水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)雷擊分析與對策

原智慶,劉永巧，馬富強

（1.駐馬店市氣象局，河南駐馬店 463000；2.漯河市氣象局，河南漯河 462000）

水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)雷擊分析與對策

原智慶1,劉永巧2，馬富強2

（1.駐馬店市氣象局，河南駐馬店 463000；2.漯河市氣象局，河南漯河 462000）

1 引言

2011年7月，駐馬店市環(huán)保局所屬的水質(zhì)自動監(jiān)測站系統(tǒng)相繼發(fā)生雷擊。雷電流將德國產(chǎn)無線自動發(fā)報系統(tǒng)通訊網(wǎng)卡短路擊穿，致使發(fā)報系統(tǒng)癱瘓，不能正常對淮河流經(jīng)河南進入安徽末端的水質(zhì)進行全時段監(jiān)控。

2 水質(zhì)自動監(jiān)測站系統(tǒng)

水質(zhì)自動監(jiān)測站系統(tǒng)安裝在地勢平坦的淮河岸邊，建筑物長60 m，寬13 m，高12 m，土壤濕度較大，是雷擊多發(fā)地帶。該設(shè)備前端電源安裝了二級防雷浪涌保護器，在進入機房配電盤處安裝了英國產(chǎn)帕爾瑪公司生產(chǎn)PTF-240k浪涌保護器，在設(shè)備前端穩(wěn)壓器接線柱并聯(lián)安裝了單相20 kA浪涌保護器，傳輸天線放在室內(nèi)，考慮數(shù)據(jù)傳輸是無線傳輸，傳輸系統(tǒng)沒有安裝防雷設(shè)備。單獨做了人工接地，人工接地體與自然接地距離不到2 m，作為防雷設(shè)備接地。

3 防雷等級的判定

依據(jù)建筑物年預(yù)計雷擊次數(shù)公式：N＝k NgAe，其中，式中：N為建筑物預(yù)計雷擊次數(shù)（次／a）；Td為年平均雷暴日；k為校正系數(shù)；Ng為雷擊大地的年平均密度；Ae為與建筑物截收相同雷擊次數(shù)的等效面積（km2）。

建筑物年預(yù)計雷擊次數(shù)：N=0.10315次／a。

結(jié)合規(guī)范與本區(qū)內(nèi)的地理地質(zhì)和雷電活動等因子，該水質(zhì)自動監(jiān)測站，必須按三類防雷進行設(shè)防。經(jīng)過實地勘察，發(fā)現(xiàn)一些問題：監(jiān)測站部分設(shè)備不在接閃保護范圍內(nèi)；天面接閃器上附著一些線路；設(shè)備接地有松動現(xiàn)象，接觸不良。這些很有可能是誘發(fā)雷擊因素之一。

4 水質(zhì)自動監(jiān)測站系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸特性與雷擊分析

水質(zhì)自動監(jiān)測站的數(shù)據(jù)，是通過設(shè)置在淮河監(jiān)測端面水中的采集器采集的，通過數(shù)據(jù)線傳輸至傳感器加以分析水質(zhì)污染成份，再由無線自動發(fā)報系統(tǒng)上傳信息。由于數(shù)據(jù)的傳輸是微電流信號，所以經(jīng)過傳感器到無線自動發(fā)報系統(tǒng)的信號對電磁環(huán)境十分敏感，惡劣的電磁環(huán)境會嚴(yán)重影響信號的傳輸乃至使信號失真。

4.1 水質(zhì)自動監(jiān)測站系統(tǒng)雷擊誘因分析

經(jīng)過對水質(zhì)自動監(jiān)測站雷擊后的現(xiàn)場勘驗發(fā)現(xiàn)，水質(zhì)自動監(jiān)測站避雷接閃系統(tǒng)有明顯的灼燒痕跡，但總控室內(nèi)的電話機無損，安裝的防雷浪涌保護器SPD工作正常。這些跡象表明，避雷接閃系統(tǒng)成功接閃而導(dǎo)致的雷電事故。水質(zhì)自動監(jiān)測站無線自動發(fā)報系統(tǒng)和水質(zhì)傳感器位于總控室，供電方式采用的是架空明線入室，電源系統(tǒng)做了二級防雷。電源經(jīng)UPS輸電到設(shè)備。總控室設(shè)置等電位匯流排，材質(zhì)為鍍鋅扁鋼，接地線引入至埋設(shè)的地網(wǎng)。入室的所有數(shù)據(jù)線、信號線、電源線和相接的各類地線交錯在一起，走向基本一致。可以認(rèn)為，當(dāng)避雷系統(tǒng)接閃時發(fā)生閃絡(luò)或雷電流在向地下泄放過程中，瞬態(tài)的雷電感應(yīng)電磁場在數(shù)據(jù)傳輸線產(chǎn)生了較強感應(yīng)雷電過電壓，雷電波在侵入水質(zhì)傳感器和無線自動發(fā)報系統(tǒng)的同時又感應(yīng)了設(shè)備端口段的輸電線路，不同強度的雷電過電壓從信號線、電源線侵入到設(shè)備內(nèi)。按照這個思路，我們可以結(jié)合防雷規(guī)范進行分析。設(shè)定避雷系統(tǒng)高度12 m，接地電阻為4 Ω，無線自動發(fā)報系統(tǒng)距避雷系統(tǒng)地線0.5 m，可以判定在避雷系統(tǒng)接地引線與無線自動發(fā)報系統(tǒng)和水質(zhì)傳感器之間產(chǎn)生旁側(cè)閃絡(luò)。因此，可以推導(dǎo)出避雷系統(tǒng)接閃對無線自動發(fā)報系統(tǒng)和水質(zhì)傳感器的影響。

