環境監測子站防雷方案實施

楊旸

（鶴山市環境保護監測站，廣東 鶴山 529700）

1 監測子站遭雷擊的途徑

環境空氣質量自動監測子站（簡稱子站）遭受雷電損害通常有直擊雷和感應雷兩種。對于直擊雷的防護比較簡單,一般采取安裝避雷針和完善接地網的方法防護。對感應雷擊的防護比較復雜,而且損害的幾率比較大,這也是環境質量自動監測子站需重點解決的問題。雷電入侵子站的主要通道有:①從自動監測儀器的采樣頭侵入,例如PM10 監測儀探頭、氣象傳感器通道等;②從電源通道侵入,雷電能引發供電電壓異常波動,而損壞設備或侵害其電源系統;③從通信傳輸信道侵入,曾有一個空氣自動監測站調制解調器遭雷擊受損。

2 監測子站重要作用

監測子站的主要任務:對環境空氣質量和氣象狀況進行連續自動監測;采集、處理和存儲監測數據;按中心計算機指令定時或隨時向中心計算機傳輸監測數據和設備工作狀態信息。監測子站主要是由采樣裝置、監測分析儀、校準設備、氣象儀器、數據傳輸設備、子站計算機或數據采集儀以及站房環境條件保證設施 (空調、除濕設備、穩壓電源等)等組成。圖1 為監測子站儀器設備配置示意圖。

圖1 監測子站儀器設備配置示意圖

3 監測子站的雷電防護方案

根據某現場基本情況和雷電綜合防治原則,環境監測子站的雷電防護工程方案如下:

3.1 直擊雷防護

某監測子站站房設在一辦公樓頂層辦公室內,所以站房的防直擊雷設施借助于樓房天面自身避雷帶。另外,由于屋面裝有2m 高儀器探頭、電加熱等設備,因此,需在頂層架設一根富蘭克林避雷針來保護室外的監測設備,針高的確定計算方法如下:1 按(GB50057-1994)《建筑物防雷設計規范》計算公式:

式中rx——避雷針在hrx 高度的XX 平面上的保護半徑,實測值為5m;

hx——滾球半徑45m(按二類防雷建筑物設計);

hx——被保護物高度2m。

h——避雷針高為3.9m

故避雷針的設置方式為:距監測設備5m 安裝一高為4m 獨立避雷針,材料采用直徑50 鍍鋅鋼管,頂端焊接預放電功能的優化避雷針。

3.2 感應雷防護

為了能夠較為準確設計好感應雷防護,現參照GB50343-2004《建筑物電子信息系統防雷技術規范》表4.3.1 建筑物電子信息系統雷電防護等級的選擇表,將該自動監測子站定性為C級,宜在低壓系統中采取2 級SPD 進行保護。

3.2.1 電源系統保護

建筑物內電子設備使用的電源通常是由供電線路從戶外交流電網引入。當雷擊于附近或直擊于電網時,能夠在線路上產生過電壓波,這種過電壓波沿線路傳播進入戶內,通過交流電源系統侵入電子設備。據統計80%的雷災是通過電源線路感應造成的,因此,電源線路的雷電過電壓防護尤為重要。

對電源系統保護裝置的基本要求:在電子設備電源系統的防雷保護應用中,隨著具體的應用場合不同,對防雷保護裝置性能的具體要求是有所不同的,這里僅就一些共性問題提出對保護裝置的基本要求。

3.2.1.1 對保護裝置接入后對所在電源系統正常運行的影響應限制到可忽略不計的程度。這就要求在正常運行時保護裝置中的并聯 (縱向)元件應具有非常大的阻抗,而串聯(橫向)元件應具有非常小的阻抗。

3.2.1.2 對保護裝置應具有良好的箝位效果。在設計允許的最大雷電暫態電流作用下,保護裝置的箝位電壓水平應接近所在系統的最高運行電壓。這里的接近一般指的是1～3倍于系統最高運行電壓,其具體倍數取決于被保護電子設備的過電壓耐受能力。

3.2.1.3 在抑制設計允許的苛刻雷電暫態過電壓情況下,保護裝置自身應能安全生存,不被破壞。這里所說的苛刻雷擊暫態過電壓情況通常由專門的技術標準規定或由保護裝置產品的使用說明手冊給出,在保護設計中,不應過份夸大這種苛刻雷電暫態過電壓的嚴重性,應在保護可靠性與保護投資之間尋求優化方案,合理選用保護裝置。

