环境监测站综合防雷设计参考方案

来自星雷电气-防雷系统设计组 http://www.csxl-electric.com/

[摘要]环境保护监测先行，自动化、信息化是做好环境监测的前提和保障，而做好环境保护监测站的防雷工作是保证监测站安全工作的前提和保障。环境监测站的防雷应认真考察其所在环境和雷电活动规律以及监测站特点等情况的基础上，详细研究防雷装置的形式及其布置，如直击雷的防护、闪电电涌入侵的防护、等电位处理及接地等，做到最大程度的维持监测站安全运行，减少乃至避免雷击所带来的直接或间接损害。
　　[关键词]环境监测站综合防雷

理论设计依据：

[1] 《建筑物防雷设计规范》GB50057-2010.
　　[2] 《建筑物电子信息系统防雷技术规范》GB50343-2012.
　　　引言
　　空气监测指对存在于空气中的污染物质进行定点、连续或定时的采样和测量。一般在一个城市设立若干个空气监测点，安装自动监测的仪器作连续自动监测，将监测结果定期取回，加以分析并得到相关的数据。
　　环境保护监测先行，自动化、信息化是做好环境监测的前提和保障，随着国家制定的各种环境保护政策及法规的颁布实施，各级地方政府在对辖区内的环境治理日益重视的同时，加大了对环境监测及应急监测的投资力度，各地区陆续规划安装了环境监测站。
　　如今，环境监测技术进入自动化、计算机化，发达国家相继建立全国性的自动化监测网络，监测站内电子设备精度提高、数量增多，又由于监测站站点的选择一般位于建筑物楼顶或其他较高点，这些都导致了雷击事故发生概率及损失的增加，为保护保护仪器不受干扰和破坏，造成工作延误或者损坏监测仪器，安装防雷保护措施已必不可少。
　　一、监测站的普遍现场情况
　　1.1 监测站所处环境
　　环境空气质量自动监测站因监测结果准确性的需要，其周围不会具有明显遮挡改变风向的结构或建筑存在，同时有不可太远离地面，因此监测站选点一般位于3-8层高的建筑物楼顶。
　　监测站周围的环境情况根据站点选点位置的不同而不同，如地理地貌、雷电活动规律、地质等情况。
　　1.2 监测站基本情况
　　监测站一般是以轻钢为骨架，工字钢作为承重结构，泡沫金属夹芯板为维护材料的活动板房；监测站本身长6米、宽4米、高3米，侧面安装有金属扶梯，顶部四周安装有高1米的金属护栏，内部地面安装静电地板。
　　监测站内部分为休息间与设备间，设备间内布置3台2000*1000*600mm的设备机柜，监测设备均安装在机柜内，包括PM2.5自动检测仪、PM10自动检测仪、SO2自动监测仪、NO-NO2-NOX自动监测仪、O3自动监测仪、CO自动监测仪、气象五参数监测仪、多元气体动态校准仪、零气发生器、子站工控机、网络配套设备等。
　　一般而言监测站配电为三相四线制，就近引自其所在建筑或专线引入。监测站设置总断路器控制监测站的通断电，该断路器有时直接设置在取电处，有时设置在监测站外部的配电箱内；配电线路经断路器后引入监测站内部的总配电盒，由总配电盒和分引自空调、照明、分配电盒；监测站总配电盒位于休息间，分配电盒位于设备间控制设备用电。
　　监测站所有对外信号传输均通过单独的1条网络线路，该网络就近引自其所在建筑，当条件不允许时选择专用线路；网路总线根据实际情况选择六类双绞线或光钎，并安装相应的网络配套设备。
　　监测站外部安装气象五参数采样仪、空气采样总管、PM10采样管，均通过一组RS232/485数字线引至监测站内相应设备接口上；空气采样总管、PM10采样管安装于监测站顶部，其长度为1.2米左右，气象五参数采样仪安装在监测站侧面，其长度为3.8米。
　　二、监测站的防雷分类及分级
　　2.1 监测站的防雷分类
　　由于环境空气质量自动监测站一般建设在其他建筑物楼顶，不管是监测站遭受雷击的可能性还是后果都无法避免其所在建筑物本身特性所造成的影响，而且依据GB50057-2010《建筑物防雷设计规范》的4.5.2条，监测站的防雷分类应与其所在建筑物的防雷分类一致，实际上大多数情况均为第三类防雷建筑物。
　　2.2 监测站的防雷分级
　　监测站的防雷分级依据GB50343-2012《建筑物电子信息系统防雷技术规范》的4.3.1条确定，将其雷电防护等级划分为D级。
　　三、监测站的直击雷防护
