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[摘 要]本次防雷设计以广东省某区域铁路沿线水土流失监测与预警系统雷害情况为例，其系统大部分属弱电系统，敏感电子设备易受感应雷损坏，建立一套综合有效防雷设计方案。
[关键词]防感应雷工程；电源系统；监控系统；预警系统
中图分类号：S157 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）22-0083-01
引言
由于该系统多处于铁路沿线位置且具有空旷、处于山丘上、架空电力线临近等特点，铁路沿线水土流失监控和预警系统多次遭受雷击，造成监控数据采集器和设备间工控机损坏，使整个监测系统运行失灵，造成经济损失。本文探讨其防雷工程设计方案，以减少雷击危害确保铁路运输安全。
1 项目现场勘查
①该设备（监测与预警设备）地处广东省某镇公路东面，京广线xxx下行左侧，三面环山，西面靠近北江河。
②该设备靠近京广线铁路，东面有民用高压线路，西面有京广线专用高压线路，其环境位置。
③该设备采用太阳能板供电，现场未发现任何防感应雷措施。
④设备机壳与屏蔽外壳之间未做好电位连接及接地措施。
⑤监控数据采集器电源线路和信号线路无任何防感应雷措施。
2 防雷工程设计方案
2.1 雷电电磁脉冲破坏机理和合理布线
2.1.1 闪电电涌破坏机理分析
①雷电对铁路高压线作用。太阳能供电系统输电过程中受铁路架空高压线保护，雷电直击概率很低，雷电对太阳能供电及设备间破坏主要由闪电感应引起。雷击后，受静电感应和电磁感应作用，太阳能供电线路雷电感应过电压达100kV，因此与雷击点距离较近用电设备会受到雷电损坏。对于铁路沿线水土流失监测与预警系统，其数据传输线都在接闪器保护范围内且金属管屏蔽接地埋在电缆沟内，可能将雷电流引入建筑物内部的主要是电源线路。
②雷电流能量对数据传输线路耦合。当闪电击中接闪器时，雷电流将沿接地网络向大地中泄放，从水平接地体中流过时，在接地体周围产生很强暂态电磁场，当水平接地体和数据传输线平行敷设时，雷电流引起的暂态电磁场将和数据传输线发生磁通交链，使数据传输线产生对地之间过电压，即共模过电压UC，该过电压作用于终端设备机芯与外壳之间。同时，该磁通交链使多芯数据线之间形成感应回路，产生差模过电压UD，该过电压作用于终端设备机芯内部。
由于铁路沿线水土流失监测与预警系统所处雷电环境恶劣和自身电子器件耐压水平低，共模和差模过电压能量耦合到铁路沿线水土流失监测与预警系统数据传输线并导致与之相连的泥位检测器、土壤含水量检测器、雨量检测器、GPS定位器、摄像头及工控机和3G路由器多次击穿损坏概率增高很多。
③闪电通道空间辐射。雷电流有极大峰值和陡度，周围空间产生强大交变电磁场。1据相关研究得出：受雷击电磁脉冲干扰，计算机在无屏蔽状态下，当环境磁场强度>5.6A/m时，计算机会误动作；环境磁场强度>191A/m时，设备会发生永久性损坏。以新会某自动气象站为例，计算100m、50m、20m范围内遭受雷击时该测站磁场强度。
该铁路沿线水土流失监测与预警系统位于N23°51′00″、E113°15′54″，设备间和太阳能供电系统都在接闪线保护范围内。利用广东省防雷中心研发的雷电风险评估闪电定位历史资料标准分析软件，输入该铁路沿线水土流失监测与预警系统经纬度，得出10年3km范围内不同累积概率对应雷电流幅值。
按公式H0=i0/（2πSa）计算LPZOB区内磁场强度，计算结果表1。
H0一无屏蔽时产生无衰减磁场强度（A/m）；i0一最大雷电流（kA）；Sa一雷击点与屏蔽空间之间平均距离（m）；
根据表1和近10年闪电定位资料可知：当雷击点与设备距离<20m、雷电流值≥26.7kA时，永久性损坏概率为100%；雷击点与设备距离为50m时，永久性损坏概率为16%，误动作概率48%；当雷击点与设备距离为100m时，永久性损坏概率1.3%，误动作概率69%。对于铁路沿线水土流失监测与预警系统而言，系统内监测设备耐压值远低于工控机耐压值，发生误动作和永久性损坏可能性更大，特别是铁路架空高压线遭受雷击，强大磁场强度足以致使泥位检测器、土壤含水量检测器、雨量检测器、GPS定位器、摄像头及工控机和3G路由器损坏。
