監測系統建設的規范要求，空氣自動監測設備多安裝于多層建筑物頂站房中，地表水自動監測設備多安裝于空曠的湖、庫、河道旁，而污染源在線監測設備也有相應的建設用房。環境空氣、地表水以及污染源（煙塵）在線自動監測站的站房一般設置于江河湖庫邊緣、高層建筑頂端和煙囪等高位處（如圖2）。而這些環境一般都暴露在大氣電磁環境中，屬于雷擊高風險區域。如此特殊的地域環境，極易遭受直擊雷的襲擊。而環境自動監測系統使用大量微電子元器件，特別是采樣設備的各種環境指標要素傳感器，均設置于室外大氣環境中，極易遭受雷電感應而損壞，同時雷電所產生的次生災害還可能會對監測站內采樣人員的生命安全造成威脅。通過多年的運行表明：雷電是危害和影響環境自動監測系統正常工作的主要原因之一[4]。

3 環境自動監測站的雷電防護技術措施

空氣、地表水、污染源在線監測站、浮標站等環境自動監測站均應遵循“預防為主，安全第一”的原則實施雷電防護。其防雷設計應綜合考慮地理位置、環境條件、雷電活動規律、監測系統設備的安裝區位以及系統對雷電電磁脈沖的抗擾度采取相應的雷電防護措施。其防雷技術方法宜采用接閃、分流、屏蔽、均壓、等電位連接、接地、合理布線、電涌保護、隔離等外部和內部防雷措施進行綜合防護。同時根據自動監測站的不同功能，為防止雷電感應對其造成損害，應設置1級～3級電涌保護器（SPD）進行分級防護，其中，中心站宜設置3級SPD，子站宜設置2級SPD[5]。

3.1 雷電防護區的劃分

根據雷電對環境自動監測站的主要危害形式和入侵路徑，有效地對環境自動監測站進行雷電防護，應確定系統對雷電電磁脈沖的抗擾度。通過將需要控制雷電電磁脈沖環境的建筑物或構筑物按需要保護的空間由外到內分為不同的物理界面，從而確定各級別的雷擊電磁脈沖的強度，以便采取相應的雷電防護措施[6]。雷電危險度可分為：

極高危險度區（LPZOA）：本區內的各類物體完成暴露在接閃器的保護范圍以外，都可能遭到直接雷擊，本區內的電磁場未得到任何屏蔽衰減，屬完全暴露的不設防區。

高危險度區（LPZOB）：本區內的各類物體處在外部防雷裝置接閃器保護范圍以內，但本區內電磁場未得到任何屏蔽衰減，屬充分暴露的直擊雷防護區。

中危險度區（LPZ1）：本區內的各類物體不可能遭受直接雷擊，流經各類導體的電流比LPZ0A區進一步減小，且由于建筑物的屏蔽措施，本區內的電磁場也已得到了初步的衰減。

低危險度區（LPZ2）：為進一步減小所導引的電流或電磁場而增設的后續防護區。

后續保護區（LPZ3）：需要進一步減小雷擊電磁脈沖，以保護敏感度水平高的設備的后續防護區。

將一座環境自動監測站建（構）筑物劃雷電危險度劃分等電位連接方法見圖3中所示。

3.2 環境自動監測站的選址

環境自動監測站的選址應根據當地雷暴日數、電磁環境、供電方式等條件，同時應遠離具有高頻功率的發射裝置，如移動基站等強電磁環境。其站點應避開高壓線且水平距離應為高壓線1.5倍桿高以上，同時距水邊樹木主桿水平距離不應小于3m[7]。

3.3 環境自動監測站防雷裝置的設計與安裝

根據防護類別的不同，雷電防護分為兩大部分，即外部防雷和內部防雷。外部防雷裝置主要包括接閃器、引下線、接地裝置三部分，主要針對設置于戶外，處于水源區、江河流域區域的水質自動監測站的房頂設施，以及位于建筑物頂端的空氣自動監測站的氣象參數儀、氣態污染物采樣總管、顆粒物采樣管等監測設備進行直擊雷防護。而內部防雷裝置主要是防御雷擊電磁脈沖所產生的瞬態過電壓和過電流對電源供電線路、信號傳輸系統、自動采樣控制系統、監控系統造成危害。

3.3.1 外部防雷裝置

通常采用不同類型的接閃裝置，設置于需要保護的目標物附近或其上，使其位于接閃裝置的保護范圍以內。當被保護物上空有雷暴云產生下行先導并接近地面時，接閃裝置將產生上行先導，在上行先導發展進入下行先導的吸引半徑時，使雷擊點發生在接閃桿上，雷電流經接閃桿、引流線傳導至接地裝置，并泄放于大地，從而保護目標物免遭受直接雷擊。

（1）接閃器的選擇與安裝

環境自動監測站宜采用接閃桿作為直擊雷防護裝置，接閃桿與被保護物的最小安全距離應不小于3m，其保護范圍應按滾球法[8]確定，滾球半徑取值宜為45m。若為移動式（箱體式）地表水、空氣自動監測站，宜采用移動式接閃桿。

