徐金美

摘 要 近年來(lái)，隨著國(guó)家在水資源治理方面的不斷加大投入，各地興建了數(shù)量眾多的水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站。得益于通信技術(shù)的迅猛發(fā)展和廣泛應(yīng)用，水質(zhì)監(jiān)測(cè)站普遍實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化監(jiān)測(cè)功能。水質(zhì)監(jiān)測(cè)站局域站點(diǎn)分散、雷電環(huán)境惡劣、系統(tǒng)集成化程度高等的特點(diǎn)，雷電危害已成為水質(zhì)監(jiān)測(cè)站運(yùn)行安全的重要威脅。對(duì)水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站的防雷應(yīng)依據(jù)現(xiàn)代防雷理論和手段，采取綜合防護(hù)措施，從而達(dá)到防止或減少雷擊引發(fā)的設(shè)備損失及系統(tǒng)錯(cuò)誤運(yùn)行，做到系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行。

關(guān)鍵詞 水質(zhì)監(jiān)測(cè)站;防雷;自動(dòng)化

引言

水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站組成有站房、供配電設(shè)施、采樣設(shè)備和傳感器設(shè)備、數(shù)據(jù)分析設(shè)備、數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備等組成。建站考慮便于采樣的原則，自然水域的水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站往往建設(shè)在河道、湖庫(kù)的進(jìn)水口或出水口處，這些地方往往地市開(kāi)闊、處于土壤水陸交接的電阻率突變處，易誘發(fā)空間雷電放電。同時(shí)，組成系統(tǒng)設(shè)備的大多是工作電壓低的電子設(shè)備，承受雷擊的能力普遍較弱，雷電對(duì)設(shè)備的安全運(yùn)行存在嚴(yán)重的威脅。根據(jù)近幾年收集到的水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站的雷擊事故實(shí)例，主要是雷擊電子設(shè)備事故和主控制系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備等雷電事故，占水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站系統(tǒng)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(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站的防雷對(duì)象，主要是內(nèi)部電子系統(tǒng)設(shè)備[1]。

1水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站雷電的危害形式及其特征

（1）直接雷擊。《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50057-2010附錄A：建筑物年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)相關(guān)計(jì)算說(shuō)明中，將校正系數(shù)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(fēng)口等處的建筑物，以及特別潮濕的建筑物取1.5”。也就是說(shuō)同樣大小的建筑，水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站因其所處位置因素，其雷擊發(fā)生的概率已經(jīng)比一般場(chǎng)所高出50%。當(dāng)然在做水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站防雷設(shè)計(jì)時(shí)，還應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)氐哪昶骄妆┤諗?shù)據(jù)，對(duì)站房的直擊雷防護(hù)進(jìn)行科學(xué)評(píng)估。

（2）接地系統(tǒng)。接地是通過(guò)設(shè)置金屬導(dǎo)體，將雷電能量通過(guò)金屬導(dǎo)體及時(shí)泄放入大地。良好的接地系統(tǒng)可保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行，同時(shí)有效降低接地引線上的感應(yīng)過(guò)電壓，避免形成二次反擊。由于水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站選址多位于遠(yuǎn)離市區(qū)的河道、湖庫(kù)周邊，土壤電阻率普遍不均勻，給接地降阻帶來(lái)一定難度。

（3）雷電感應(yīng)和電磁脈沖侵入。雷電感應(yīng)的形式有兩種：靜電感應(yīng)和電磁感應(yīng)。雷雨云形成過(guò)程中，會(huì)在云層附近的金屬線路、金屬構(gòu)件上感應(yīng)與雷雨云底部電荷極性相反的靜電電荷，這稱(chēng)為靜電感應(yīng)，靜電感應(yīng)電壓可高達(dá)數(shù)十千伏。雷擊發(fā)生時(shí)，引下線泄流過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)磁場(chǎng)，感應(yīng)磁場(chǎng)會(huì)對(duì)其附近金屬線路耦合形成感應(yīng)電場(chǎng)。靜電感應(yīng)和電磁感應(yīng)形成的電磁脈沖會(huì)沿線路和金屬構(gòu)件侵入室內(nèi)設(shè)備，造成與之相連的設(shè)備擊穿。

（4）地電位反擊。雷擊發(fā)生時(shí)，雷擊點(diǎn)瞬間產(chǎn)生的高電壓、強(qiáng)電流會(huì)使接地線和接地裝置的電位驟然升高到數(shù)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(shè)備間放電，產(chǎn)生反擊高電壓和強(qiáng)電流，造成設(shè)備損壞[2]。

