环境自动监测站防雷技术研究

2019-06-27李兆华庄嘉冯晖杨仕兵

科技创新与应用 2019年8期

李兆华庄嘉冯晖杨仕兵

摘要：应用雷电灾害现场勘查分析的研究成果，根据环境自动监测站的工作属性和所处环境位置的特殊性，分析环境自动监测站的雷击风险、研究雷电防护的技术方法措施。确定环境自动监测站雷电防护的技术原则，规范环境自动监测站的选址、雷电防护的分区、防雷设计、施工要求。综合应用接闪、分流、屏蔽、均压、等防雷技术，研制环境自动监测站雷电防护标准，有效防御和减少雷电对环境自动监测站的危害，保障环境自动监测站的数据采集、信息传输和人员安全。

关键词：环境自动监测站;雷电防护;防雷标准

中图分类号：X84 文献标志码：A 文章编号：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

雷电灾害是联合国“国际减灾十年”公布的最严重的10种自然灾害之一[1]。由于环境自动监测站点所处环境的区域位置特殊，导致环境自动监测系统遭受雷击的风险增加。仅在云南省，据不完全统计，环境自动监测系统在运行過程中就曾多次遭到雷击，造成了监测数据缺失、影响系统运行等问题。

经查新，迄今为止，国外还没有针对环境监测自动站雷电防护技术标准的相关研究报道。而国内该问题虽然引起了部分学者[2][3]的关注，并针对环境自动监测站的雷电防护提出一些相关措施，但目前仍没有统一的技术标准，处于一种无序状态，无法有效保障环境自动监测站的正常运行。为掌握环境自动监测站雷电的成灾机理，云南省气象灾害防御技术中心会同昆明市环境监测中心自2004年起开始收集和整理雷电灾害的现场资料。应用气象部门统计资料，进行分区、分类的收集整理雷电灾害资料。研究雷电危害的机理，雷电放电的路径，雷电的主要危害形式。重点开展雷电灾害的实验研究，进行雷电灾害的现场勘查，收集和整理雷灾物证，立题开展雷电灾害调查、鉴定技术方法的研究。为深入分析和研究雷电对环境监测自动站危害机理，立题开展了《雷击灾害现场物证微观成像的分析与研究》的课题研究（图1），从雷击现场勘查、检测、取样，收集和整理各类雷击物证，进行雷击物证的成像分析和微观形貌研究。在此基础上，研制《环境自动监测站防雷技术规范》（DB53/T 670-2015）的地方标准。

1 前期雷电灾害的实验研究

针对雷电发生的随机性、瞬时性和突发性，为深入分析和研究雷电成灾的物理机制，在国内，首次立题开展《雷击灾害现场物证微观成像的分析与研究》的课题研究，从雷击现场勘查、检测、取样，收集和整理各类雷击物证，开展雷击物证痕迹的成像分析和微观形貌研究。

试验方法：采用物质结构分析技术，对样品宏观、微观结构、物质组成及其变化过程进行分析，提供其表层及内部结构、保存状态、构成工艺等信息。采用材料结构分析的热分析法，主要是分析样品在高温过程中的结构变化和物理化学变化。分析物质在温度变化过程中发生的一些物理变化（如相态转变、晶型转变）和化学变化（如分解、氧化、还原、脱水反应）。

通过比对实验研究，获取了迄今为止国内首幅雷击物证微观形貌图（图1），该图为云南省昆明市杨宗海水质自动监测站电源供电线路被雷击的线径为0.25毫米多芯铜线现场取样。应用电子扫描成像技术，对金属线（取样样品）通过不同倍率的放大后，获取微米量级的微观成像。由图片可以看出遭受雷击的多芯铜线上呈现出多孔洞层叠，且呈微米量级的蜂窝状熔蚀坑。根据力学性能结构分析，在微秒量级的瞬态高温巨热作用下，产生的电热能量，作用于金属多芯铜线，此类孔洞为雷电流产生的电弧放电所致。试验样品呈现的形态、形貌，具有唯一性和不可复现性，从微观层面上科学验证了雷电流的冲击特性，幅频特性以及雷击电磁脉冲的多峰值效应。通过痕迹分析，科学地揭示了雷击放电产生的电荷效应对环境监测自动站的危害形式。该项研究成果已应用于多起雷击火灾、雷击引发的群体性涉诉案件的灾害调查、鉴定工作中，取得了良好的社会效益。

