費縣自動氣象站場室防雷設計和分析

摘要：本文依據建筑物防雷設計規范和自動站防雷技術規范，對費縣氣象局自動站觀測場及工作室的防雷設計施工等進行了分析，提出了自動站防雷的具體措施，對做好自動站防雷工作具有一定的指導意義。

關鍵詞：自動氣象站 工作室防雷設計

中圖分類號：TU856 文獻標識碼： A

引言

隨著氣象現代化建設的快速發展，我省已有120多個自動氣象站投入業務運行，自動站運行期間（尤其汛期），做好自動站儀器的防雷工作非常必要。由于自動站設備大都采用半導體和集成電路，具有絕緣強度低、耐過電壓和電流能力差、對電磁干擾敏感等弱點，近年來自動站采集器和主機遭雷擊的事故時常發生，一方面造成觀測數據缺測和遲傳，另一方面致使自動站設備損壞，經濟損失嚴重。為確保自動站系統安全穩定的運行，本文結合實際對自動站觀測場及機房的防雷進行了設計分析，總結了自動站的雷電防護措施，供各地臺站參考。

1、雷電概況

費縣位于沂蒙山區的蒙山山脈的南側，屬于魯東南低山丘陵區，全縣地勢海拔高程90-1000米，是全省雷暴活動和雷擊災害較頻繁的地區，除與冷空氣活動路徑有關外，還與特定的地形有關，費縣北部山高，偏南氣流繞山時構成氣旋性渦度流場，北部山區也利于氣流的被迫抬升，因此費縣北部山區成為強對流天氣出現次數較多的地區，造成雷電活動也較為頻繁。由此看來，地形對雷電活動也有著較為明顯的影響，費縣的年平均雷暴日數為30天，年雷暴日數最多為44天，出現在1974年，年雷暴日數最少為20天，出現在1989年，雷暴出現時間一般集中在6—8份，占全年的80%。

2、觀測場及工作室的概況

費縣氣象局位于縣城郊區嶺頂，由于氣象行業的特殊性及《氣象探測環境保護辦法》的規定，周圍沒有高大建筑物。院內有一個觀測場、一座辦公樓、一座宿舍樓；觀測場為高于地面1米、直徑25米的正方形建筑，內有10米風塔、采集器、傳感器、供電系統、通信系統；辦公樓為長30米、寬15米、高12米的三層建筑，樓頂有一高2米的衛星接收天線，自動氣象站的工作室就位于辦公樓的一樓，工作室內有自動氣象站終端、衛星接收系統、機房及辦公自動化等設備，辦公樓的電源采用TN-S系統。

4、防雷類別及防雷設計

4.1辦公樓的防雷類別

依據GB50057-94《建筑物防雷設計規范》，建筑物年預計雷擊次數按下式計算：Ｎ =ＫＮgＡe

式中Ｎ——建筑物預計雷擊次數（次/a）；

Ｋ——雷擊次數校正系數（在此類型情況下取2）；

Ｎg——建筑物所處地區雷擊大地的年平均密度[次/（Km2·a）]；

Ａe——與建筑物截收相同雷擊次數的等效面積（Km2）；

雷擊大地的年平均密度應按下式確定：

Ng=0.024Td1.3

Td——該地區的年平均累計日數；

當建筑物的高H小于100米時，其每邊的擴大寬度和等效面積應按下列公式計算確定：

D=

Ａe=[LW+2（L+W）·+H（200-H）] ·10-6

式中D——建筑物每邊的擴大寬度（m）

L、W、H——分別為建筑物的長、寬、高（m）

根據以上年預計雷擊次數參數，氣象局辦公樓年預計雷擊次數為：

Ｎ =ＫＮgＡe≈0.05次/a。

根據以上計算，參照GB50057-2010《建筑物防雷設計規劃》第3.0.4條的要求，其屬于標準規定三類防雷建筑物。

4.2辦公樓的直擊雷防護設計

依據GB50057-94《建筑物防雷設計規范》的要求，沿女兒墻設避雷帶（通常為20 m×20 m或24 m×16 m），由于辦公樓的寬度為15 m（﹤20 m），所以可僅沿周邊設一圈避雷帶。利用立柱內兩條對角主筋作為引下線，但引下線的平均間距不應大于25 m；利用地梁與承臺作為水平接地體。由于樓頂有一高2 m的衛星接收天線，所以需設一避雷針來保護衛星天線：由于辦公樓為三類防雷建筑,所以滾球半徑R=60m；避雷針距衛星天線3 m。（如圖一）

圖一 樓頂避雷針示意圖

根據單支避雷針保護半徑公式：

Rx=-

h≈3

避雷針的高度為3m

4.3辦公樓的內部雷電防護設計

4.3.1辦公樓及工作室的雷電防護區劃分（見圖二）

圖二 辦公樓及工作室的雷電防護區劃分

將辦公樓需要保護的空間劃分為不同的雷電防護區（LPZ），以確定各LPZ空間的雷擊電磁脈沖的強度，并明確各雷電防護區界面等電位連接的位置，以便采取相應的防護措施。所有進入辦公樓的外來導電物體均在LPZ0B區與LPZ1區的交匯處做等電位連接

辦公樓內各接地采用共用接地系統，在各雷電防護區設等電位連接母排，穿越防雷區界面的所有導電物、電力線、通信線、管道等均在界面處做等電位連接。

4.3.2電源電涌保護器（ＳＰＤ）的安裝

GB50057-94《建筑物防雷設計規范》第六章6.4.7條規定指出：在LPZ0A或LPZ0B區與LPZ1區交界處，從室外引來的線路上安裝SPD當線路有屏蔽時，每個SPD的雷電流按雷電流的幅值的30%考慮，本辦公樓為三類防雷建筑物，電涌保護器（ＳＰＤ）應按總電流100KA來考慮選擇，按照其建議的雷電流分配方式其中50%是通過接地系統（水管、鎧裝電纜外皮或導線的金屬保護管等）直接入地；另外50%通過安裝在相線和中性線上的電涌保護器入地。