2水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站防雷設(shè)計(jì)分析

（1）接閃器。水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站可按三類(lèi)防雷建筑物進(jìn)行防直擊雷設(shè)計(jì)。一般采用接閃帶作為防直擊雷裝置。當(dāng)站點(diǎn)所處雷電環(huán)境比較惡劣時(shí)，在確保安全距離的情況下，可設(shè)置獨(dú)立接閃針對(duì)站房進(jìn)行直擊雷防護(hù)。接閃針距離站房及相關(guān)設(shè)備距離應(yīng)不小于3米，接閃針保護(hù)范圍按第三類(lèi)防雷建筑的滾球法計(jì)算，其保護(hù)范圍應(yīng)覆蓋全站。接閃器的引下線應(yīng)就近與接地體可靠連接，引下線的走向應(yīng)盡量遠(yuǎn)離其他進(jìn)站的電源線路和信號(hào)線路。

（2）接地裝置的設(shè)計(jì)。水質(zhì)監(jiān)測(cè)站的接地宜選用共用接地方式。接地裝置優(yōu)先采用環(huán)型閉合人工地網(wǎng)。環(huán)型地網(wǎng)可以有效均衡雷電流入地時(shí)的地電位電壓。建筑接地引下線和設(shè)備接地引入線應(yīng)設(shè)置于站房?jī)蓚?cè)，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(shè)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(yīng)效益，應(yīng)采用必要的屏蔽處理措施。屏蔽的作用是將外部雷電感應(yīng)和靜電感應(yīng)能量與室內(nèi)連接設(shè)備之間做個(gè)截?cái)唷＝Y(jié)合自動(dòng)監(jiān)測(cè)站信號(hào)收發(fā)接收裝置的實(shí)際情況將機(jī)房?jī)?nèi)電源電纜、信號(hào)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(shí)，建筑物金屬門(mén)窗通過(guò)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。考慮到水質(zhì)監(jiān)測(cè)站面積較小，設(shè)備集中，同時(shí)為保證接地的可靠性，對(duì)站房實(shí)施等電位連接時(shí)兼顧可靠性和有效性。在站房?jī)?nèi)設(shè)備集中區(qū)域采用30mm×3mm的銅排設(shè)置一條等電位連接帶，等電位連接帶兩端分別與室外地網(wǎng)通過(guò)銅絞線可靠連接，兩點(diǎn)接地方式保證了接地的可靠性。站房?jī)?nèi)的機(jī)柜、配電箱、采樣設(shè)備、分析設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、防雷電涌保護(hù)器、線路屏蔽地線等通過(guò)接地線直接連接到等電位連接帶上。每臺(tái)設(shè)備應(yīng)對(duì)角連接兩個(gè)點(diǎn)，保證其接地可靠性。

（5）電源系統(tǒng)的防護(hù)。電源電涌保護(hù)器選型應(yīng)基于承受雷電流能量和保護(hù)后續(xù)設(shè)備兩個(gè)原則。由于水質(zhì)監(jiān)測(cè)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(jí)電涌保護(hù)器應(yīng)選擇實(shí)驗(yàn)波形10/350μs的抗直接雷擊能量的產(chǎn)品。在監(jiān)測(cè)站入戶(hù)總配電箱內(nèi)安裝一級(jí)電源電涌保護(hù)器，其沖擊放電電流Iimp（10/350μs）：≥12.5kA，Up：≤2.5kV。第一級(jí)電涌保護(hù)器主要作用是泄放大部分線路雷電能量，電源二級(jí)電涌保護(hù)器要兼顧后續(xù)設(shè)備保護(hù)，因此其殘壓值要求應(yīng)盡量小。在監(jiān)測(cè)站設(shè)備配電箱內(nèi)安裝實(shí)驗(yàn)波形8/20μs的產(chǎn)品，標(biāo)稱(chēng)放電電流In（8/20μs）：≥20kA，Up：≤1.5kV。電源電涌保護(hù)器安裝工藝應(yīng)符合相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求[3]。

3結(jié)束語(yǔ)

水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)站看似很小，其實(shí)“五臟俱全”。無(wú)人值守和自動(dòng)監(jiān)測(cè)使得站點(diǎn)遭受雷擊后不能第一時(shí)間處理，往往會(huì)造成監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中斷和設(shè)備恢復(fù)延誤，因此更有必要針對(duì)這類(lèi)站點(diǎn)進(jìn)行系統(tǒng)綜合防護(hù)，將雷擊災(zāi)害減少到最低。

參考文獻(xiàn)

[1] 建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范：GB50057-2010[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2010.

[2] 建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范：GB50343-2012[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2012.

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