水质自动监测站综合防雷技术研究
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摘 要：基于建筑物雷击风险评估方法，得出本地可能遭受到的雷击形式和雷电破坏电子设备途径。以鸭绿江丹东江桥水质自动监测站综合防雷系统工程设计与施工为基础，对水质自动监测站外部、内部综合防雷技术体系进行阐述，通过现代防雷技术方法，有效降低监测设备因雷击而产生的故障率、最大限度预防和减少雷击所发生的人身伤亡和国家财产损失。
关键词：水质监测; 雷击风险; 综合防雷; 风险评估
中图分类号：TN98-34文献标识码：A文章编号：1004-373X(2011)21-0152-05
Research on Integrated Lightning Protection Technology of
Automatic Water Quality Monitoring Station
FAN Xi-bin1， YU Miao2， LIANG Tie-jun3
(1.Dandong Meteorological Bureau, Dandong 118000, China; 2.Anshan Meteorological Bureau, Anshan 114000, China;
3.Dandong Municipal Environmental Monitoring Center, Dandong 118000, China)
Abstract：
According to the method of building lightning risk assessment, ways of local lightning and means that lightning damages to electronic devices are obtained. Based on the design and construction of integrated lightning protection system of Yalu River automatic water quality monitoring stations in Dandong, external and internal integrated lightning protection system of automatic water quality monitoring stations is illustrated. Through methods of modern lightning protection technology, the failure rate generated from monitoring equipment stuck by lightning can be effectively reduced, the body injuries, deaths and the loss of state property led by lightning can be maximally prevented and reduced.
Keywords： water quality monitoring; lightning risk; integrated lightning protection; risk assessment
0 引 言
水质自动监测站是以自动分析仪器为核心，运用自动监测、自动控制、计算机应用等技术以及相关专用分析软件和通信网络组成的综合性自动监测系统。
通过对水质的实时连续监测和远程控制，可以达到及时掌握主要流域重点断面水体的水质状况、实现预警预报重大或流域性水质污染事故、解决跨行政区域的水污染事故纠纷、监督总量控制制度落实情况及排放达标情况等，对国家环境保护主管机构及时做出有效的水污染防治和管理对策等方面均具有重要的意义。
监测站的室内监测设备通过电源线、信号线与室外直接联系，系统的传感器、部分通信设备工作在野外，站房本身处于防雷区域的LPZ0区，它们都必然会受到雷电的影响。自动分析仪器大量应用微电子集成器件，其耐压程度很低，雷电感应产生的过电压过电流很容易对它们造成破坏性的损坏。近年来，随着科学技术的不断创新发展，对防雷问题的认识也日益完善，正确、合理的综合防雷技术措施将明显降低雷电灾害带来的影响，最大限度地预防和减少人们的生命和国家财产的损失。