地表水自動監測站若為磚混結構的站房，則宜選用接閃網、帶;若采用撬裝式、箱體式（金屬）的站房，則宜選用獨立接閃桿，其安裝位置應與撬裝站保持3m的安全距離;設置于水中的浮標站，宜選用獨立接閃桿，其高度應高于監測設備最高點1m以上;空氣質量自動監測站應采用獨立接閃桿，使空氣自動監測站儀器及站房處于分區LPZ0B內。設置于屋面上的環境氣象參數監測設施應在接閃桿的有效保護范圍內;設置于屋面上的環境自動監測站房，其接閃桿的引下線宜與建筑物的防雷接地裝置相連。接閃桿的幾何尺寸應根據GB50057-2010中條款5.2相關要求確定，安裝位置應考慮防腐和抗風強度。

（2）引下線的選擇與安裝

引下線應選用多芯銅絞線、圓鋼、多芯軟線，優先選用絕緣多芯銅絞線。對于設置于水中的浮標監測站，則應選用多芯軟線。引下線的截面積總和不應小于50mm2。對于接閃塔、桿，應優先利用自身金屬體作引下線。引下線與接閃器的連接應采用機械鏈接或電氣焊接，其連接點過渡電阻應不大于0.03Ω，并做好連接點的防腐處理。其敷設應避開人行道口，敷設平直，不可彎成直角或銳角，并經最短路徑接地。引下線的安裝應符合GB50057-2010中4.5.6防接觸電壓和跨步電壓的要求。

（3）接地裝置的設置與安裝

接地極應設置在自動監測站房兩側并與建筑物基礎地共用，若基礎接地達不到要求時，應增設接地裝置。接地體由垂直接地體和水平接地體構成，接地體的埋設深度不宜小于0.8m，其連接應采用搭接焊，搭接長度必須符合相關條文規定[9]。垂直接地體宜采用角鋼、圓鋼或鋼管，角鋼不應小于40mm×4mm，圓鋼直徑不應小于Φ20mm，鋼管直徑不應小于80mm，壁厚不應小于4mm，垂直接地極長度不宜小于2m，垂直接地極間距應大于5m;水平接地極宜采用圓鋼或扁鋼，圓鋼直徑不應小于12mm，扁鋼截面積不應小于100mm2，其厚度不應小于4mm。若采用深井技術設置接地體，宜沿建筑物周邊敷設形成環形接地網，不宜采用單根垂直接地體組成。垂直接地體宜采用熱鍍鋅鋼管，長度由設計計算確定[8]。

環境自動監測站的接地電阻值應根據其所處的環球做不同的要求，若設置于水邊，則其接地電阻不應大于1Ω;若設置于地面或建筑物天面，則其接地電阻不應大于4Ω。當設備存在特殊要求時，電阻值不應大于1Ω;當采用共用接地時，接地電阻值應以最小值為準;當環境自動監測站附近有多種金屬構筑物時，應考慮在接地體作均壓等電位連接，若共用接地，接地電阻值應以最小值為準。在高土壤電阻率區域的環境自動監測站，為有效降低接地電阻值可采用將接地體埋設于較深的低電阻率土壤中、換土、深井埋設、降阻劑等方法[8]。

設置于水中浮標上的地表水監測站宜采用獨立銅板與多芯軟線相連，銅板大小應以多芯軟線穩定鉛垂水面為宜，且應盡量遠離水中監測儀器。

3.3.2 內部防雷裝置

內部防雷裝置主要包括：電源信號線路的SPD、等電位連接、電磁屏蔽及綜合布線。

（1）電源系統的防雷

環境自動監測站的配電系統采用三相四線制，經配電箱至UPS穩壓輸出，供主機設備系統供電。環境自動監測站應根據實際情況設置1級-3級SPD進行雷電防護[10]。其中：

使用2級SPD時，為防止耦合，第一級應安裝于監測站外取電用配電柜（箱）內，第二級應安裝于站內配電箱（柜）內，即LPZ0與LPZ1區交界處;其中：第一級SPD宜選用通流容量較大的電壓開關型SPD電涌保護器SPD1，SPD1的保護電壓Up不應大于4kV，其每條相線或中性線上宜選用Ⅰ級分類試驗用沖擊電流Iimp通過幅值電流不小于15kA的SPD（10/350μs）;第二級SPD宜選用電壓限制型（箝壓型）或混合型電涌保護器SPD2，SPD2的保護電壓Up一般不應大于2kV，其每條相線或中性線上宜選用標稱放電流不小于30kA的SPD（8/20μs）。

使用3級SPD時，在以上基礎上還須在站內配電箱（柜）內，即LPZ1與LPZ2區交界處安裝第三級SPD。第三級SPD宜選用保護電壓Up不大于1.5kV的箝壓型或混合型SPD3，其每條相線或中性線上宜選用標稱放電流不小于5kA的SPD（8/20μs）。

