水质自动监测站防雷措施探讨

徐金美

摘 要 近年来，随着国家在水资源治理方面的不断加大投入，各地兴建了数量众多的水质自动监测站。得益于通信技术的迅猛发展和廣泛应用，水质监测站普遍实现了自动化监测功能。水质监测站局域站点分散、雷电环境恶劣、系统集成化程度高等的特点，雷电危害已成为水质监测站运行安全的重要威胁。对水质自动监测站的防雷应依据现代防雷理论和手段，采取综合防护措施，从而达到防止或减少雷击引发的设备损失及系统错误运行，做到系统安全可靠运行。

关键词 水质监测站;防雷;自动化

引言

水质自动监测站组成有站房、供配电设施、采样设备和传感器设备、数据分析设备、数据传输设备等组成。建站考虑便于采样的原则，自然水域的水质自动监测站往往建设在河道、湖库的进水口或出水口处，这些地方往往地市开阔、处于土壤水陆交接的电阻率突变处，易诱发空间雷电放电。同时，组成系统设备的大多是工作电压低的电子设备，承受雷击的能力普遍较弱，雷电对设备的安全运行存在严重的威胁。根据近几年收集到的水质自动监测站的雷击事故实例，主要是雷击电子设备事故和主控制系统、视频监控系统设备等雷电事故，占水质自动监测站系统雷击事故 90%以上，而电源引起的事故又占雷击事故的 80%。因此，水质自动监测站的防雷对象，主要是内部电子系统设备[1]。

1水质自动监测站雷电的危害形式及其特征

（1）直接雷击。《建筑物防雷设计规范》GB50057-2010附录A：建筑物年预计雷击次数相关计算说明中，将校正系数k定义“位于河边、湖边、山坡下或山地中土壤电阻率较小处、地下水露头处、土山顶部、山谷风口等处的建筑物，以及特别潮湿的建筑物取1.5”。也就是说同样大小的建筑，水质自动监测站因其所处位置因素，其雷击发生的概率已经比一般场所高出50%。当然在做水质自动监测站防雷设计时，还应结合当地的年平均雷暴日数据，对站房的直击雷防护进行科学评估。

（2）接地系统。接地是通过设置金属导体，将雷电能量通过金属导体及时泄放入大地。良好的接地系统可保证系统的正常运行，同时有效降低接地引线上的感应过电压，避免形成二次反击。由于水质自动监测站选址多位于远离市区的河道、湖库周边，土壤电阻率普遍不均匀，给接地降阻带来一定难度。

（3）雷电感应和电磁脉冲侵入。雷电感应的形式有两种：静电感应和电磁感应。雷雨云形成过程中，会在云层附近的金属线路、金属构件上感应与雷雨云底部电荷极性相反的静电电荷，这称为静电感应，静电感应电压可高达数十千伏。雷击发生时，引下线泄流过程中会产生感应磁场，感应磁场会对其附近金属线路耦合形成感应电场。静电感应和电磁感应形成的电磁脉冲会沿线路和金属构件侵入室内设备，造成与之相连的设备击穿。

（4）地电位反击。雷击发生时，雷击点瞬间产生的高电压、强电流会使接地线和接地装置的电位骤然升高到数十千伏至上百千伏，造成防雷引下线与其附近其他金属线缆、管道、设备间放电，产生反击高电压和强电流，造成设备损坏[2]。

2水质自动监测站防雷设计分析

（1）接闪器。水质自动监测站可按三类防雷建筑物进行防直击雷设计。一般采用接闪带作为防直击雷装置。当站点所处雷电环境比较恶劣时，在确保安全距离的情况下，可设置独立接闪针对站房进行直击雷防护。接闪针距离站房及相关设备距离应不小于3米，接闪针保护范围按第三类防雷建筑的滚球法计算，其保护范围应覆盖全站。接闪器的引下线应就近与接地体可靠连接，引下线的走向应尽量远离其他进站的电源线路和信号线路。

（2）接地装置的设计。水质监测站的接地宜选用共用接地方式。接地装置优先采用环型闭合人工地网。环型地网可以有效均衡雷电流入地时的地电位电压。建筑接地引下线和设备接地引入线应设置于站房两侧，从而有效降低电位反击的可能。采用40mmx4mm热镀锌扁钢作为水平接地体，间隔5米设置一组THG-JB1垂直接地体组成。共用接地装置接地电阻宜不大于4欧姆。

（3）屏蔽。为减少雷电的感应效益，应采用必要的屏蔽处理措施。屏蔽的作用是将外部雷电感应和静电感应能量与室内连接设备之间做个截断。结合自动监测站信号收发接收装置的实际情况将机房内电源电缆、信号电缆、光缆等线路的金属屏蔽层就近与接地装置可靠连接;同时，建筑物金属门窗通过6mm?黄绿铜绞线就近与接地装置可靠连接。

（4）防雷等电位连接。考虑到水质监测站面积较小，设备集中，同时为保证接地的可靠性，对站房实施等电位连接时兼顾可靠性和有效性。在站房内设备集中区域采用30mm×3mm的铜排设置一条等电位连接带，等电位连接带两端分别与室外地网通过铜绞线可靠连接，两点接地方式保证了接地的可靠性。站房内的机柜、配电箱、采样设备、分析设备、网络设备、防雷电涌保护器、线路屏蔽地线等通过接地线直接连接到等电位连接带上。每台设备应对角连接两个点，保证其接地可靠性。

（5）电源系统的防护。电源电涌保护器选型应基于承受雷电流能量和保护后续设备两个原则。由于水质监测站普遍处于旷野中，比较孤立，雷击电磁脉冲不能得到有效衰减。因此电源第一级电涌保护器应选择实验波形10/350μs的抗直接雷击能量的产品。在监测站入户总配电箱内安装一级电源电涌保护器，其冲击放电电流Iimp（10/350μs）：≥12.5kA，Up：≤2.5kV。第一级电涌保护器主要作用是泄放大部分线路雷电能量，电源二级电涌保护器要兼顾后续设备保护，因此其残压值要求应尽量小。在监测站设备配电箱内安装实验波形8/20μs的产品，标称放电电流In（8/20μs）：≥20kA，Up：≤1.5kV。电源电涌保护器安装工艺应符合相关规范标准要求[3]。

3结束语

水质自动监测站看似很小，其实“五脏俱全”。无人值守和自动监测使得站点遭受雷击后不能第一时间处理，往往会造成监测数据中断和设备恢复延误，因此更有必要针对这类站点进行系统综合防护，将雷击灾害减少到最低。

参考文献

[1] 建筑物防雷设计规范：GB50057-2010[S].北京：中国标准出版社，2010.

[2] 建筑物电子信息系统防雷技术规范：GB50343-2012[S].北京：中国标准出版社，2012.

[3] 杜军，何志江，王平娃.水文站防雷问题初探[J].气象水文海洋仪器，2002（4）：24-28.