桐城國(guó)家基準(zhǔn)氣候站觀測(cè)場(chǎng)改建的雷電防護(hù)

摘要 桐城國(guó)家基準(zhǔn)氣候站觀測(cè)場(chǎng)雖處于海拔85.4 m高處，但這么多年來(lái)幾乎沒(méi)有遭受過(guò)雷電災(zāi)害，原因在于其良好的防雷措施和整體接地的運(yùn)用才使得桐城國(guó)家基準(zhǔn)氣候站觀測(cè)場(chǎng)能夠有效地防止雷電的侵害。在此針對(duì)桐城國(guó)家氣候基準(zhǔn)站觀測(cè)場(chǎng)改建后的現(xiàn)狀，主要通過(guò)避雷針保護(hù)范圍的計(jì)算和整體閉合接地系統(tǒng)的闡述這兩方面來(lái)論述桐城國(guó)家基準(zhǔn)氣候站觀測(cè)場(chǎng)的雷電防護(hù)，希望可以在今后氣象觀測(cè)場(chǎng)的雷電防護(hù)上起到一定的示范指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞 國(guó)家基準(zhǔn)氣候站；觀測(cè)場(chǎng)；整體閉合接地；避雷針保護(hù)范圍；雷電防護(hù)；桐城

中圖分類(lèi)號(hào)S161文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)0517-6611（2014）30-10598-04

作者簡(jiǎn)介秦偉（1982- ），男，江蘇邗江人，助理工程師，從事防雷相關(guān)研究。

桐城市國(guó)家氣候基準(zhǔn)站始建于1956年，位于風(fēng)景秀麗的西郊，被市民譽(yù)為桐城西山的一顆明珠。1990年經(jīng)中國(guó)氣象局批準(zhǔn)成立國(guó)家基準(zhǔn)氣候站。隨著新型業(yè)務(wù)系統(tǒng)的來(lái)臨，觀測(cè)場(chǎng)也在2012年11～12月份完成了改建，而這次的觀測(cè)場(chǎng)改建對(duì)于雷電防護(hù)提出了更高更嚴(yán)格的要求。在這次改建中，觀測(cè)場(chǎng)首次采用了整體閉合接地系統(tǒng)，形成了立體的、具有屏蔽功能的雷電保護(hù)體系，且通過(guò)統(tǒng)一部署在宏觀上明確了思路，使觀測(cè)場(chǎng)的雷電保護(hù)更加規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)。此外，在觀測(cè)設(shè)備的防雷方面還采用了等電位連接以及三級(jí)電源保護(hù)器加以保護(hù)，使得觀測(cè)設(shè)備的數(shù)據(jù)得到了完善的保護(hù)，同時(shí)也加強(qiáng)了值班室與觀測(cè)場(chǎng)之間電源線(xiàn)路的防雷保護(hù)能力。筆者針對(duì)桐城國(guó)家基準(zhǔn)氣候站觀測(cè)場(chǎng)改建后的現(xiàn)狀，通過(guò)對(duì)觀測(cè)場(chǎng)避雷針保護(hù)范圍的計(jì)算以及整體閉合接地系統(tǒng)的剖面圖和分布圖的介紹，從外部和內(nèi)部2個(gè)方面分析了觀測(cè)場(chǎng)的雷電保護(hù)措施和方法，對(duì)于氣象原始數(shù)據(jù)的保存、觀測(cè)人員的人身安全、觀測(cè)儀器設(shè)備的保護(hù)等都具有重要的意義。

1雷電防護(hù)的技術(shù)依據(jù)