本文以鸭绿江丹东自动监测站为案例，采用雷击风险评估的方法，重点计算该站建筑物和室内监测设备是否满足防雷安全和可靠运行需求，然后提出综合防护对策，目的是对水质自动监测站的防雷技术进行初步研究，为自动站的防雷工程设计提供参考，同时对其他水质自动监测站如何进行雷电防护具有一定的实际指导意义。
1 水质自动监测站基本信息
丹东市水质自动监测站系统构成如图1所示,位于振安区太平前街水厂内(124°26′12″E，40°9′30″N)，自动站名称为“鸭绿江丹东江桥”，所在流域为鸭绿江流域。
该站于2003年底安装调试验收，同年投入运行使用，能自动监测鸭绿江下游水温、pH值、浊度、电导、溶解氧、氨氮、总有机碳等7个水质监测项目。系统具备24 h连续采集、自动处理、自动传输、直观显示、自动报警、设备运转状态管理等功能，可以获得连续监测数据，并实时将监测数据传输到中国环境监测总站，为全面、科学、真实反映鸭绿江流域下游水质情况，保障丹东城市供水安全提供有效的监督手段。
图1 水质自动监测站系统构成图
2 水质自动监测站雷击风险评估
2.1 雷电活动概况
(1) 雷暴日数。丹东地处辽东半岛东南部，濒临黄海北部，降水量较多，是东北地区降水量最多地区，年平均降水量为881.3～1 087.5 mm。选取丹东市1981―2010年(30 a)气象资料统计雷暴日数，丹东地区年平均雷暴日为27.3 d，最多39 d(1995年)，月平均雷暴日数为7 d，最高达19 d,如图2所示，雷暴主要集中在4―11月，7、8月份为多发期，月平均雷暴日数超过10 d，高达18.5 d，单位面积上的闪电数高于辽宁省平均水平，是辽宁省两个雷电高发区之一，属国家规定的高雷区范围，每年因雷电灾害所造成的直接经济损失巨大，并有人畜伤亡记录。丹东市雷暴日年均分布规律如图3所示。
图2 丹东市雷暴日月均分布规律
图3 丹东市1981―2010年雷暴日年均分布规律图
(2) 雷电变化规律。卢秉红等对丹东地闪特征进行了研究［1］，得出丹东雷电主要活动期为4―11月份，地闪次数占全年地闪次数的94.1％，其中5―10月份为地闪高发期，8月为地闪活动最活跃期。丹东正、负地闪峰值电流强度分别为27.1 kA和-22.1 kA，丹东地区逐月地闪参数见表1。
2.2 土壤电阻率测定
采用K-2 127B数字式智能接地电阻综合测试仪，在监测站附近均匀选取3个点进行测试［2］，分别取接地极间距离a=4,5,6 m,经多轮测试，计算测试数据可得土壤平均电阻率ρ＝179.6 Ω•m，最大值为320.6 Ω•m，最小值为89.2 Ω•m，该结果为设计接地装置时提供参考数据。
2.3 年预计雷击次数的估算
按照建筑物年预计雷击次数公式［3］：
И
И
式中：N为建筑物年预计雷击次数(单位为次/a)；k为校正系数(因监测站位于江边，取值为1.5)；Ng为建筑物所处地区雷击大地的年平均密度(单位为次／(km2•a))，由下式确定：
И
И
式中：L,W,H分别为建筑物的长、宽、高度(单位为m),将监测站的长宽高等实测数据代入公式计算出┆Ng=1.766 9,Ae=0.028,N=0.074次/a。根据GB50343-2004［3］,确定鸭绿江丹东江桥站应按三类防雷建筑物进行外部防雷设计建设。
2.4 建筑物雷击风险评估
率。
(1) 直接雷击建筑物(损害成因S1)风险分量的评估:
人畜伤害(D1)风险分量：RA=NDPALA；
物理损害(D2)风险分量：RB=NDPBLB；
内部系统故障(D3)风险分量：RC=NDPCLC；
(2) 雷击建筑物附近(损害成因S2)风险分量的评估：
内部系统故障(D3)风险分量：RM=NMPMLM；
(3) 雷击入户线路(损害成因S3)风险分量的评估：
人畜伤害(D1)风险分量：RU=(NL+N┆Da)PULU；
物理损害(D2)风险分量：RV=(NL+N┆Da)PVLV；
内部系统故障(D3)风险分量：RW=(NL+NDa)PWLW；
