水質自動監測站防雷措施探討

徐金美

摘 要 近年來，隨著國家在水資源治理方面的不斷加大投入，各地興建了數量眾多的水質自動監測站。得益于通信技術的迅猛發展和廣泛應用，水質監測站普遍實現了自動化監測功能。水質監測站局域站點分散、雷電環境惡劣、系統集成化程度高等的特點，雷電危害已成為水質監測站運行安全的重要威脅。對水質自動監測站的防雷應依據現代防雷理論和手段，采取綜合防護措施，從而達到防止或減少雷擊引發的設備損失及系統錯誤運行，做到系統安全可靠運行。

關鍵詞 水質監測站;防雷;自動化

引言

水質自動監測站組成有站房、供配電設施、采樣設備和傳感器設備、數據分析設備、數據傳輸設備等組成。建站考慮便于采樣的原則，自然水域的水質自動監測站往往建設在河道、湖庫的進水口或出水口處，這些地方往往地市開闊、處于土壤水陸交接的電阻率突變處，易誘發空間雷電放電。同時，組成系統設備的大多是工作電壓低的電子設備，承受雷擊的能力普遍較弱，雷電對設備的安全運行存在嚴重的威脅。根據近幾年收集到的水質自動監測站的雷擊事故實例，主要是雷擊電子設備事故和主控制系統、視頻監控系統設備等雷電事故，占水質自動監測站系統雷擊事故 90%以上，而電源引起的事故又占雷擊事故的 80%。因此，水質自動監測站的防雷對象，主要是內部電子系統設備[1]。

1水質自動監測站雷電的危害形式及其特征

（1）直接雷擊?！督ㄖ锓览自O計規范》GB50057-2010附錄A：建筑物年預計雷擊次數相關計算說明中，將校正系數k定義“位于河邊、湖邊、山坡下或山地中土壤電阻率較小處、地下水露頭處、土山頂部、山谷風口等處的建筑物，以及特別潮濕的建筑物取1.5”。也就是說同樣大小的建筑，水質自動監測站因其所處位置因素，其雷擊發生的概率已經比一般場所高出50%。當然在做水質自動監測站防雷設計時，還應結合當地的年平均雷暴日數據，對站房的直擊雷防護進行科學評估。

（2）接地系統。接地是通過設置金屬導體，將雷電能量通過金屬導體及時泄放入大地。良好的接地系統可保證系統的正常運行，同時有效降低接地引線上的感應過電壓，避免形成二次反擊。由于水質自動監測站選址多位于遠離市區的河道、湖庫周邊，土壤電阻率普遍不均勻，給接地降阻帶來一定難度。

（3）雷電感應和電磁脈沖侵入。雷電感應的形式有兩種：靜電感應和電磁感應。雷雨云形成過程中，會在云層附近的金屬線路、金屬構件上感應與雷雨云底部電荷極性相反的靜電電荷，這稱為靜電感應，靜電感應電壓可高達數十千伏。雷擊發生時，引下線泄流過程中會產生感應磁場，感應磁場會對其附近金屬線路耦合形成感應電場。靜電感應和電磁感應形成的電磁脈沖會沿線路和金屬構件侵入室內設備，造成與之相連的設備擊穿。

（4）地電位反擊。雷擊發生時，雷擊點瞬間產生的高電壓、強電流會使接地線和接地裝置的電位驟然升高到數十千伏至上百千伏，造成防雷引下線與其附近其他金屬線纜、管道、設備間放電，產生反擊高電壓和強電流，造成設備損壞[2]。

2水質自動監測站防雷設計分析

（1）接閃器。水質自動監測站可按三類防雷建筑物進行防直擊雷設計。一般采用接閃帶作為防直擊雷裝置。當站點所處雷電環境比較惡劣時，在確保安全距離的情況下，可設置獨立接閃針對站房進行直擊雷防護。接閃針距離站房及相關設備距離應不小于3米，接閃針保護范圍按第三類防雷建筑的滾球法計算，其保護范圍應覆蓋全站。接閃器的引下線應就近與接地體可靠連接，引下線的走向應盡量遠離其他進站的電源線路和信號線路。

（2）接地裝置的設計。水質監測站的接地宜選用共用接地方式。接地裝置優先采用環型閉合人工地網。環型地網可以有效均衡雷電流入地時的地電位電壓。建筑接地引下線和設備接地引入線應設置于站房兩側，從而有效降低電位反擊的可能。采用40mmx4mm熱鍍鋅扁鋼作為水平接地體，間隔5米設置一組THG-JB1垂直接地體組成。共用接地裝置接地電阻宜不大于4歐姆。

（3）屏蔽。為減少雷電的感應效益，應采用必要的屏蔽處理措施。屏蔽的作用是將外部雷電感應和靜電感應能量與室內連接設備之間做個截斷。結合自動監測站信號收發接收裝置的實際情況將機房內電源電纜、信號電纜、光纜等線路的金屬屏蔽層就近與接地裝置可靠連接;同時，建筑物金屬門窗通過6mm?黃綠銅絞線就近與接地裝置可靠連接。

（4）防雷等電位連接?？紤]到水質監測站面積較小，設備集中，同時為保證接地的可靠性，對站房實施等電位連接時兼顧可靠性和有效性。在站房內設備集中區域采用30mm×3mm的銅排設置一條等電位連接帶，等電位連接帶兩端分別與室外地網通過銅絞線可靠連接，兩點接地方式保證了接地的可靠性。站房內的機柜、配電箱、采樣設備、分析設備、網絡設備、防雷電涌保護器、線路屏蔽地線等通過接地線直接連接到等電位連接帶上。每臺設備應對角連接兩個點，保證其接地可靠性。

（5）電源系統的防護。電源電涌保護器選型應基于承受雷電流能量和保護后續設備兩個原則。由于水質監測站普遍處于曠野中，比較孤立，雷擊電磁脈沖不能得到有效衰減。因此電源第一級電涌保護器應選擇實驗波形10/350μs的抗直接雷擊能量的產品。在監測站入戶總配電箱內安裝一級電源電涌保護器，其沖擊放電電流Iimp（10/350μs）：≥12.5kA，Up：≤2.5kV。第一級電涌保護器主要作用是泄放大部分線路雷電能量，電源二級電涌保護器要兼顧后續設備保護，因此其殘壓值要求應盡量小。在監測站設備配電箱內安裝實驗波形8/20μs的產品，標稱放電電流In（8/20μs）：≥20kA，Up：≤1.5kV。電源電涌保護器安裝工藝應符合相關規范標準要求[3]。

3結束語

水質自動監測站看似很小，其實“五臟俱全”。無人值守和自動監測使得站點遭受雷擊后不能第一時間處理，往往會造成監測數據中斷和設備恢復延誤，因此更有必要針對這類站點進行系統綜合防護，將雷擊災害減少到最低。

參考文獻

[1] 建筑物防雷設計規范：GB50057-2010[S].北京：中國標準出版社，2010.

[2] 建筑物電子信息系統防雷技術規范：GB50343-2012[S].北京：中國標準出版社，2012.

[3] 杜軍，何志江，王平娃.水文站防雷問題初探[J].氣象水文海洋儀器，2002（4）：24-28.