依據以上標準每相上的雷電流約為：

當線路有屏蔽時，Iimp=[100KA×50%×30%]÷4=3.75KA

對于本系統電源線路的特點，按照GB50057-94《建筑物防雷設計規范》第六章、第四節第6.４.７條要求每相線標稱放電電流不宜小于15KA的要求,第一級電涌保護器（ＳＰＤ）的每相標稱放電電流應大于15KA(10/350us)，所以在辦公樓的主配電箱內安裝ATTX40型SPD一套，其SPD連接相線銅導線截面積為16mm2，接地連接銅導線截面積為25mm2。

第二級電涌保護器（ＳＰＤ）的每相標稱放電電流應大于20KA（8/20 us），所以在辦公樓各分配電箱內安裝ATTX20型SPD一套，其連接相線銅導線截面積為10mm2，接地連接銅導線截面積為16mm2。

SPD安裝應當注意的事項：各級電涌保護器（ＳＰＤ）連接導線應平直，其長度不能超過0.5米。

4.3.3自動站工作室的雷電防護

自動氣象站的主機、傳輸系統及服務器都在工作室內，所以工作室的防雷工作就是重中之重，按照GB50057—94《建筑物防雷設計規范》、IEC61312《雷電電磁脈沖的防護》的要求，在各電源開關處使用插座式電源防雷器，作為電源的第三級防護。進入工作室的所有線纜都使用屏蔽線纜，線纜的屏蔽層與進入工作室的管道在入口處進行等電位連接。

沿工作室的四周鋪設等電位連接帶，等電位連接帶與辦公樓作為引下線的柱筋進行電氣連接，工作室內各設備及防靜電地板的接地采用M型等電位連接網絡，并通過多點連接組合到共用接地系統中去，形成Mm型等電位連接。（圖三）

圖三Mm型等電位連接

4.3.4工作室內的信號雷電防護

依據GB50174—93《電子計算機機房設計規范》、GB2887—89《計算機場地安全要求》中信號系統雷擊過電壓防護要求，自動氣象站工作室調制解調器前端應加裝接口型式為RJ11的信號SPD；在計算機前端的網絡數據線上安裝接口型式為RS232或RJ45的信號SPD，信號SPD的最大持續工作電壓應大于1.5Uc，在電話通訊系統進線段安裝電話線路電涌保護器；用于各設備網卡及電話通信線路的防雷保護。

4.4自動站觀測場的雷電防護

4.4.1觀測場的直擊雷防護

觀測場風桿高10m，風桿采用金屬管作為支撐體，在距風桿頂端200mm～300mm處設一避雷針，避雷針通過絕緣桿固定于風桿上；避雷針為直徑16mm的圓鋼，其長度為1.5m；避雷針在地面上的保護半徑為： 35.3m；風桿南面并排三個百葉箱。避雷針距最遠百葉箱9m，避雷針在百葉箱1.9 m高度上的保護半徑為20.3m；其它設備也都在避雷針的保護范圍之內，這樣自動氣象站觀測場內的所有觀測設備均處于LPZ0B區內，避雷針引下線沿風桿上端拉線入地，該拉線為絕緣等級35kV（1.2/50μs）的拉線，引下線采用截面積于50mm2多股銅芯線。觀測場內金屬圍欄，百葉箱支架、雨量器、遙測雨量計、虹吸雨量計、小型蒸發皿、自動氣象站信號轉接盒等金屬外殼就近與觀測場的地網進行電氣連接。由觀測場至工作室的數據傳輸線外屏蔽層及金屬管在觀測場地網邊緣處與附近觀測場地網進行電氣連接。

4.4.2觀測場的地網設計

自動氣象站觀測場為環形閉合接地，距地面70cm設人工水平接地體；沿水平接地體均勻砸入長度為250cm人工垂直接地體，垂直接地體的間的距離為5m，觀測場圍欄根部用角鋼與接地體進行電氣連接。

由于觀測場與辦公樓的距離為60 m，所以兩地網間用扁鋼進行了等電位連接，并且連接帶每距5 m砸一地樁。（圖四）

5、防雷裝置的維護

自動氣象站場室的防雷裝置由專人負責維護管理；防雷裝置的設計、安裝、配線等圖紙資料都歸檔保存；每年雷雨季節前應對自動氣象站場室的防雷裝置進行檢測，并檢查外部防雷裝置的電氣連續性及腐蝕情況，發現問題及時整改。

結束語

氣象工作和人們的生活是密不可分的，在經濟迅速發展的當今社會，氣象信息的重要性越來越受到人們的關注，自動氣象站的投入運行，使臺站的氣象現代化建設邁上了一個新臺階，提高了地面氣象觀測質量，我們要更好的維護自動站的正常運行，避免事故的發生，以及時的提供準確的天氣預報和氣象信息，更好的為人民群眾服務，更好的為地方經濟發展保駕護航。

參考文獻：

GB50057-94《建筑物防雷設計規范》.北京 中國計劃出版社

GB50343—2004《建筑物電子信息系統防雷技術規范》.北京中國建筑工業出版社

QX 4—2000 氣象臺（站）防雷技術規范

作者簡介：丁來曉(1973-) 男 山東莒縣人,工程師,主要從事地面氣象測報工作。