实验研究分析表明：雷击放电过程蕴含着丰富的电学参量，其产生的各种能量，在不同载体上，会呈现出不同的形态、形貌，其分布状态各异。因雷击的电磁效应而导致环境自动监测站中央处理器、计算机芯片、电源供电系统、信号传输线路绝缘层和传输线受损，是造成设备损坏、信号中断、采样数据缺失的直接原因。同时由于雷电的电磁效应和机械效应，常造成监测设备损毁并危及工作人员安全。

2 雷电危害环境自动检测站的主要形式

为探索雷电放电的物理机制，我国和外国许多科学家做了大量观测和理论研究工作，提出来很多有关雷电放电过程的计算模型。文中重点对雷电电磁脉冲的危险性进行分析。实验观察表明：雷电电磁脉冲（lightning electromagnetic impulses，LEMP）是伴随雷电放电发生的瞬变电流和强电磁辐射，是常见的天然强电磁脉冲干扰源之一。 LEMP的影响区域远大于直击雷。通常情况下，它是由云闪和地闪产生，影响范围遍布对流层以下至地表以上区域。雷雨云对地放电过程中，将云中的电荷向大地瞬间释放。当先导通道与地面被击物向上发出的迎面流注（或回闪）头部相遇时，先导通道通过回闪接地，主放电过程开始。主放电通道中通过脉冲形式的放电电流，一次闪电平均包含有上万个脉动放电过程，电流脉冲平均幅值为几万安培，持续时间几十到上百微秒。闪电通道大约有几百米至几公里长，在先导——主放电过程中，向外辐射高频和甚高频电磁能量，形成雷电电磁脉冲。它所产生的强电场和强磁场能够耦合到电气或电子系统中，对地面数据采样传感器等电子设备产生干扰性的电涌电流或感应电压。导致静电感应、电磁感应、高电位反击、电磁波辐射等效应的产生[3]，甚至使整个环境监测网络系统、信息传输及通信系统瘫痪。现场勘查和研究表明：雷击放电产生的电磁脉冲通常沿着电源供电线路、现场数据信号传输线路、通信线路侵入到设备末端，造成危害。雷电电磁脉冲从多维空间侵入到环境监测自动站室内，产生电磁辐射，形成电磁干扰、造成电磁效应，危及环境监测自动站的系统安全。

在模拟实验中观察到当某处由闪电放电的电磁辐射引起的磁场脉冲幅度超过0.07G时，该处自动控制监控设备、计算机、通讯设备发生误动作，而磁场脉冲幅度超过2.4G时，会使电子线路等集成电路芯片、元器件永久性损坏，造成环境自动监测系统瘫痪。

根据国家对空气、地表水自动监测系统建设的规范要求，空气自动监测设备多安装于多层建筑物顶站房中，地表水自动监测设备多安装于空旷的湖、库、河道旁，而污染源在线监测设备也有相应的建设用房。环境空气、地表水以及污染源（烟尘）在线自动监测站的站房一般设置于江河湖库边缘、高层建筑顶端和烟囱等高位处（如图2）。而这些环境一般都暴露在大气电磁环境中，属于雷击高风险区域。如此特殊的地域环境，极易遭受直击雷的袭击。而环境自动监测系统使用大量微电子元器件，特别是采样设备的各种环境指标要素传感器，均设置于室外大气环境中，极易遭受雷电感应而损坏，同时雷电所产生的次生灾害还可能会对监测站内采样人员的生命安全造成威胁。通过多年的运行表明：雷电是危害和影响环境自动监测系统正常工作的主要原因之一[4]。

3 環境自动监测站的雷电防护技术措施

空气、地表水、污染源在线监测站、浮标站等环境自动监测站均应遵循“预防为主，安全第一”的原则实施雷电防护。其防雷设计应综合考虑地理位置、环境条件、雷电活动规律、监测系统设备的安装区位以及系统对雷电电磁脉冲的抗扰度采取相应的雷电防护措施。其防雷技术方法宜采用接闪、分流、屏蔽、均压、等电位连接、接地、合理布线、电涌保护、隔离等外部和内部防雷措施进行综合防护。同时根据自动监测站的不同功能，为防止雷电感应对其造成损害，应设置1级～3级电涌保护器（SPD）进行分级防护，其中，中心站宜设置3级SPD，子站宜设置2级SPD[5]。