目前觀測(cè)場(chǎng)雷電防護(hù)的主要技術(shù)規(guī)范有《地面氣象觀測(cè)場(chǎng)值班室建設(shè)規(guī)范》（氣發(fā)〔2008〕491號(hào)）、《新型自動(dòng)氣象站安裝布局和相關(guān)業(yè)務(wù)規(guī)定》（氣測(cè)函〔2012〕264號(hào)）、《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50057-94 2000版）、《氣象臺(tái)（站）防雷技術(shù)規(guī)范》（QX 4-2000）、《建筑物防雷工程施工與質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》（GB 50601-2010）、《氣象信息系統(tǒng)雷擊電磁脈沖防護(hù)規(guī)范》（QX 3-2000），這6個(gè)就是現(xiàn)在雷電防護(hù)方面的主要技術(shù)規(guī)范，在此所研究討論的內(nèi)容均以這6個(gè)規(guī)范中的相關(guān)技術(shù)規(guī)定為依據(jù)。

2觀測(cè)場(chǎng)的雷電防護(hù)

2.1觀測(cè)場(chǎng)周邊氣候及雷電環(huán)境桐城市位于安慶北部，地勢(shì)西北高東南低，山地、丘陵、平原呈階梯分布。北亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，氣候溫和，雨水充沛，光照充足，四季分明，氣候資源配制多樣，氣象災(zāi)害繁多，其中雷暴活動(dòng)十分頻繁。根據(jù)桐城國(guó)家基準(zhǔn)氣候站的歷史氣象資料來(lái)看，近30年來(lái)桐城的年平均雷暴日為44.2 d，雷電災(zāi)害造成的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡事故日益嚴(yán)重。雷電高發(fā)期主要是集中在6、7、8月，總數(shù)達(dá)全年的70%左右，其中峰值出現(xiàn)在7月。桐城國(guó)家基準(zhǔn)氣候站觀測(cè)場(chǎng)位于海拔854 m的山坡上，雖然山體不高，但雷擊事故頻發(fā)，是多雷區(qū)[1]。從圖1可以看出，觀測(cè)場(chǎng)內(nèi)儀器設(shè)備較多，周邊雷電環(huán)境較差，因此，觀測(cè)場(chǎng)的雷電保護(hù)是非常有必要的。

2.2觀測(cè)場(chǎng)雷電保護(hù)范圍的計(jì)算

2.2.1 風(fēng)塔避雷。從安徽省地面氣象觀測(cè)場(chǎng)儀器基礎(chǔ)規(guī)劃總平面圖（圖2）可以看出觀測(cè)場(chǎng)內(nèi)的各個(gè)觀測(cè)儀器位置的分布，利用此圖可以計(jì)算出風(fēng)塔的避雷保護(hù)范圍。新型站的風(fēng)塔取代了原來(lái)的風(fēng)向桿，高度為10 m，其上設(shè)置高2 m的避雷針。觀測(cè)場(chǎng)大小為25 m×25 m，由此，可以用滾球法算出風(fēng)塔避雷針的保護(hù)范圍。

從圖3可以看出，距地面hr處作一平行于地面的平行線(xiàn)，以針尖為圓心，hr為半徑，作弧線(xiàn)交于平行線(xiàn)的A、B兩點(diǎn)，再以A、B為圓心，hr為半徑作弧線(xiàn)，該弧線(xiàn)與針尖相交并與地面相切。從此弧線(xiàn)起到地面止就是保護(hù)范圍，保護(hù)范圍是一個(gè)對(duì)稱(chēng)的錐體。避雷針在hr高度為XX′平面上的保護(hù)半徑rx為避雷針軸線(xiàn)至錐體母線(xiàn)交點(diǎn)的水平距離，可按公式rx=h（2hr-h）-hx（2hr-hx）計(jì)算，式中，rx為避雷針在hx高度的XX′平面上的保護(hù)半徑（m），hr為滾球半徑（m），hx為被保護(hù)物的高度（m）。即其中h取12 m（就是風(fēng)塔的總高度），hr取45 m（第二類(lèi)防雷建筑物的滾球半徑），hx取0 m（即保護(hù)整個(gè)觀測(cè)場(chǎng)地面），代入得保護(hù)半徑rx為30.6 m[2]。圖2安徽省地面氣象觀測(cè)場(chǎng)儀器基礎(chǔ)規(guī)劃總平面圖圖3滾球法計(jì)算風(fēng)塔避雷針的保護(hù)范圍2.2.2電視塔避雷。在觀測(cè)場(chǎng)的周?chē)幸蛔?04 m距離觀測(cè)場(chǎng)100 m左右的電視塔，同樣用上面的方法來(lái)計(jì)算一下它的保護(hù)范圍。同樣，取h即為hr，hr為45 m，hx為0 m，代入公式得到rx=45 m。