2.1.2 合理布线
所有电源线、信号线分槽布置，减少线间交叉，并穿于金属管、金属槽内，以实现可靠的屏蔽；其次所有线路主干线避免靠近高压架空线接地网，以尽量缩小被感应范围。管线较长或桥架等设施较长路线要两端接地；应该注意电源线、通信线、数据线等线路引入做法，防止雷电波侵入。
2.2 防感应雷接地装置设计
对该铁路沿线水土流失监测与预警系统按照周边环境可行度做防感应雷接地网（图1）。
泥位检测器、土壤含水量检测器、雨量检测器、GPS定位器、摄像头及工控机和3G路由器等同样就近与防感应雷地网相连接。采用3x30铜带设接地汇流排，接地汇流排与接地引入干线连接，设备间内设备机架外壳，金属线管及设备间自身外壳等金属件用16mm2多股铜芯线与接地汇流排作等电位连接。交流工作接地、安全保护接地、直流工作接地、防雷接地等四种接地共用一组接地。
2.3 电源系统和信号系统防雷措施
户外线路进入建筑物处，LPZ0A或LPZ0B进入LPZ1区，选择和安装与其协调配合好的电涌保护器，有效保护电气设备。
3 结论
广东省某区域铁路沿线水土流失监测与预警系统多次遭受雷击，造成监控数据采集器和设备间工控机损坏等，对未安装防感应雷措施太能能供电系统和监测设备进行整改，布设人工防感应雷地网，各监测设备、设备外壳、太阳能支架就近与防感应雷地网相连接；电源线路和信号线路分开布设并穿金属管埋地屏蔽接地；在电源线路和信号线路安装适配浪涌保护器，设计一套综合有效防雷设计方案，有效减轻感应雷对电子设备损坏或产生误动作，防护效果切实有效，确保了广东省某区域铁路沿线水土流失监测与预警系统正常运行。
参考文獻
[1] 田军利，林卓宏，梁敏妍，等.江门市城市区域的雷电灾害防护[J].广东气象，2009，31（6）.
[2] 陈杏荣，黄国开，陈绍东，等.自动气象站采集器磁场抗扰度试验[J].广东气象，2011，33（5）.
作者简介
陆健波（1987-），男，本科，助理工程师，从事雷电防护装置检测工作。
[关键词]防感应雷工程；电源系统；监控系统；预警系统
中图分类号：S157 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）22-0083-01
引言
由于该系统多处于铁路沿线位置且具有空旷、处于山丘上、架空电力线临近等特点，铁路沿线水土流失监控和预警系统多次遭受雷击，造成监控数据采集器和设备间工控机损坏，使整个监测系统运行失灵，造成经济损失。本文探讨其防雷工程设计方案，以减少雷击危害确保铁路运输安全。
1 项目现场勘查
①该设备（监测与预警设备）地处广东省某镇公路东面，京广线xxx下行左侧，三面环山，西面靠近北江河。
②该设备靠近京广线铁路，东面有民用高压线路，西面有京广线专用高压线路，其环境位置。
③该设备采用太阳能板供电，现场未发现任何防感应雷措施。
④设备机壳与屏蔽外壳之间未做好电位连接及接地措施。
⑤监控数据采集器电源线路和信号线路无任何防感应雷措施。
2 防雷工程设计方案
2.1 雷电电磁脉冲破坏机理和合理布线
2.1.1 闪电电涌破坏机理分析
①雷电对铁路高压线作用。太阳能供电系统输电过程中受铁路架空高压线保护，雷电直击概率很低，雷电对太阳能供电及设备间破坏主要由闪电感应引起。雷击后，受静电感应和电磁感应作用，太阳能供电线路雷电感应过电压达100kV，因此与雷击点距离较近用电设备会受到雷电损坏。对于铁路沿线水土流失监测与预警系统，其数据传输线都在接闪器保护范围内且金属管屏蔽接地埋在电缆沟内，可能将雷电流引入建筑物内部的主要是电源线路。
②雷电流能量对数据传输线路耦合。当闪电击中接闪器时，雷电流将沿接地网络向大地中泄放，从水平接地体中流过时，在接地体周围产生很强暂态电磁场，当水平接地体和数据传输线平行敷设时，雷电流引起的暂态电磁场将和数据传输线发生磁通交链，使数据传输线产生对地之间过电压，即共模过电压UC，该过电压作用于终端设备机芯与外壳之间。同时，该磁通交链使多芯数据线之间形成感应回路，产生差模过电压UD，该过电压作用于终端设备机芯内部。
