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    空气自动监测站的防雷措施

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    空气自动监测站的防雷措施

    1雷击的形式与危害
    雷击有直击雷和雷电电磁脉冲(LEMP)两大 类形式。
    直击雷是雷电直接击到物体上,由于瞬时的高 电压、大电流产生的电效应、热效应和机械力,造成 人畜的伤亡、房屋和设备的损坏等灾害。
    雷电电磁脉冲以电磁感应的方式损害电力电 子设备,形成灾害。雷电脉冲的电流由几万到几十 万安培不等,而且从零到极大值的时间只为几微 秒,因此,产生极大的瞬变电磁场。由于雷电电流 有极大峰值且陡变,所以在它的周围会出现瞬变的 电磁场,处在瞬变电磁场中的导体就感应出较大的 电动势,而且瞬变电磁场会在其空间一定范围内, 产生电磁作用,或是脉冲电磁辐射,称之为雷电电 磁脉搏冲(简称LEMP)。LEMP在三维的空间范 围内对一切电子设备发生作用,因瞬变的时间极 短,感应的电压极高,其电磁脉冲的强度往往超过 2.4 X10 4 T。现代电子技术日益向高精度、高灵敏 度、高频率和高可靠性方向发展,可是这些电子设 备的耐压很低,一般都承受不了 ±5 V的电压波 动。以计算机为例,当雷电电磁脉冲的磁化强度超 过0.07 xl0"T时,就会导致数字门电路该翻转的 没有翻转,而不该翻转的数字脉冲翻转,引起计算 机的误动作;当雷电电磁脉冲的磁化强度超过2.4 x10-4T时,就会造成计算机的永久损坏"T。
    雷电电磁脉冲有4种形式:一是雷电的静电感 应。闪电时,强大的脉冲电流使放电通道周围的各 种金属体、输电线和天线等导体表面上感应出与雷 云下部符号相反的电荷,闪电结束,放电通道中的 电荷迅速中和,而导体上的感应电荷还不能立即消 失,就会产生很高的静电感应电压,损坏设备;二是 雷电的电磁感应。闪电时,雷电流迅速变化,闪电 通道周围空间产生瞬变的强电磁场,使附近导体上 感应出很高的电动势,产生强大的电磁感应,此时, 如果导体有裂口,便会在断开处产生火花放电,烧 坏设备;三是雷电过电压波侵入。近处打雷时,雷 电过电压波沿电源线、信号线、天线馈线、电话线和 金属管路等窜入室内,发生闪击,损坏电子设备;四 是电磁辐射。雷雨云放电时,所辐射的电磁波会影 响方圆数公里范围内的电子设备。
    空气自动站中的电脑、PM,。分析仪、二氧化硫 分析仪、氮氧化物分析仪等精密仪器,大部分都是 釆用大规模集成的电路芯片,设备耐压较低,不仅 直击雷,而且感应过电压、高电位的引入都会对分 析仪器造成严重的损坏。空气自动站设备多从国外进口,价格昂贵,一旦遭受雷击,就会使系统瘫 痪。因此,不仅经济损失严重,而且造成空气监测 数据的缺失,影响监测数据的系统性及完整性。苏 州上方山空气自动站2004年夏天遭雷击,所有的 RS-232接口都被击坏,数据转换器、PM,。分析仪 CPU也被击坏,直接经济损失数万元。
    2侵入空气自动站的途径
    雷击造成空气自动站设备损坏通常有3种 途径。
    (1)直接遭受雷击而损坏。雷电直接击在空 气自动站站房及屋顶的空气采样头、温度传感器及 风向风速仪上,因高电压、热效应和机械效应造成 仪器及站房的损坏。
    (2)雷电脉冲沿着与设备相连的信号线、电源 线或其他金属管线侵入空气自动监测站,使连接在 线路中的分析仪器及数据采集器受损。由通信线 路入侵可分为3种情况:
    (a)当地面突出物遭直击雷击时,强雷电压将 邻近土壤击穿,雷电流直接入侵到电缆外皮,进而 击穿外皮,使高压入侵线路。
    (b)雷云对地面放电时,在线路上感应出数千 伏的过电压,击坏与线路相连的电器设备,通过设 备连线还侵入通信线路。
    (c)若通过一条多芯电缆连接不同来源的导 线,或者多条电缆平行铺设时,当某一导线被雷电 击中,会在相邻的导线感应出过电压,击坏低压电 子设备。
    由电源线路入侵可分为两种情况:(a)直击雷 击中高压线路,经变压器耦合到220 V低压;(b) 低压线路被直击雷击中,或感应雷感应过电压。
    (3)设备接地体在雷击时,产生瞬间高电位, 形成地电位“反击”而损坏。
    空气自动监测站发生的雷电灾害基本上都是 由雷电脉冲侵入通信线及电源线而造成的。
    3空气自动监测站的防雷措施
    按照防护范围,可将空气自动站设备的防雷措 施分为两类,即外部防雷及内部防雷。外部防雷是 指对安装二氧化硫分析仪、氮氧化物分析仪等精密 仪器的空气自动站房的安全防护;内部防雷是指空 气自动站内部仪器设备对过电压的防护。
    3. 1 外部防雷
    按照GB50057-94建筑物防雷设计规范,对 空气自动站安装保护地线、避雷针或避雷带等,可 将绝大部分能量直接引入地下释放,基本上可保证 空气自动站站房及屋顶的空气釆样头、温度传感器 与气象仪免受直击雷的伤害。

    但是,避雷针或避雷 带不能保护自动站内部的电子设备免遭感应雷损 坏,保护地线只是一条泄放能量的渠道,而不能真 正防雷。
    3. 2 内部防雷
    为彻底保护空气自动站设备的安全,应对空气 自动站的电源线和信号线釆取多级防护措施。
    (1)电源防护。第一级防护是在空气自动 站供电系统入口处,安装雷击电流放电器。雷击电 流放电器是专为吸收直击雷和感应雷击产生的大 电流和高能量雷电脉冲而设计的,可将大量的雷电 脉冲电流分流到大地。第二级防护是安装在向重 要或敏感用电设备供电的分路配电设备处的过电 压放电器。过电压放电器对于通过空气自动站供 电入口电流放电器的剩余能量进行更完善的吸收, 对于瞬态过电压具有极好的抑制作用。第三级防 护是在仪器设备内部电源部分,使用一个内置式的 避雷保护器,以达到完全消除微小瞬态的瞬态过电 压的目的。对于PM,0分析仪、二氧化硫分析仪等 分析仪器,采用第三级的保护是必要的。
    (2)信号防护。数据通信和测控技术的接 口电路比供电系统要灵敏得多,所以必须对数据接 口电路进行保护。通信线路避雷技术要求较高,因 为除满足防雷要求外,还需要保证传输数据符合要 求,加上与通信线相连的设备耐压低,对防雷器件 的残压要求严格。信号保护通常采用三级保护,第 一级防护是在调制解调器前,安装ZGB235H系列 调制解调器避雷器;第二级防护是在计算机前,安 装ZGB235D系列计算机信号避雷器;第三级防护 是在二氧化硫分析仪、氮氧化物分析仪等监测设备 的RS-232接口前,安装数字电路保护器。
    另外,为保障建筑物有良好的接地,将室内的 各种金属物体进行等电位连接,并与建筑物的防雷 接地系统相连接,形成一个电气连续的整体,避免 由于电位差而危害设备。

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