2.2.3觀測(cè)場(chǎng)內(nèi)儀器的雷電保護(hù)。從以上對(duì)風(fēng)塔和電視塔的保護(hù)范圍的計(jì)算可以看到，對(duì)于電視塔來(lái)說(shuō)，由于45 m<100 m，因此電視塔保護(hù)范圍無(wú)法覆蓋觀測(cè)場(chǎng)，也就是說(shuō)，電視塔對(duì)于觀測(cè)場(chǎng)的雷電防護(hù)沒(méi)有起到任何作用；對(duì)于風(fēng)塔來(lái)說(shuō)，雖然改建后的觀測(cè)場(chǎng)擴(kuò)充了10 m作為以后輻射等相關(guān)儀器的備用，變成了25 m×35 m，但現(xiàn)狀所使用的儀器還在原觀測(cè)場(chǎng)范圍內(nèi)，也就是說(shuō)，現(xiàn)在主要考慮現(xiàn)階段所使用的觀測(cè)場(chǎng)的雷電防護(hù)，因此觀測(cè)場(chǎng)地面保護(hù)半徑可以視作25 m，由于25 m<30.6 m，因此風(fēng)塔避雷針的保護(hù)范圍可以覆蓋到整個(gè)觀測(cè)場(chǎng)。且觀測(cè)場(chǎng)擴(kuò)充的10 m范圍，日后如果要增設(shè)輻射儀等相關(guān)設(shè)備儀器時(shí)，現(xiàn)有的風(fēng)塔就無(wú)法保護(hù)它了，必須要重新設(shè)立新的獨(dú)立避雷針來(lái)進(jìn)行保護(hù)。

接下來(lái)，為了確定是否可以保護(hù)觀測(cè)場(chǎng)范圍內(nèi)的儀器，必須要考慮到儀器的高度是否在錐形保護(hù)范圍內(nèi)，因此要選擇離風(fēng)塔最遠(yuǎn)的一個(gè)儀器——日照計(jì)。日照計(jì)離風(fēng)塔最遠(yuǎn)，為17.5 m，同時(shí)，日照計(jì)高度為1.2 m，因此，可以計(jì)算一下在1.2 m高度上的風(fēng)塔的保護(hù)半徑。這時(shí)候hx取1.2 m，h依舊取12 m，hr取45 m，代入公式計(jì)算得到在日照計(jì)的高度12 m上的保護(hù)半徑rx為20.27 m，大于17.5 m，所以在1.2 m的高度上，風(fēng)塔可以保護(hù)到離它最遠(yuǎn)的儀器，也就是說(shuō)，觀測(cè)場(chǎng)范圍內(nèi)的所有儀器均在風(fēng)塔的錐形保護(hù)范圍內(nèi)。

由此可見(jiàn)，桐城國(guó)家基準(zhǔn)氣候站觀測(cè)場(chǎng)內(nèi)的風(fēng)塔避雷針在25 m×25 m的范圍內(nèi)是完全可以覆蓋整個(gè)觀測(cè)場(chǎng)的，也可以保護(hù)到最遠(yuǎn)距離的觀測(cè)儀器，因此風(fēng)塔避雷針是可以保護(hù)整個(gè)觀測(cè)場(chǎng)的。

3觀測(cè)場(chǎng)的整體閉合接地系統(tǒng)