由于铁路沿线水土流失监测与预警系统所处雷电环境恶劣和自身电子器件耐压水平低，共模和差模过电压能量耦合到铁路沿线水土流失监测与预警系统数据传输线并导致与之相连的泥位检测器、土壤含水量检测器、雨量检测器、GPS定位器、摄像头及工控机和3G路由器多次击穿损坏概率增高很多。
③闪电通道空间辐射。雷电流有极大峰值和陡度，周围空间产生强大交变电磁场。1据相关研究得出：受雷击电磁脉冲干扰，计算机在无屏蔽状态下，当环境磁场强度>5.6A/m时，计算机会误动作；环境磁场强度>191A/m时，设备会发生永久性损坏。以新会某自动气象站为例，计算100m、50m、20m范围内遭受雷击时该测站磁场强度。
该铁路沿线水土流失监测与预警系统位于N23°51′00″、E113°15′54″，设备间和太阳能供电系统都在接闪线保护范围内。利用广东省防雷中心研发的雷电风险评估闪电定位历史资料标准分析软件，输入该铁路沿线水土流失监测与预警系统经纬度，得出10年3km范围内不同累积概率对应雷电流幅值。
按公式H0=i0/（2πSa）计算LPZOB区内磁场强度，计算结果表1。
H0一无屏蔽时产生无衰减磁场强度（A/m）；i0一最大雷电流（kA）；Sa一雷击点与屏蔽空间之间平均距离（m）；
根据表1和近10年闪电定位资料可知：当雷击点与设备距离<20m、雷电流值≥26.7kA时，永久性损坏概率为100%；雷击点与设备距离为50m时，永久性损坏概率为16%，误动作概率48%；当雷击点与设备距离为100m时，永久性损坏概率1.3%，误动作概率69%。对于铁路沿线水土流失监测与预警系统而言，系统内监测设备耐压值远低于工控机耐压值，发生误动作和永久性损坏可能性更大，特别是铁路架空高压线遭受雷击，强大磁场强度足以致使泥位检测器、土壤含水量检测器、雨量检测器、GPS定位器、摄像头及工控机和3G路由器损坏。
2.1.2 合理布线
所有电源线、信号线分槽布置，减少线间交叉，并穿于金属管、金属槽内，以实现可靠的屏蔽；其次所有线路主干线避免靠近高压架空线接地网，以尽量缩小被感应范围。管线较长或桥架等设施较长路线要两端接地；应该注意电源线、通信线、数据线等线路引入做法，防止雷电波侵入。
2.2 防感应雷接地装置设计
对该铁路沿线水土流失监测与预警系统按照周边环境可行度做防感应雷接地网（图1）。
泥位检测器、土壤含水量检测器、雨量检测器、GPS定位器、摄像头及工控机和3G路由器等同样就近与防感应雷地网相连接。采用3x30铜带设接地汇流排，接地汇流排与接地引入干线连接，设备间内设备机架外壳，金属线管及设备间自身外壳等金属件用16mm2多股铜芯线与接地汇流排作等电位连接。交流工作接地、安全保护接地、直流工作接地、防雷接地等四种接地共用一组接地。
2.3 电源系统和信号系统防雷措施
户外线路进入建筑物处，LPZ0A或LPZ0B进入LPZ1区，选择和安装与其协调配合好的电涌保护器，有效保护电气设备。
3 结论
广东省某区域铁路沿线水土流失监测与预警系统多次遭受雷击，造成监控数据采集器和设备间工控机损坏等，对未安装防感应雷措施太能能供电系统和监测设备进行整改，布设人工防感应雷地网，各监测设备、设备外壳、太阳能支架就近与防感应雷地网相连接；电源线路和信号线路分开布设并穿金属管埋地屏蔽接地；在电源线路和信号线路安装适配浪涌保护器，设计一套综合有效防雷设计方案，有效减轻感应雷对电子设备损坏或产生误动作，防护效果切实有效，确保了广东省某区域铁路沿线水土流失监测与预警系统正常运行。
参考文獻
[1] 田军利，林卓宏，梁敏妍，等.江门市城市区域的雷电灾害防护[J].广东气象，2009，31（6）.
[2] 陈杏荣，黄国开，陈绍东，等.自动气象站采集器磁场抗扰度试验[J].广东气象，2011，33（5）.
作者简介
陆健波（1987-），男，本科，助理工程师，从事雷电防护装置检测工作。