陸態網絡嘉祥基準站防雷避雷的設計實施

劉作華 馮志軍

【摘要】本文對陸態網絡嘉祥基準站的所采取的避雷措施進行了詳細的說明。對有類似地質情況的基站、微波站、電視差轉臺等做好防雷避雷能夠起到一定的借鑒作用。

【關鍵詞】防雷避雷;接地體;降阻劑

一、前言

雷電是一種自然現象，當雷電擊中陸地上的人或物時就變成了是一種自然災害，這就是雷擊災害。

雷電是指兩種帶不同的電荷云層之間或者是帶電的云層向大地快速放電的現象。一般來說，雷電發生主要有三種形式：一種是直擊雷，直擊雷是帶電的云層直接向大地快速放電現象。直擊雷能直接擊中地面的物品，當我們的儀器設備處在直擊雷的雷擊范圍時，就會造成我們的儀器設備被擊壞，甚至報廢。第二種是感應雷，感應雷是直擊雷在快速放電過程中所形成的強大的電磁脈沖電流對所發生的雷擊范圍內的金屬物質或者金屬導線產生電磁感應，而出現的高壓閃擊現象。感應雷通過供電纜線、儀器信號線纜線、儀器天線等感應出非常高的瞬間電壓竄入儀器設備中，極易造成儀器設備的損壞。第三種是球形雷，這種雷較為少見。我們地震臺站大部分處于山區高地，是極易受到雷擊的地區。據統計數據顯示，我們地震臺站的儀器設備遭受雷擊損壞85%以上都是由感應雷引起的。感應雷直接通過儀器的供電線路、信號線路或者網絡線路經過地震儀器設備進入大地，造成儀器設備的損壞。由于雷擊而造成地震儀器損壞，嚴重影響了地震觀測數據的連續率，也極大降低了地震觀測資料的質量，能給我們的防震減災工作造成了很大的損失。因此，做好避雷接地網是十分重要的。防雷避雷的目的就是將雷電流引入大地，無論是防直擊雷還是防感應雷，最終都是將雷電所產生的巨大電流導入大地，作為能順利引導電流進入大地的避雷網在防雷避雷中的作用顯而易見。

中國大陸構造環境監測網絡（簡稱“陸態網絡”即GNSS）是國家發改委在“十一五”期間列入國家高技術產業發展項目計劃的12個國家重大科技基礎設施建設項目之一，是由中國地震局牽頭組織實施的國家六部（委）的重大科技項目。中國大陸構造環境監測網絡嘉祥基準站是陸態網絡系統在山東的4個基準站之一，它位于山東省嘉祥縣城北3公里的簸箕山上，地理坐標為東經116°21.1'北緯25°06'海拔高程102.9米。該臺為山地，沒有土層覆蓋。基巖系奧陶系石灰巖，巖石完整（如圖1所示）。因該基準站位于山頂，易于發生雷擊現象，因此做好防雷工作十分重要。我們首先想到的是把避雷網這個基礎做好。

圖1 地質構造圖

二、防雷的設計實施

1.做好接地網。做好接地網是防雷工作的一個非常重要的環節，也是其他避雷措施如：接閃、等電位均壓、下引、分流的基礎。沒有有效的接地網，其他的避雷防雷措施都等于零。嘉祥GNSS基準站坐落在山頂上，原來設計的避雷接地網在山下200米處。根據避雷實踐，被避雷設施離避雷網超出140米就達不到避雷效果了。要想做好避雷工作，首先必須做好避雷接地網的施工工作。GNSS觀測室位于山頂巖石基礎上，無土層，風化殼厚度0.5m。觀測室建筑面積19.64m2，采用磚混結構，地上一層，建筑高度4.35m。因山上全是巖石根本沒有土層，這就給做避雷網造成了很大的困難。我們在山頂根據實際情況有設計了做避雷接地網用的填土池，填土池內填充優質土，土層的厚度不小于500mm（如圖2所示）。這樣的巖石山地僅僅靠人工覆蓋有土層也不太可能。

圖2 觀測室院內避雷填土池圖

達到避雷接地體小于4歐姆的技術要求。為了減少阻抗，使接地體周圍形成一個理想的低電阻區，我們又從青島安達防雷科技有限公司購買了8噸AD-02型長效防腐物理降阻劑。這8噸降阻劑用來包裹水平及垂直接地體和摻在土壤中用以降低土壤的阻值。這種降阻劑是純物理性的，沒有腐蝕性的電解質，其導電性不受酸、堿、鹽、溫度、濕度等的影響。降阻劑是一種很好的導體，它的使用既能使接地體和土壤之間能夠緊密地形成足夠大的電流流通面，也可以向周圍土層滲透，降低接地體周圍的的電阻阻值。