　　3.1 接闪器
　　在设计监测站的接闪器时，我们需先考虑以下几点：
　　⑴由于监测站一般选点在其他建筑物楼顶，在进行接闪器的设计时，应该注意我们的保护对象为监测站而不是含监测站在内的其所在建筑物这个整体这一点，因此我们可以将监测站所在建筑物屋顶视为地面处理即可接闪部位，而建筑物屋顶是否会遭受雷击属于该建筑物的防雷，不包含在监测站防雷设计考虑内容之内。
　　⑵在雷云对地放电时，强大的雷电流从雷击点注入被击物体，由于雷电流幅值高达数十至数百千安，其热效应可以在雷击点局部范围内产生温度高达6000-10000℃，而监测站的维护结构选择的是泡沫金属夹芯板，若被雷电直接击中即使其外层金属不被融化，雷击点处产生的高温也会使内部泡沫燃烧引发火灾，因此监测站本身不能作为接闪器。
　　根据以上两点，选择安装单支的接闪杆作为接闪装置是最为经济合理的，该接闪杆只需其保护范围能够覆盖监测站及气象五参数采样仪、空气采样总管、PM10采样管即可，可以直接安装在监测站上方，但监测站、各采样仪管以及接闪器之间必须有良好的电气连通；一般而言该接闪杆相对于监测站所在建筑物屋顶的高度为7.5米即可，此时接闪杆的保护范围及其计算如下：
　　①首先确认有关的计算数据：以监测站所在建筑物楼顶为等效地面即零参考平面，监测站按第三类防雷建筑物设计，此时滚球半径hr=60米，接闪杆的高度h=7.5米，监测站高度hx1=4米，气象五参数采样仪高度hx2=3.8米，采样管高度hx3=4.2米。　　②通过公式计算接闪杆在相应高度上的保护范围：
　　③通过上述公式计算的结果rx1=7.506米，rx2=8.034米，rx3=6.993米
　　④确认各高度所需最大保护范围：该范围与实际安装位置有关，但是监测站对角长度L=6.708米，与rx1比较可以看出接闪杆可以覆盖被保护物
　　⑤虽然该接闪杆可满足保护要求，但其安装位置应在下图阴影位置内：
　　3.2 接地装置
　　监测站直击雷防护部分的接地装置需要根据其所在建筑物的结构、周围环境来决定，可以分为两类：
　　⑴能够从其所在建筑物上直接获得接地
　　接地属于这一类的监测站，大致可以分成两种情况，一为其所在建筑物本身结构特点使得本身具有接地装置，如钢筋混泥土框架结构，此时直接从建筑物主筋处引出金属部分即可；二为其所在建筑物本身结构无接地，但后来安装了有接地效果的装置，如砖混结构建筑后来安装了接闪带，此时接闪杆的接地直接连接到其所在建筑物的接闪带上即可。
　　⑵需要重新安装人工接地装置
　　接地属于这一类的，需要考察其所在建筑物周围的土壤环境，选择空间足够、土质较好、施工方便、远离出入口的位置安装人工接地装置，人工接地装置安装时其材料选择、施工埋深、连接工艺等均应达到规范标准。
　　然而不管监测站是哪一种情况的接地，作为接闪杆的接地装置其接地电阻阻值都必须达到要求即≤10欧姆。
　　如果需要重新安装人工接地装置时，接地装置应符合下列要求：
　　①埋于土壤中的垂直接地体宜采用热镀锌角钢，水平接地体宜采用热镀锌扁钢；
　　②垂直接地体的长度宜选择为2.5米，安装间距保持在其长度的两倍左右，由于大多数位置人工安装接地体难度较大、空间距离被限制等原因，可选择较短的垂直接地体或缩短安装间距。
　　③人工接地体在土壤中的埋深应≥0.5米，连接方式以焊接为主，三面施焊，搭接长度为扁钢宽度的2倍。
　　3.3 引下线
　　监测站接闪杆的引下线贴建筑地面安装，可采用≥φ8mm的热镀锌圆钢也可采用≥40*4mm的热镀锌扁钢，引下线直接将接闪杆与接地装置连接起来即可，安装时尽量保证平整美观。
　　3.4 屋面等电位
　　监测站及其设备均为于其所在建筑物楼顶，首先即使监测站处于直击雷保护区内仍不可百分之百的避免直接雷击，其次接闪杆或其所在建筑物遭受雷击时产生的电位差可能击穿空气侵入设备，因此监测站、各采样仪管等金属部位均应和接闪杆进行等电位连接。
　　监测站承重工字钢、气象五参数采样仪采用≥φ8mm的热镀锌圆钢也可采用≥40*4mm的热镀锌扁钢与接闪杆的引下线部分直接焊接，空气采样总管、PM10采样管因安装在监测站顶端与监测站成为一体，本就有良好的电气连通，不需要再做其他处理。
　　四、监测站的防闪电浪涌入侵
　　4.1 电源浪涌保护器