3.1立體的接地系統(tǒng)整個(gè)觀測(cè)場(chǎng)采用了地網(wǎng)、不銹鋼橋架、設(shè)備自身接地、設(shè)備線(xiàn)路接地等措施，使得整個(gè)觀測(cè)場(chǎng)的地下構(gòu)成了縱橫連接又錯(cuò)落有致的整體閉合接地系統(tǒng)。從圖4可以看到，地網(wǎng)主體是國(guó)標(biāo)所規(guī)定的熱鍍鋅扁鐵和角鋼，用風(fēng)鎬開(kāi)地溝，然后向地下打入角鋼，再在其上焊接熱鍍鋅扁鐵形成整體閉合地網(wǎng)主體。同時(shí)，在其上每隔5 m橫置一個(gè)熱鍍鋅扁鐵的支撐體，且在支撐體和地網(wǎng)主體之間用熱鍍鋅扁鐵雙面焊接，確保支撐體和地網(wǎng)的連通。橫側(cè)支撐體上預(yù)留一個(gè)小孔，然后把不銹鋼橋架放到此支撐上，橋架上也預(yù)留小孔，同時(shí)不銹鋼橋架通往觀測(cè)儀器的一側(cè)留出5～10 mm的孔槽，然后把觀測(cè)設(shè)備里的數(shù)據(jù)傳輸線(xiàn)路用PVC穿管，連接到橋架上的小孔上，并用銅線(xiàn)螺絲固定在橋架上；接著，就是把固定處的銅線(xiàn)和支撐體上預(yù)留的小孔進(jìn)行跨接，同樣用螺絲固定，這樣做的目的是讓觀測(cè)儀器自身線(xiàn)路也與地網(wǎng)進(jìn)行連通；再接著就是從觀測(cè)儀器的底座上（一般有螺絲固定）和預(yù)先從地網(wǎng)上引出的熱鍍鋅扁鐵（預(yù)留小孔）用銅線(xiàn)螺絲進(jìn)行連接固定，至此，觀測(cè)儀器自身外殼也完成了與主體地網(wǎng)的連通。觀測(cè)設(shè)備的自身外殼和自身內(nèi)部線(xiàn)路均分別與地網(wǎng)主體進(jìn)行了連通，且這2個(gè)連通是互不干涉的，均具有良好的接地效果，從而達(dá)到可以在整個(gè)觀測(cè)場(chǎng)平面的尺度上等電勢(shì)，這樣就基本上解決了雷電影響所帶來(lái)的電勢(shì)不均衡從而產(chǎn)生跨步電壓的問(wèn)題，對(duì)于觀測(cè)人員在觀測(cè)場(chǎng)的人身安全也提供了一定的保障。至此，就形成了整體閉合接地系統(tǒng)，即縱橫連接、上下連接的立體接地系統(tǒng)。經(jīng)實(shí)測(cè)，多處接地電阻幾乎相等為1.2 Ω，顯示出了良好的通路效果。圖4桐城國(guó)家基準(zhǔn)氣候站觀測(cè)場(chǎng)接地系統(tǒng)剖面圖3.2觀測(cè)場(chǎng)屏蔽系統(tǒng)由于有了縱橫連接、上下連接的立體接地系統(tǒng)如此復(fù)雜的接地，當(dāng)然要考慮到屏蔽問(wèn)題，否則受雷電影響，互相產(chǎn)生干涉，就會(huì)破壞整體的等電勢(shì)。可以從3個(gè)方面來(lái)考慮屏蔽問(wèn)題。

3.2.1橋架的屏蔽。首先，觀測(cè)儀器設(shè)備數(shù)據(jù)線(xiàn)路均是放在橋架上，因此為了防止數(shù)據(jù)線(xiàn)路受到雷電的影響，要對(duì)橋架進(jìn)行屏蔽（圖5）。橋架選用不銹鋼材料除了防止腐蝕之外，還提供了一定的屏蔽作用；同時(shí)在橋架和每個(gè)觀測(cè)儀器設(shè)備之間的數(shù)據(jù)線(xiàn)路采用了PVC管進(jìn)行套接，且橋架和支撐之間全部采用跨接，有效地對(duì)線(xiàn)路進(jìn)行了屏蔽保護(hù)，使數(shù)據(jù)線(xiàn)路遭受雷電侵害的可能降到最小。