圖3 觀測室網型地網示意圖

我們設計的接地裝置設計為網型地網（如圖3所示），接地線和水平接地體采用40×4mm熱鍍鋅扁鋼，垂直接地體采用L50×5×150MM熱鍍鋅角鋼。在填土前我們用鉆井機為垂直接地體鉆了20個直徑為10cm，深1500mm孔。我們將垂直接地體植入巖石鉆孔當中，孔的空隙用調制好的降阻劑填充。水平接地體的直接鋪在調制好的候厚20厘米的降阻劑上，周圍也用調制好的降阻劑包裹。然后我們在填土池內填充添加了降阻劑的優質土，并分層夯實。在接地體、埋地接地線經過路面或者人員可能停留的區域，我們在接地體3m的范圍內鋪設了5cm瀝青層，以保證安全需要。我們施工要求在焊接時扁鋼與扁鋼搭接長度為不小于8cm，進行三面焊接。扁鋼與與角鋼焊接時，我們采用四面焊接，焊接的部位并做了防腐處理。在降阻劑的使用上，我們嚴格按照水和降阻劑0.4-0.6：1.0的比例進行調制，以保證降阻劑和接地體能最佳狀態結合。施工完成后，我們對接地體進行了電阻測量，其電阻值為2.8歐姆，效果十分理想，完全符合我們的技術要求。

2.安裝接閃器。接閃，就是為防止雷電擊毀儀器設備，而為雷電設計一個通道讓閃電能量按照人為設計的通道釋放到大地中去。我們通過安裝避雷設施來實現接閃，當山頂的觀測室上面發生雷電時，則雷電通過避雷針進入地面避雷網接閃泄入大地，達到保護觀測室及室內儀器目的。由于觀測室屋頂安裝衛星定位天線和氣象三要素自動監測儀，為防直擊雷雷擊，我們在觀測室上面安裝了避雷帶和避雷針。避雷帶采用直徑為10mm鍍鋅圓鋼，用支架固定高于女兒墻15cm處，固定支架間隔1m，避雷帶拐彎處彎曲度大于90度。避雷針設計安裝了兩根，高度是1.5m，在GNSS觀測室頂成對稱分布。避雷針的總高度為5.58m，利用滾球法（滾球半徑取45m）計算雙針的保護范圍：兩避雷針軸線上最低保護高度為5.82m，在女兒墻高度4.35米水平面的保護范圍最小寬度為2.84m，最小寬度位置在雙針軸線中點的垂線上。衛星定位天線在觀測室屋頂兩避雷針附近，僅高出女兒墻0.5m，在兩避雷針的保護范圍之內（如圖4所示）。避雷針與觀測室的構造柱主筋焊接，構造柱主筋和避雷帶進行焊接，利用構造柱的四根主筋作為防雷下引線連接到避雷地網。這樣能保證觀測室頂部避雷帶、鋼筋、圈梁內鋼筋、地面避雷網格等進行有效地電氣連通。當觀測室上空發生雷電時，避雷針、避雷帶接閃將雷電引入大地，對觀測室起到一定的保護作用。

圖4 避雷針、避雷帶位置示意圖

圖5 電源防雷器的工作原理示意

3.實行分流。分流就是把（下轉第21頁）（上接第17頁）避雷器和從室外進戶的電源線纜、信號線纜、天線等導電體線與接地之間并聯。當感應雷或直擊雷在這些金屬線纜上產生大的電壓并沿著這些導線即將進入室內設備時避雷器起作用，電阻值則瞬間降到接近零值，形成短路狀態，將電流分流泄入地，從而避免對儀器造成損害（分流器工作原理如圖5所示）。我們在總電源的配電箱和山上配電箱供電開關前以及儀器電源前安裝了德國產的DEHN防雷器，對GNSS基準站進行了B、C、D三級防雷，并對信號線也安裝了DEHN防雷器。DEHN防雷器有一個高壓放電管，當遇到雷擊時，高壓放電管納米級時間反應形成對地短路，從而達到保護儀器的目的。實際上，這就是避雷中的一種分流。

4.進行等電位連接。當雷擊發生時，接閃裝置的下引線電壓會瞬間升高，對防雷避雷整個系統周圍處于地電位的導體產生閃絡，使其電壓急劇升高，對儀器設備或者人員造成危害。避免閃絡最簡單的處理方法是將處于地電位的導體等電位連接起來，然后很好地接地。我們采用了以下辦法：（1）我們將觀測室房頂的避雷針、避雷帶與構造柱進行了有效的電氣連接。（2）我們將房頂的GNSS天線金屬底座及氣象三要素監測儀的金屬底座與房頂的避雷帶進行了有效等電位連接。（3）構造柱內的主筋以及圈梁主筋進行了焊接，形成了一個法拉第籠。（4）GNSS觀測墩的主筋與觀測室底的圈梁內主筋進行了有效的等電位連接。（5）防盜金屬門窗也通過16MM銅線與與主筋相連的等電位連接端子做了有效的等電位連接。

三、結束語

避雷是一項復雜的工程，由于各地所處的氣象與自然環境不同，避雷工程的設計與實施也不盡相同。嘉祥陸態網絡基準站的避雷設計與實施是根據嘉祥基準站的實際情況來實施的，對于其他有類似地質情況的基站、微波站、電視差轉臺等的避雷防雷工作有一定的借鑒作用。

參考文獻

[1]臺站公用技術[M].地震出版社，2007（10）.

[2]高守全等溫泉地震臺十五防雷建設[J].防災科技學院學報，2006（2）.

作者簡介：

劉作華（1968—），男，山東嘉祥人，大學本科，工程師，研究方向：地震觀測與研究。

馮志軍（1968—），男，山東濟南人，博士，高級工程師，研究方向：地震觀測與研究。