第一級與第二級SPD之間的安裝距離應大于10m，第二級與第三極SPD之間的安裝距離應大于5m，若無法滿足，則在兩級SPD之間應加裝退耦裝置。當SPD具有能量自動配合功能時，SPD之間的線路長度不受限制。經第一級SPD和第二級SPD及第三極SPD后其殘壓一般不應大于1.5kV。[7]

電源線路的各級SPD應分別安裝在被保護設備電源線路的前端，并盡可能靠近配電盤（箱），其接線端應分別與配電盤（箱）內線路的同名端相線連接，其接地端與配電盤（箱）的保護接地端子相連，配電盤（箱）的保護接地端子與所處防雷區的等電位接地端子連接;SPD兩端連接導線應短而直，不應形成環路、急彎或扭折。SPD兩端連接導線長度不宜大于0.5m，當受條件限制不能實現0.5m長度要求時，可采用凱文接線方式。

（2）信號傳輸系統的防雷

環境自動監測站中使用的網線、光纜時，均應選用SPD進行電涌保護[11]。信號線上用的SPD箝位電壓應大于1.5U（信號線路最大持續運行電壓），額定泄放電流Isn≥3kA（8/20μs）。其他參數如插入損耗、傳輸速率、特性阻抗、接口型式均應符合系統的要求。環境自動監測站信號傳輸線路SPD的選擇，應根據線路的工作頻率、傳輸介質、傳輸速率、傳輸帶寬、工作電壓、接口形式、特性阻抗等參數，選用適配的電壓駐波比和插入損耗小的SPD。信號線路、天饋線路SPD參數應符合GB50343-2012中表5.4.4表5.4.5的規定。

安裝于天饋線路上的SPD應連接于天饋線與被保護設備之間，宜安裝在機房內設備附近或機架上，也可以直接連接在設備接口上，其接地端應采用截面積不小于6mm2的銅芯導線就近連接到等電位接地端子板上，接地線應平直，長度不宜大于0.5m;安裝于信號線路上的SPD應連接在被保護設備的信號端口上，SPD輸出端與被保護設備的端口相連，SPD應安裝在機柜內，固定在設備機架上或附近支撐物上，其接地端宜采用截面積不小于6mm2的銅芯導線就近連接到等電位接地端子板上，接地線應平直，長度不宜大于0.5m。

3.3.3 等電位連接

環境自動監測站站房應建立良好的等電位連接網絡，并與接地裝置連接，使整座建筑物空間成為一個良好的等電位體[12]。等電位連接網絡的材料、規格、連接方式及工藝要求應符合GB50343-2012的相關要求。站房內的各金屬設備外殼、機架、線纜金屬屏蔽層、光纜金屬加強筋、線槽、橋架等其他金屬體應與等電位連接網絡連接，連接線應采用銅導線，截面積不應小于6mm2，且各連接點處的過渡電阻值不宜大于0.03Ω。

3.3.4 屏蔽措施與綜合布線

進入站房的供電線路宜采用屏蔽電纜或穿金屬管埋地引入，電纜金屬屏蔽層或金屬管應與接地裝置連接，且電源供電線路與信號傳輸線路不宜鋪設在同一線槽內。機房內的金屬管線和金屬屏蔽網格應連接在一起，形成均壓等電位。電纜線在雷電防護區交界處，屏蔽電纜屏蔽層的兩端應做等電位連接并接地。綜合布線的電纜采用金屬線槽或鋼管敷設時，線槽或鋼管應保持連續的電氣連接，并應有不少于兩點的良好接地。當建筑物墻體采用彩鋼保溫層時，內外墻體的金屬板應多點接地[13]。

4 結束語

（1）隨著社會的發展與進步，環境保護已成為當今世界各國政府和人民的共同行動和主要任務之一。采用工程技術手段和方法，布設環境空氣、地表水、污染物在線監測環境自動監測站，通過對污染源的實時在線監測，為環境質量的優劣評估提供了定量的技術指標和定性的判定依據，為污染防治決策、監督、環境管理提供了科學依據，其重要性事關公眾切身利益和社會穩定大局。因此環境自動監測站的雷電防護是保障其安全運行的基礎條件。

（2）環境自動監測站防雷技術標準的研制是根據環境監測自動站的工作性質、屬性和結構特點，在大量雷電災害實驗研究的基礎上，應用現代防雷技術的基本原理和方法，在分析和借鑒國外防雷技術方法的基礎上，結合多年防雷工程技術實踐研制而成。標準的技術方法通過多年防雷工程實驗驗證，其設定的技術指標及要求均能滿足現場要求。標準的實施將有效保護環境自動監測站設備的正常運行及操作人員免遭雷電危害。

（3）運用科學有效的方法為環境自動監測站實施雷電防護，有效防御和減少雷電對環境監測站的危害，使環境監測設備和系統處于安全運行狀態，發揮其應有的功能和作用，無論從技術經濟的角度還是從經濟效益分析都將產生良好的社會效益和經濟效益。

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