3.1 雷电防护区的划分

根据雷电对环境自动监测站的主要危害形式和入侵路径，有效地对环境自动监测站进行雷电防护，应确定系统对雷电电磁脉冲的抗扰度。通过将需要控制雷电电磁脉冲环境的建筑物或构筑物按需要保护的空间由外到内分为不同的物理界面，从而确定各级别的雷击电磁脉冲的强度，以便采取相应的雷电防护措施[6]。雷电危险度可分为：

极高危险度区（LPZOA）：本区内的各类物体完成暴露在接闪器的保护范围以外，都可能遭到直接雷击，本区内的电磁场未得到任何屏蔽衰减，属完全暴露的不设防区。

高危险度区（LPZOB）：本区内的各类物体处在外部防雷装置接闪器保护范围以内，但本区内电磁场未得到任何屏蔽衰减，属充分暴露的直击雷防护区。

中危险度区（LPZ1）：本区内的各类物体不可能遭受直接雷击，流经各类导体的电流比LPZ0A区进一步减小，且由于建筑物的屏蔽措施，本区内的电磁场也已得到了初步的衰减。

低危险度区（LPZ2）：为进一步减小所导引的电流或电磁场而增设的后续防护区。

后续保护区（LPZ3）：需要进一步减小雷击电磁脉冲，以保护敏感度水平高的设备的后续防护区。

将一座环境自动监测站建（构）筑物划雷电危险度划分等电位连接方法见图3中所示。

3.2 环境自动监测站的选址

环境自动监测站的选址应根据当地雷暴日数、电磁环境、供电方式等条件，同时应远离具有高频功率的发射装置，如移动基站等强电磁环境。其站点应避开高压线且水平距离应为高压线1.5倍杆高以上，同时距水边树木主杆水平距离不应小于3m[7]。

3.3 环境自动监测站防雷装置的设计与安装

根据防护类别的不同，雷电防护分为两大部分，即外部防雷和内部防雷。外部防雷装置主要包括接闪器、引下线、接地装置三部分，主要针对设置于户外，处于水源区、江河流域区域的水质自动监测站的房顶设施，以及位于建筑物顶端的空气自动监测站的气象参数仪、气态污染物采样总管、颗粒物采样管等监测设备进行直击雷防护。而内部防雷装置主要是防御雷击电磁脉冲所产生的瞬态过电压和过电流对电源供电线路、信号传输系统、自动采样控制系统、监控系统造成危害。

3.3.1 外部防雷装置

通常采用不同类型的接闪装置，设置于需要保护的目标物附近或其上，使其位于接闪装置的保护范围以内。当被保护物上空有雷暴云产生下行先导并接近地面时，接闪装置将产生上行先导，在上行先导发展进入下行先导的吸引半径时，使雷击点发生在接闪杆上，雷电流经接闪杆、引流线传导至接地装置，并泄放于大地，从而保护目标物免遭受直接雷击。

（1）接闪器的选择与安装

环境自动监测站宜采用接闪杆作为直击雷防护装置，接闪杆与被保护物的最小安全距离应不小于3m，其保护范围应按滚球法[8]确定，滚球半径取值宜为45m。若为移动式（箱体式）地表水、空气自动监测站，宜采用移动式接闪杆。

地表水自动监测站若为砖混结构的站房，则宜选用接闪网、带;若采用撬装式、箱体式（金属）的站房，则宜选用独立接闪杆，其安装位置应与撬装站保持3m的安全距离;设置于水中的浮标站，宜选用独立接闪杆，其高度应高于监测设备最高点1m以上;空气质量自动监测站应采用独立接闪杆，使空气自动监测站仪器及站房处于分区LPZ0B内。设置于屋面上的环境气象参数监测设施应在接闪杆的有效保护范围内;设置于屋面上的环境自动监测站房，其接闪杆的引下线宜与建筑物的防雷接地装置相连。接闪杆的几何尺寸应根据GB50057-2010中条款5.2相关要求确定，安装位置应考虑防腐和抗风强度。