3.2.1.4 在遇到雷電暫態過電壓作用時,保護裝置應具有足夠快的動作響應速度,應能盡早動作限壓和旁路泄流。

3.2.1.5 對保護裝置,需要規定其工作環境的溫度、濕度和氣壓等參數的范圍,以保證保護裝置中的各種保護元件能夠正常發揮其功能。

3.2.1.6 保護元件的安裝連接線的長度應盡可能減小,以減小縱向并聯支路的寄生電感,降低保護裝置安裝點處的實際箝位水平。

3.2.1.7 在系統正常運行時,保護裝置中流過的泄漏電流要很小,以減緩保護裝置自身的老化,并減小對系統正常運行的影響程度。為此,既要限制保護裝置中并聯保護元件的穩態泄漏電流值,又要限制保護裝置中電源引線端對地之間的寄生電容值。

3.2.1.8 在保護裝置中應加裝故障報警器和暫態過電壓脈沖計數器,以監視保護裝置的運行狀況,并及時更換故障元件。

根據以上要求及系統實際情況,對環境空氣質量監測子站電源系統的保護,具體設備及措施如下:①三相五線RVV 電纜從總配電房拉一根專線到監測子站配電箱,RVV 電纜外穿PVC管;②電源系統采用TN-S 系統;③在監測子站配電箱處安裝三相二級電源防雷箱,其標稱放電電流分別大于50,20kA;④在第一級與第二級之間安裝電感退耦器;⑤在末端用電設備處改用帶防雷功能的插座(標稱放電電流>10kA)。

3.2.2 信號系統傳輸線路防護

信號系統傳輸線路上終端設備的保護也是防護的重要組成部分,雷電電磁脈沖能夠在信號線路及其回路中感應出暫態過電壓。同時,信號電路中電子設備的絕緣強度低,過電壓和過電流耐受能力差,很容易受到暫態過電壓的危害。因此,為了維護電子系統的安全可靠運行,必須對信號電路采取過電壓保護措施。信號SPD 安裝注意的問題:

3.2.2.1 信號SPD 應滿足信號傳輸帶率、工作電平、網絡類型的需要,同時接口應與被保護設備兼容。

3.2.2.2 信號SPD 由于串接在線路中,在選用時應選用插入損耗較小的SPD。

信號系統的防護措施如:①環境空氣質量監測子站信號傳輸系統為通過調制解調器撥號與環境檢測中心連接。工作室調制解調器前端應加裝符合其接口型式(一般為RJ11/RJ45)的信號SPD;在計算機前端的網絡數據線上安裝接口型式為RS232 或RJ45 的信號SPD。信號SPD的最大持續工作電壓應>1.5Uc,在設備前端加裝Iimp>0.5kA(10/350μs)或 In>5kA(8/20μs)的信號SPD,其他參數應符合系統要求。②環境監測子站的數據傳輸線進入轉接盒及采集器前端宜加裝In>5kA(8/20μs)的信號SPD。

3.3 等電位設置

監測子站室內應設置等電位連接板進行星形(S 型)連接,連接板或連接帶應與建筑物內鋼筋或人工接地體作電氣連接,除在等電位連接板處(ERP)外,設備之間、設備至連接板的連接導線之間應有大于10kV(1.2/50μs)的絕緣。工作室內所有設備的金屬外殼、防靜電接地、信號地、PE線和SPD 接地線、屏蔽金屬管和屏蔽線纜的金屬外護層均應就近與等電位連接板進行電氣連接。

3.4 接地設置

接地系統是防雷的重要環節,良好的接地是泄流和屏蔽的保障。監測子站的接地系統采用人工垂直接地體與水平接地體結合的方式,沿站房四周敷設構成閉合環型的接地網,接地電阻實測值要求<4Ω,其垂直接地體采用直徑50mm長度2500mm 鍍鋅鋼管,水平接地體采用4mm ×40mm 鍍鋅扁鋼,地網埋設在地面下500mm,表面鋪設50mm 厚的瀝青層防止跨步電壓造成人員傷害。

[1]唐軍.環境空氣自動監測子站投入使用[J].奉賢年鑒，2006-01-01.