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空氣自動監測站的防雷措施

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空氣自動監測站的防雷措施

1雷擊的形式與危害
雷擊有直擊雷和雷電電磁脈沖(LEMP)兩大 類形式。
直擊雷是雷電直接擊到物體上,由于瞬時的高 電壓、大電流產生的電效應、熱效應和機械力,造成 人畜的傷亡、房屋和設備的損壞等災害。
雷電電磁脈沖以電磁感應的方式損害電力電 子設備,形成災害。雷電脈沖的電流由幾萬到幾十 萬安培不等,而且從零到極大值的時間只為幾微 秒,因此,產生極大的瞬變電磁場。由于雷電電流 有極大峰值且陡變,所以在它的周圍會出現瞬變的 電磁場,處在瞬變電磁場中的導體就感應出較大的 電動勢,而且瞬變電磁場會在其空間一定范圍內, 產生電磁作用,或是脈沖電磁輻射,稱之為雷電電 磁脈搏沖(簡稱LEMP)。LEMP在三維的空間范 圍內對一切電子設備發生作用,因瞬變的時間極 短,感應的電壓極高,其電磁脈沖的強度往往超過 2.4 X10 4 T,F代電子技術日益向高精度、高靈敏 度、高頻率和高可靠性方向發展,可是這些電子設 備的耐壓很低,一般都承受不了 ±5 V的電壓波 動。以計算機為例,當雷電電磁脈沖的磁化強度超 過0.07 xl0"T時,就會導致數字門電路該翻轉的 沒有翻轉,而不該翻轉的數字脈沖翻轉,引起計算 機的誤動作;當雷電電磁脈沖的磁化強度超過2.4 x10-4T時,就會造成計算機的永久損壞"T。
雷電電磁脈沖有4種形式:一是雷電的靜電感 應。閃電時,強大的脈沖電流使放電通道周圍的各 種金屬體、輸電線和天線等導體表面上感應出與雷 云下部符號相反的電荷,閃電結束,放電通道中的 電荷迅速中和,而導體上的感應電荷還不能立即消 失,就會產生很高的靜電感應電壓,損壞設備;二是 雷電的電磁感應。閃電時,雷電流迅速變化,閃電 通道周圍空間產生瞬變的強電磁場,使附近導體上 感應出很高的電動勢,產生強大的電磁感應,此時, 如果導體有裂口,便會在斷開處產生火花放電,燒 壞設備;三是雷電過電壓波侵入。近處打雷時,雷 電過電壓波沿電源線、信號線、天線饋線、電話線和 金屬管路等竄入室內,發生閃擊,損壞電子設備;四 是電磁輻射。雷雨云放電時,所輻射的電磁波會影 響方圓數公里范圍內的電子設備。
空氣自動站中的電腦、PM,。分析儀、二氧化硫 分析儀、氮氧化物分析儀等精密儀器,大部分都是 釆用大規模集成的電路芯片,設備耐壓較低,不僅 直擊雷,而且感應過電壓、高電位的引入都會對分 析儀器造成嚴重的損壞?諝庾詣诱驹O備多從國外進口,價格昂貴,一旦遭受雷擊,就會使系統癱 瘓。因此,不僅經濟損失嚴重,而且造成空氣監測 數據的缺失,影響監測數據的系統性及完整性。蘇 州上方山空氣自動站2004年夏天遭雷擊,所有的 RS-232接口都被擊壞,數據轉換器、PM,。分析儀 CPU也被擊壞,直接經濟損失數萬元。
2侵入空氣自動站的途徑
雷擊造成空氣自動站設備損壞通常有3種 途徑。
(1)直接遭受雷擊而損壞。雷電直接擊在空 氣自動站站房及屋頂的空氣采樣頭、溫度傳感器及 風向風速儀上,因高電壓、熱效應和機械效應造成 儀器及站房的損壞。
(2)雷電脈沖沿著與設備相連的信號線、電源 線或其他金屬管線侵入空氣自動監測站,使連接在 線路中的分析儀器及數據采集器受損。由通信線 路入侵可分為3種情況:
(a)當地面突出物遭直擊雷擊時,強雷電壓將 鄰近土壤擊穿,雷電流直接入侵到電纜外皮,進而 擊穿外皮,使高壓入侵線路。
(b)雷云對地面放電時,在線路上感應出數千 伏的過電壓,擊壞與線路相連的電器設備,通過設 備連線還侵入通信線路。
(c)若通過一條多芯電纜連接不同來源的導 線,或者多條電纜平行鋪設時,當某一導線被雷電 擊中,會在相鄰的導線感應出過電壓,擊壞低壓電 子設備。
由電源線路入侵可分為兩種情況:(a)直擊雷 擊中高壓線路,經變壓器耦合到220 V低壓;(b) 低壓線路被直擊雷擊中,或感應雷感應過電壓。
(3)設備接地體在雷擊時,產生瞬間高電位, 形成地電位“反擊”而損壞。
空氣自動監測站發生的雷電災害基本上都是 由雷電脈沖侵入通信線及電源線而造成的。
3空氣自動監測站的防雷措施
按照防護范圍,可將空氣自動站設備的防雷措 施分為兩類,即外部防雷及內部防雷。外部防雷是 指對安裝二氧化硫分析儀、氮氧化物分析儀等精密 儀器的空氣自動站房的安全防護;內部防雷是指空 氣自動站內部儀器設備對過電壓的防護。
3. 1 外部防雷
按照GB50057-94建筑物防雷設計規范,對 空氣自動站安裝保護地線、避雷針或避雷帶等,可 將絕大部分能量直接引入地下釋放,基本上可保證 空氣自動站站房及屋頂的空氣釆樣頭、溫度傳感器 與氣象儀免受直擊雷的傷害。