　　监测站电源浪涌保护器的设置应考虑到配电线路本身的情况，在规范GB50343-2012《建筑物电子信息系统防雷技术规范》明确指出：室外进、出电子信息系统机房的电源线路不宜采用架空线路，电子信息系统设备由TN交流配电系统供电时，从建筑物内总配电柜（箱）开始引出的配电线路必须采用TN-S系统的接地型式。因此，建议从监测站所在建筑物的变压器处引出三相五线电源至监测站，浪涌保护器的接地共用该接地装置；若为三相四线制，则只能单独安装接地装置并通过引下线引至监测站。
　　监测站电源应安装三级浪涌保护器，不考虑其所在建筑物总配电处是否安装第一级电源浪涌保护器，在监测站总断路器处安装第一级电源浪涌保护器，监测站内总配电盒处安装第二级电源浪涌保护器，监测站电子设备电源端口安装第三级电源浪涌保护器，第三级电源浪涌保护器采用防雷插座作为精细保护；各级浪涌保护器选择的冲击电流和标称放电电流参数参考规范GB50343-2012《建筑物电子信息系统防雷技术规范》表5.4.3-3，参数如表所示：
　　由于现场情况的原因，有时电源浪涌保护器第一级与第二级之间的线路长度不符合能量配合，此时可在她们之间加装退耦器，浪涌保护器应具备过电流保护装置和劣化显示功能。
　　电源浪涌保护器安装时其连接导线最小截面积需符合下表：
　　4.2 信号网络浪涌保护器
　　监测站具有进出建筑物的网络传输线和设备控制信号传输线，这些传输线在进入监测站处设置适配的信号浪涌保护器；网络传输线在网络交换机处安装网络浪涌保护器，气象五参数采样仪、空气采样总管、PM10采样管的信号传输线在连接设备前端安装适配的控制信号浪涌保护器、低压串联浪涌保护器。
　　信号线路浪涌保护器接地端采用截面积不小于1.5mm2的铜芯导线与设备机房等电位连接网络连接，接地线尽量短直。
　　4.3 监测站设备等电位连接
　　监测站内部所有金属设备及防雷设备接地应进行等电位连接，根据监测站本身网络相对较小的情况，可选择S型等电位连接网络。
　　对于监测站的S型等电位连接网络来说，接地基准点的选择是非常重要的，他将影响到防雷设备的保护性能。由于监测站几乎所有设备都集中在设备间机柜处，把接地基准点设置在监测站设备区机柜后端是比较合理的，即在这里设置总等电位连接端子，这样可使得大部分设备接地线尽量短直，同时布线方便，也不影响监测站内部的美观性。由于监测站设备较少，我们可以直接使用6mm2铜芯线将设备接地连接到接地基准点上。
　　把接地基准点设置在监测站设备间机柜后端相对于绝大部分设备的接地都是比较合理的，但是针对电源浪涌保护器来说却并非如此，因此在这里我们可以考虑这样来处理：将电源系统中的PE线就近接至电源浪涌保护器接地端口，同时采用16mm2铜线导线直接从接地基准点也连接到电源浪涌保护器接地端口，这种连接方式相对于将电源浪涌保护器接地端口作为接地端点，即电源浪涌保护器的接地线长度为0米，解决了电源浪涌保护器安装连接线过长的问题。
　　五、监测站的接地
　　监测站直击雷部分的接地在前面已经提及，这里不再重复，这里要说的是关于内部防雷装置接地的问题。
　　关于内部防雷装置的接地，大概可分为以下几种：
　　①监测站采用TN-S系统供电，可从电源系统中得到内部防雷装置的接地。
　　②监测站所在建筑物具备接地装置，可从其所在建筑物上直接获得接地。
　　③无法直接获得接地，需要重新安装人工接地装置。
　　有时，监测站的现场情况可以同时满足前两种，这时我们可以随便选择一种，但是当采用第一种时，建议电源TN-S系统供电引入时PE线直接连接到接地基准点上，以防止设备金属外壳带电在泄流时经过电源浪涌保护器的接地端对电源浪涌保护器正常工作造成影响。
　　当监测站无法采用满足前两种情况或者前两种情况的接地电阻阻值≥4欧姆时，可选择安装人工接地装置并将其连接至接地基准点上，使得联合后的接地电阻阻值满足要求。人工接地装置的安装与前文所述一致，这里就不再重复了。
　　六、结语
　　防雷系统是一项系统性的防护工程，再小的防护对象其内部的防护措施也不应该有所减少，否则是不能有效的保护建筑及设备。本文提出了空气质量自动监测站在实际的防雷中所遇到的一些问题，但是仍有许多方面是考虑不够全面或者没有提及的，望与防雷界各精英共同学习共同进步，加快我国防雷技术的完善和防护措施的普及。