（2）引下线的选择与安装

引下线应选用多芯铜绞线、圆钢、多芯软线，优先选用绝缘多芯铜绞线。对于设置于水中的浮标监测站，则应选用多芯软线。引下线的截面积总和不应小于50mm2。对于接闪塔、杆，应优先利用自身金属体作引下线。引下线与接闪器的连接应采用机械链接或电气焊接，其连接点过渡电阻应不大于0.03Ω，并做好连接点的防腐处理。其敷设应避开人行道口，敷设平直，不可弯成直角或锐角，并经最短路径接地。引下线的安装应符合GB50057-2010中4.5.6防接触电压和跨步电压的要求。

（3）接地装置的设置与安装

接地极应设置在自动监测站房两侧并与建筑物基础地共用，若基础接地达不到要求时，应增设接地装置。接地体由垂直接地体和水平接地体构成，接地体的埋设深度不宜小于0.8m，其连接应采用搭接焊，搭接长度必须符合相关条文规定[9]。垂直接地体宜采用角钢、圆钢或钢管，角钢不应小于40mm×4mm，圆钢直径不应小于Φ20mm，钢管直径不应小于80mm，壁厚不应小于4mm，垂直接地极长度不宜小于2m，垂直接地极间距应大于5m;水平接地极宜采用圆钢或扁钢，圆钢直径不应小于12mm，扁钢截面积不应小于100mm2，其厚度不应小于4mm。若采用深井技术设置接地体，宜沿建筑物周边敷设形成环形接地网，不宜采用单根垂直接地体组成。垂直接地体宜采用热镀锌钢管，长度由设计计算确定[8]。

环境自动监测站的接地电阻值应根据其所处的环球做不同的要求，若设置于水边，则其接地电阻不应大于1Ω;若设置于地面或建筑物天面，则其接地电阻不应大于4Ω。当设備存在特殊要求时，电阻值不应大于1Ω;当采用共用接地时，接地电阻值应以最小值为准;当环境自动监测站附近有多种金属构筑物时，应考虑在接地体作均压等电位连接，若共用接地，接地电阻值应以最小值为准。在高土壤电阻率区域的环境自动监测站，为有效降低接地电阻值可采用将接地体埋设于较深的低电阻率土壤中、换土、深井埋设、降阻剂等方法[8]。

设置于水中浮标上的地表水监测站宜采用独立铜板与多芯软线相连，铜板大小应以多芯软线稳定铅垂水面为宜，且应尽量远离水中监测仪器。

3.3.2 内部防雷装置

内部防雷装置主要包括：电源信号线路的SPD、等电位连接、电磁屏蔽及综合布线。

（1）电源系统的防雷

环境自动监测站的配电系统采用三相四线制，经配电箱至UPS稳压输出，供主机设备系统供电。环境自动监测站应根据实际情况设置1级-3级SPD进行雷电防护[10]。其中：

使用2级SPD时，为防止耦合，第一级应安装于监测站外取电用配电柜（箱）内，第二级应安装于站内配电箱（柜）内，即LPZ0与LPZ1区交界处;其中：第一级SPD宜选用通流容量较大的电压开关型SPD电涌保护器SPD1，SPD1的保护电压Up不应大于4kV，其每条相线或中性线上宜选用Ⅰ级分类试验用冲击电流Iimp通过幅值电流不小于15kA的SPD（10/350μs）;第二级SPD宜选用电压限制型（箝压型）或混合型电涌保护器SPD2，SPD2的保护电压Up一般不应大于2kV，其每条相线或中性线上宜选用标称放电流不小于30kA的SPD（8/20μs）。

使用3级SPD时，在以上基础上还须在站内配电箱（柜）内，即LPZ1与LPZ2区交界处安装第三级SPD。第三级SPD宜选用保护电压Up不大于1.5kV的箝压型或混合型SPD3，其每条相线或中性线上宜选用标称放电流不小于5kA的SPD（8/20μs）。

第一级与第二级SPD之间的安装距离应大于10m，第二级与第三极SPD之间的安装距离应大于5m，若无法满足，则在两级SPD之间应加装退耦装置。当SPD具有能量自动配合功能时，SPD之间的线路长度不受限制。经第一级SPD和第二级SPD及第三极SPD后其残压一般不应大于1.5kV。[7]