但是,避雷針或避雷 帶不能保護自動站內部的電子設備免遭感應雷損 壞,保護地線只是一條泄放能量的渠道,而不能真 正防雷。
3. 2 內部防雷
為徹底保護空氣自動站設備的安全,應對空氣 自動站的電源線和信號線釆取多級防護措施。
(1)電源防護。第一級防護是在空氣自動 站供電系統入口處,安裝雷擊電流放電器。雷擊電 流放電器是專為吸收直擊雷和感應雷擊產生的大 電流和高能量雷電脈沖而設計的,可將大量的雷電 脈沖電流分流到大地。第二級防護是安裝在向重 要或敏感用電設備供電的分路配電設備處的過電 壓放電器。過電壓放電器對于通過空氣自動站供 電入口電流放電器的剩余能量進行更完善的吸收, 對于瞬態過電壓具有極好的抑制作用。第三級防 護是在儀器設備內部電源部分,使用一個內置式的 避雷保護器,以達到完全消除微小瞬態的瞬態過電 壓的目的。對于PM,0分析儀、二氧化硫分析儀等 分析儀器,采用第三級的保護是必要的。
(2)信號防護。數據通信和測控技術的接 口電路比供電系統要靈敏得多,所以必須對數據接 口電路進行保護。通信線路避雷技術要求較高,因 為除滿足防雷要求外,還需要保證傳輸數據符合要 求,加上與通信線相連的設備耐壓低,對防雷器件 的殘壓要求嚴格。信號保護通常采用三級保護,第 一級防護是在調制解調器前,安裝ZGB235H系列 調制解調器避雷器;第二級防護是在計算機前,安 裝ZGB235D系列計算機信號避雷器;第三級防護 是在二氧化硫分析儀、氮氧化物分析儀等監測設備 的RS-232接口前,安裝數字電路保護器。
另外,為保障建筑物有良好的接地,將室內的 各種金屬物體進行等電位連接,并與建筑物的防雷 接地系統相連接,形成一個電氣連續的整體,避免 由于電位差而危害設備。

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