式中：S為安全距離（米）,這里取0.5 m；ER為電阻電壓降的空氣擊穿場強，取500 kV/m；EL為電感電壓降的空氣擊穿場強，取500 kV/m；L0為引下線單位長度電感，取1.5 μH/m；hX為防雷裝置地面高度；di/dt為雷電流陡度（kA/ μs）；hX為12 m；Ri為4 Ω，取雷電流波型10/350 μs。

計算得到：不發(fā)生空氣擊穿的最大安全雷電流I為43 kA。雷電流強度一般在40～60 kA，很顯然，避雷系統(tǒng)接閃與無線自動發(fā)報系統(tǒng)和水質(zhì)傳感器在雷電瞬間很難達到等電位，當(dāng)雷電流強度大于43 kA時，避雷系統(tǒng)接閃與無線自動發(fā)報系統(tǒng)和水質(zhì)傳感器之間容易發(fā)生閃絡(luò)。

4.2 水質(zhì)自動監(jiān)測站數(shù)據(jù)傳輸與雷電電磁場效應(yīng)

水質(zhì)自動監(jiān)測站在空曠河灘處，從采集器到傳感器，再從傳感器到無線自動發(fā)報系統(tǒng)，傳輸線一般大于130 m。數(shù)據(jù)傳輸線與電源線、接地線等是處在幾乎相同的電磁環(huán)境，相互之間存在一定的影響，數(shù)據(jù)傳輸線很難做到電磁屏蔽。水質(zhì)自動監(jiān)測系統(tǒng)是由高度數(shù)字化電路集成的敏感電器設(shè)備，應(yīng)該具有良好的電磁兼容性，使之在有限的空間、時間和頻譜資源下各種設(shè)備可以共存。結(jié)合駐馬店市環(huán)保局所屬的水質(zhì)自動監(jiān)測站雷擊情況，從接地系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、雷電感應(yīng)和雷電波侵入等角度，分析雷擊時可能存在的電磁效應(yīng)。水質(zhì)自動監(jiān)測站在防雷工程建設(shè)中，將線纜穿金屬管，管道設(shè)在預(yù)先設(shè)計的電纜溝里，接地極則埋在電纜溝底，同時也采取了屏蔽接地等措施，但為什么一旦遇雷，就不可避免地出現(xiàn)設(shè)備受損的情況，關(guān)鍵的問題是不利于電磁兼容。

接地引線的布設(shè)是整個防雷方案中核心環(huán)節(jié)之一，然而水質(zhì)自動監(jiān)測站將其簡單化，只強調(diào)接地卻不管接地引線的走向及間距，在室內(nèi)把地線、電源線、數(shù)據(jù)傳輸線、設(shè)備靜電連接線搭接在一起。雷電流是一種高頻瞬態(tài)電流，如果地線不能為雷電流泄放提供一條低阻抗路徑，那么容性（電容性感應(yīng)）串?dāng)_和感性（電感性感應(yīng)）串?dāng)_作用的存在，使地線的副作用增大。水質(zhì)自動監(jiān)測站，接地引線的走向有時幾乎與信號的傳輸方向一致，而且連接線過長。室內(nèi)的接地引線無論是安全保護地或是防雷接地，當(dāng)浪涌電流通過時，對接地引線附近的信號傳輸線、電源線纜都會產(chǎn)生電磁感應(yīng)。很多情況下，未必是信號線纜傳輸雷電波，而是電源線纜傳載了雷電波，當(dāng)雷電波較弱時不足以對一般電器設(shè)備造成危害，而卻能通過感應(yīng)對敏感的電子設(shè)備形成破壞；因為象UPS、穩(wěn)壓器之類的用電設(shè)備耐壓是2.5 kV，而電子信息設(shè)備的耐壓僅為0.5 kV或更低。接地引線太長、彎曲盤轉(zhuǎn)、截面積太小，都會使得感抗變大，增加地電位反擊的概率。水質(zhì)自動監(jiān)測站，只重視接地，忽略了引下線的布設(shè)、接地板材料規(guī)格、回路面積等。

5 水質(zhì)自動監(jiān)測站防雷整改措施

綜上所述，有以下雷擊隱患需要整改，才能有效降低水質(zhì)自動監(jiān)測站雷擊風(fēng)險：

（1）將避雷接閃系統(tǒng)與傳感器分開設(shè)置，數(shù)據(jù)線纜與接地系統(tǒng)之間預(yù)留有效的安全距離，距離不夠時，設(shè)法使線纜與接地系統(tǒng)之間的角度增大。做好雷電流引下線與水質(zhì)監(jiān)測信號傳輸線之間的電磁屏蔽。

（2）做好水質(zhì)自動監(jiān)測站各種線纜和管道入室的等電位連接；按照電磁兼容的原則，將不同性質(zhì)的線纜、接地線通過金屬線槽分開布設(shè)。

（3）室內(nèi)等電位連接匯流排，應(yīng)用銅質(zhì)材料，要有足夠的面積和厚度，厚度至少大于3 mm，減少等電位匯流排的直流電阻和高頻電阻，同時接地引線盡量平直短粗。

（4）增設(shè)信號浪涌保護器SPD。數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)用浪涌保護器與接地體連接。

（5）清除天面接閃器上附著的一些線路。

1002－252X（2012）01－0045－02

2011－12－6

原智慶（1973-），男，河南省沁陽市人，南京信息工程大學(xué)，本科生，助理工程師.