(4) 雷击入户线路附近(损害成因S4)风险分量的评估：
内部系统故障(D3)风险分量：
RZ=(NI-NL)PZLZ;
不同来源导致的不同损害类型的建筑物风险组成见表2。
2.5 信息系统雷击风险评估
按建筑物年预计雷击次数N1和建筑物入户设施年预计雷击次数N2确定N(单位：次/a)值［5］:
И
建筑物电子信息系统设备，因直击雷和雷电电磁脉冲损坏可接受的年平均最大雷击次数NC(单位：次/a)可按下式计算：
И
将N和NC进行比较，确定电子信息系统设备是否需要安装雷电防护装置：
当N≤NC时，可不安装雷电防护装置，当N＞NC时，应安装雷电防护装置。
按防雷装置拦截效率E的计算式E＝I-NC/N确定其雷电防护等级：
当E＞0.98时，定为A级；当0.90＜E≤0.98时，定为B级；当0.80＜E≤0.90时，定为C级；当E≤0.80时，定为D级。
2.6 评估结论
根据监测站的实际测量数字评估计算［6］:建筑物年预计雷击次数;建筑物附近的年预计雷击次数;建筑物入户设施上的年预计雷击次数;雷击线路附近地面的年平均雷击次数,计算出直接雷击风险值和间接雷击风险值，得出该站的建筑物不能满足自动监测设备的安全和可靠运行需求，不能满足避免人身伤亡及减少财产损失的要求，必须对该站设计建设综合防雷保护系统。
鉴于鸭绿江水质自动监测站紧临鸭绿江，地闪密度较高，雷电流强度强，建议提高防雷级别，按二类防雷建筑物进行设计，室内自动监测设备系统雷电防护等级宜按B级进行设计。
3 水质自动监测站防雷工程设计
杨晓东提出雷电灾害的三种形式［7］：直接雷击、感应雷击、雷电波侵入，邵平、陈新加等采用综合防雷技术措施［8-11］,如图4所示,根据上述雷击风险评估结果确定监测站防雷设计。
图4 水质自动监测站综合防雷技术
3.1 外部防雷设计
外部防雷主要是接闪器、引下线、屏蔽、接地装置等。
3.1.1 接闪器设计
在监测站建筑物四周明敷避雷带，四角设1.5 m高避雷短针，屋面明敷避雷网格，避雷网格不大于10 m×10 m或8 m×12 m。为避免日后维修，建议采用不锈钢材质。接闪器材料采用统一规格，避雷短针为│12 mm，避雷带、避雷网格为Φ10 mm，支撑架表面积不小于45 mm2，带高应不小于150 mm。突出屋面金属物(包括金属栏杆)应与屋面防雷装置可靠连接，连接点不应少于两处，连接带采用镀锌扁钢40 mm×4 mm。
接闪器及其附属设施上严禁敷设或悬挂电话线、网络线、广播线、电视天线和低压架空线路。
3.1.2 引下线设计
引下线利用建筑物钢筋混凝土柱或剪力墙中对角两条直径不小于Φ12 mm的主筋或钢结构柱作为引下线，并沿建筑物四周对称设置，将作为接闪器的避雷带按不小于18 m的间距焊接在引下线上，在室内外适当位置设若干与柱内钢筋相连的连接板，供测量、外接人工接地体和作等电位连接时使用，设置高度不小于300 mm，焊接点采取防腐措施。
3.1.3 屏蔽设计
为减低雷电电磁脉冲对监测站内部电子信息设备和电气线路的影响，宜充分利用建筑物结构钢筋构成法拉第笼以达到良好屏蔽效果。由建筑物各层外圈梁内两条结构主筋通长焊接构成的均压环就近与引下线等电位连接而构成法拉第笼，法拉第笼屏蔽网格不宜大于5 m×5 m。因监测站建筑物已经建成，可以不考虑建筑物屏蔽。
3.1.4 接地装置设计
新建建筑物接地装置优先采用闭合环形网格状地网，充分利用建筑物桩、承台、基础内的结构钢筋构成自然接地装置。
每桩利用结构主筋中对角两根主筋作为垂直接地体，沿桩身每隔2 m利用箍筋将桩基主筋焊接连通构成钢筋笼。利用基础结构梁两条主筋焊接构成不大于10 m×10 m或12 m×8 m的接地网格。
将地下部分结构外圈梁内两条主筋焊接连通作为环形接地装置，并与引下线焊接连通
天然地基基础宜利用结构梁内两条主钢筋焊接构成网状接地装置，要求接地装置网格小于10 m×10 m或12 m×8 m为宜,接地电阻不大于10 Ω。
独立柱基础在柱基础利用结构主筋中对角2根主筋作为垂直接地体，无地梁处敷设40 mm×4 mm的热镀锌扁钢焊接连通构成不大于10 m×10 m或12 m×8 m的接地网格。要求共用接地装置的工频接地电阻值不大于1 Ω。