3.2.2觀測(cè)儀器自身的屏蔽。觀測(cè)儀器分為自身的外殼和內(nèi)部的處理系統(tǒng)（通常有數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾娋€(xiàn)出入）。首先來(lái)處理觀測(cè)儀器自身的外殼，其外殼一般均有底座，底座上有螺絲固定，因此可以從主體地網(wǎng)中預(yù)先引出一根扁鐵，其上留出小孔，然后用銅線(xiàn)和觀測(cè)儀器的底座上的小孔進(jìn)行跨接，用螺絲固定，這樣，使得觀測(cè)儀器自身也與地網(wǎng)連通，同時(shí)，電勢(shì)趨于均衡。

3.2.3觀測(cè)儀器內(nèi)部線(xiàn)路的屏蔽。接著來(lái)處理觀測(cè)儀器自身的線(xiàn)路。觀測(cè)儀器最主要的就是當(dāng)它采集或處理完數(shù)據(jù)時(shí)，需要把這些采集或處理結(jié)果通過(guò)電線(xiàn)傳輸?shù)綐I(yè)務(wù)室相應(yīng)的設(shè)備上，這其中的傳輸線(xiàn)路非常容易遭受雷電的侵害，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)的缺失或錯(cuò)誤，因此，要非常重視觀測(cè)儀器內(nèi)部線(xiàn)路的雷電防護(hù)。把觀測(cè)儀器的內(nèi)部線(xiàn)路進(jìn)行PVC穿管（這其實(shí)就是一種屏蔽保護(hù)），連接到橋架上，且在橋架遭遇到支撐或別的接地體的時(shí)候（就是縱橫交叉處、上下交叉處），這時(shí)候如果接受到雷電，那么在這些位置上就非常容易產(chǎn)生感應(yīng)雷電流，從而損壞的數(shù)據(jù)線(xiàn)路。所以，在這些敏感位置上用PVC管對(duì)在橋架內(nèi)的線(xiàn)路進(jìn)行再次的套接保護(hù)，在最大程度上對(duì)線(xiàn)路進(jìn)行屏蔽保護(hù)。

通過(guò)縱橫連接、上下連接的立體的整體閉合接地系統(tǒng)，通過(guò)仔細(xì)謹(jǐn)慎的屏蔽保護(hù)措施，使得雷電對(duì)觀測(cè)場(chǎng)的傷害降到了最低，從而有效地保護(hù)了桐城國(guó)家基準(zhǔn)氣候站觀測(cè)場(chǎng)的儀器安全和人員安全。

4對(duì)于今后觀測(cè)場(chǎng)雷電防護(hù)的思考

由于觀測(cè)場(chǎng)具備了重要的功能和設(shè)備，所以對(duì)它的雷電防護(hù)應(yīng)該有足夠的重視，觀測(cè)場(chǎng)的雷電防護(hù)是重中之重，必須要層層設(shè)防，通過(guò)外部和內(nèi)部?jī)煞矫鎭?lái)進(jìn)行防護(hù)。外部主要就是避雷針、避雷網(wǎng)、避雷帶以及引下線(xiàn)、接地體、地網(wǎng)等[3]，而內(nèi)部則是電涌保護(hù)器、等電位連接以及線(xiàn)路的屏蔽、跨接等。

4.1要統(tǒng)一部署要嚴(yán)格按照防雷規(guī)范要求，實(shí)行統(tǒng)一設(shè)計(jì)思路、統(tǒng)一設(shè)計(jì)施工、統(tǒng)一安全驗(yàn)收，從整體上把握雷電防護(hù)的部署，做到心中有數(shù)、進(jìn)度有數(shù)、施工有數(shù)、驗(yàn)收有數(shù)[4]。建立安全長(zhǎng)效的雷電防護(hù)機(jī)制，同時(shí)加強(qiáng)觀測(cè)場(chǎng)及觀測(cè)設(shè)備的維護(hù)與管理。