电源线路的各级SPD应分别安装在被保护设备电源线路的前端，并尽可能靠近配电盘（箱），其接线端应分别与配电盘（箱）内线路的同名端相线连接，其接地端与配电盘（箱）的保护接地端子相连，配电盘（箱）的保护接地端子与所处防雷区的等电位接地端子连接;SPD两端连接导线应短而直，不应形成环路、急弯或扭折。SPD两端连接导线长度不宜大于0.5m，当受条件限制不能实现0.5m长度要求时，可采用凯文接线方式。

（2）信号传输系统的防雷

环境自动监测站中使用的网线、光缆时，均应选用SPD进行电涌保护[11]。信号线上用的SPD箝位电压应大于1.5U（信号线路最大持续运行电压），额定泄放电流Isn≥3kA（8/20μs）。其他参数如插入损耗、传输速率、特性阻抗、接口型式均应符合系统的要求。环境自动监测站信号传输线路SPD的选择，应根据线路的工作频率、传输介质、传输速率、传输带宽、工作电压、接口形式、特性阻抗等参数，选用适配的电压驻波比和插入损耗小的SPD。信号线路、天馈线路SPD参数应符合GB50343-2012中表5.4.4表5.4.5的规定。

安装于天馈线路上的SPD应连接于天馈线与被保护设备之间，宜安装在机房内设备附近或机架上，也可以直接连接在设备接口上，其接地端应采用截面积不小于6mm2的铜芯导线就近连接到等电位接地端子板上，接地线应平直，长度不宜大于0.5m;安装于信号线路上的SPD应连接在被保护设备的信号端口上，SPD输出端与被保护设备的端口相连，SPD应安装在机柜内，固定在设备机架上或附近支撑物上，其接地端宜采用截面积不小于6mm2的铜芯导线就近连接到等电位接地端子板上，接地线应平直，長度不宜大于0.5m。

3.3.3 等电位连接

环境自动监测站站房应建立良好的等电位连接网络，并与接地装置连接，使整座建筑物空间成为一个良好的等电位体[12]。等电位连接网络的材料、规格、连接方式及工艺要求应符合GB50343-2012的相关要求。站房内的各金属设备外壳、机架、线缆金属屏蔽层、光缆金属加强筋、线槽、桥架等其他金属体应与等电位连接网络连接，连接线应采用铜导线，截面积不应小于6mm2，且各连接点处的过渡电阻值不宜大于0.03Ω。

3.3.4 屏蔽措施与综合布线

进入站房的供电线路宜采用屏蔽电缆或穿金属管埋地引入，电缆金属屏蔽层或金属管应与接地装置连接，且电源供电线路与信号传输线路不宜铺设在同一线槽内。机房内的金属管线和金属屏蔽网格应连接在一起，形成均压等电位。电缆线在雷电防护区交界处，屏蔽电缆屏蔽层的两端应做等电位连接并接地。综合布线的电缆采用金属线槽或钢管敷设时，线槽或钢管应保持连续的电气连接，并应有不少于两点的良好接地。当建筑物墙体采用彩钢保温层时，内外墙体的金属板应多点接地[13]。

4 结束语

（1）随着社会的发展与进步，环境保护已成为当今世界各国政府和人民的共同行动和主要任务之一。采用工程技术手段和方法，布设环境空气、地表水、污染物在线监测环境自动监测站，通过对污染源的实时在线监测，为环境质量的优劣评估提供了定量的技术指标和定性的判定依据，为污染防治决策、监督、环境管理提供了科学依据，其重要性事关公众切身利益和社会稳定大局。因此环境自动监测站的雷电防护是保障其安全运行的基础条件。

（2）环境自动监测站防雷技术标准的研制是根据环境监测自动站的工作性质、属性和结构特点，在大量雷电灾害实验研究的基础上，应用现代防雷技术的基本原理和方法，在分析和借鉴国外防雷技术方法的基础上，结合多年防雷工程技术实践研制而成。标准的技术方法通过多年防雷工程实验验证，其设定的技术指标及要求均能满足现场要求。标准的实施将有效保护环境自动监测站设备的正常运行及操作人员免遭雷电危害。

（3）运用科学有效的方法为环境自动监测站实施雷电防护，有效防御和减少雷电对环境监测站的危害，使环境监测设备和系统处于安全运行状态，发挥其应有的功能和作用，无论从技术经济的角度还是从经济效益分析都将产生良好的社会效益和经济效益。

参考文献：

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