由于监测站站房已经建成，经检测接地电阻不符合国家标准，应设计辅助接地装置。接地装置(地网)由水平地极和垂直地极组成，水平地极采用40 mm×4 mm镀锌扁钢，垂直地极采用镀锌钢管、非金属接地模块和紫铜电解离子接地极，同时合并使用降阻剂，接地装置的接地电阻不大于10 Ω。
3.2 内部防雷设计
结合防雷区的划分情况，综合运用屏蔽与隔离、等电位连接和接地、合理布线、安装SPD等防雷措施，对各类电子信息系统进行综合雷电防护。
3.2.1 屏蔽与隔离设计
室内电磁屏蔽室的主要功能是隔离外界电磁干扰，保证室内电子、电气设备正常工作，对于水质监测站，可暂不设屏蔽室。但交流低压配电系统，需要采取相应的屏蔽措施，可在入户电缆上方约300 mm处敷设两条与电缆平行且截面积不小于50 mm的镀锌钢线，将电缆线路每隔一定距离做接地。
3.2.2 等电位连接及接地的设计
监测站站房采取总等电位连接和局部等电位连接措施，在LPZ0A或LPZ0B与LPZ1交界处设置总等电位接地端子板，总等电位接地端子板应与共用接地装置连接，并通过接地干线引至局部等电位接地端子板，等电位连接网络与接地装置可靠连接。
监测站内监测设备、金属线槽(管)、屏蔽电缆金属屏蔽层、光缆加强芯、光缆金属屏蔽层、光端设备金属外壳等进行等电位连接和接地。所有进、出建筑物的导电物均应在LPZ0A区或LPZ0B区与LPZ1区的交界处做等电位连接，并接地。进、出建筑物的架空金属管道，距离建筑物100 m以内部分，应每隔约25 m接地┮淮危其冲击接地电阻值应不大于10 Ω。
3.2.3 合理布线
在敷设监测站的供电电缆、通信信号电缆、控制电缆时应避开防雷引下线等LEMP强的区域，无法避开时，应采取屏蔽措施。
各种电缆屏蔽层两端接地，长度小于15 m的屏蔽电缆可只在室内接地；采用非屏蔽电缆时，宜穿金属管埋地敷设。
3.2.4 浪涌保护器设计
自动监测系统应安装三级浪涌保护器SPD防雷电过电压SPD。第一级安装在配电系统总出线处(配电盘)；┑诙级安装在各系统供配电柜(UPS电源前)内；┑谌级安装在微电子设备前端。各级SPD通流量分别为：第一级不小于60 kA(10/350 μs)，第二级不小于40 kA(8/20 μs)(限压型)，第三级不小于20 kA(8/20 μs)(限压型)。
SPD连接导线应平直，其长度不大于0.5 m，受条件限制时，可采用凯文接线法，接地线长度应不大于1 m。当电压开关型浪涌保护器至限压型浪涌保护器之间的线路长度小于10 m，限压型浪涌保护器之间的线路长度小于5 m时，在两级浪涌保护器之间应加装退耦装置。当浪涌保护器具有能量自动配合功能时，浪涌保护器间的线路长度不受限制。
3.3 静电防护设计
监测站机房内活动地板表面导静电性能良好，严禁金属部分，工作台面及座椅垫套应使用导静电材料，体积电阻率应为3.0×107～3.0×1010 Ω•cm。工作间不用活动地板时，可辅设导静电地面，导静电地面采用导电胶与地面粘牢。导静电地面的体积电阻率应为3.0×107～3.0×1010 Ω•cm，机房内的导体必须与大地作可靠连接，不得有对地绝缘的孤立导体。
4 结 论
为预防和减少水质自动监测站房和自动监测设备不受雷击损害，保证监测设备安全可靠稳定运行，必须对其进行外部和内部等综合雷电防护，确保人身安全和国家财产免受损失。
在水质自动监测站综合防雷保护工程设计前，应进行雷击风险评估。雷击风险评估是雷电灾害评估、统计、鉴定、雷电防护工程设计审核、施工监督、竣工验收、检测等工作的科学依据，是防雷工程广泛和深入发展的需要，也是科学防雷、技术防雷、安全防雷、经济防雷的一项重要基础性工作。
投入运行的防雷装置应日常维护与周期性检测相结合，雷雨季节检测外部防雷装置的电气连接性，检测室内防雷设施和设备金属外壳、机架的等电位连接，对防雷装置的设计、施工、隐蔽工程图纸资料、年检测试记录等及时归档，妥善保管。
参考文献
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作者简介：
樊希彬 男，1969年出生，辽宁丹东人，工程师。主要研究方向为防雷行政管理、防雷装置检测技术、防雷安全评估及理论研究等。