4.2直擊雷防護(hù)觀測(cè)場(chǎng)的直擊雷防護(hù)主要是依據(jù)避雷針來(lái)進(jìn)行，根據(jù)今后觀測(cè)場(chǎng)的需要，必須要設(shè)計(jì)數(shù)個(gè)獨(dú)立的避雷針來(lái)進(jìn)行交叉覆蓋保護(hù)，且拉避雷網(wǎng)線(xiàn)進(jìn)行進(jìn)一步的雷電防護(hù)。通過(guò)避雷針和避雷網(wǎng)，再加上良好的引下線(xiàn)、接地體和整體閉合地網(wǎng)，對(duì)直接雷的防護(hù)還是有比較大的把握。

4.3電路線(xiàn)路屏蔽如何做好數(shù)據(jù)線(xiàn)路的屏蔽從而來(lái)防范雷電波的侵入是非常重要的，因?yàn)槔纂姴ǖ那秩肟梢詫?duì)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)和供電系統(tǒng)造成極大的危害，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜笔нz漏和供電系統(tǒng)的癱瘓，因此，在觀測(cè)場(chǎng)到業(yè)務(wù)室之間應(yīng)該使用全程埋地方式，最好使用橋架進(jìn)行隔離絕緣，當(dāng)與防直擊雷接地體近距離相交叉時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸線(xiàn)路或電線(xiàn)應(yīng)穿鋼管隔離（≥2 m），鋼管兩端應(yīng)就近與接地裝置相連。同時(shí)，在觀測(cè)儀器自身的外殼和內(nèi)部的數(shù)據(jù)線(xiàn)路上也應(yīng)該采用分別的屏蔽，從而來(lái)保證數(shù)據(jù)線(xiàn)路的安全[5]。

4.4等電位連接所有觀測(cè)設(shè)備的金屬部分應(yīng)就近與接地裝置作等電位連接，同時(shí)觀測(cè)設(shè)備應(yīng)遠(yuǎn)離獨(dú)立避雷針5 m以上。同時(shí)，鋼管的上下端應(yīng)該與避雷針作等電位連接，零線(xiàn)做重復(fù)接地，以便有效降低零地電壓。

4.5浪涌保護(hù)器業(yè)務(wù)室作為接受觀測(cè)場(chǎng)數(shù)據(jù)從而進(jìn)行分析處理的地方顯得尤為重要，這里每天有大量的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總和處理，也就有大量的線(xiàn)路通過(guò)觀測(cè)場(chǎng)從地下集中進(jìn)入業(yè)務(wù)室。因此業(yè)務(wù)室設(shè)備的保護(hù)，尤其是電路方面的保護(hù)就特別的重要。浪涌保護(hù)器可以在總配電柜、分配電柜以及設(shè)備前段這3個(gè)部分分別實(shí)行保護(hù)，也就是說(shuō)可以進(jìn)行三級(jí)防護(hù)（圖6）。通過(guò)這三級(jí)防護(hù)可以在遇到雷電流侵入的情況下，通過(guò)三級(jí)分流有效地把雷電流的大小降低到設(shè)備可以承受的范圍之內(nèi)，從而使得設(shè)備可以安全的工作，不會(huì)造成任何數(shù)據(jù)傳輸或功能方面的損失[6]。

5結(jié)語(yǔ)

（1）通過(guò)對(duì)觀測(cè)場(chǎng)的避雷保護(hù)范圍的計(jì)算以及觀測(cè)場(chǎng)內(nèi)觀測(cè)儀器高度的考慮，分別計(jì)算了地面的保護(hù)半徑和在1.2 m的高度上的保護(hù)半徑，計(jì)算結(jié)果證明，風(fēng)塔的避雷保護(hù)范圍可以覆蓋整個(gè)觀測(cè)場(chǎng)以及觀測(cè)場(chǎng)內(nèi)的儀器設(shè)備。

（2）采用整體閉合接地是有效降低接地電阻的方法之一，特別是在高山觀測(cè)場(chǎng)的防雷施工中，通過(guò)重新挖防雷地溝、敷設(shè)不銹鋼橋架、觀測(cè)儀器自身和內(nèi)部線(xiàn)路分別接地等方法使得整個(gè)觀測(cè)場(chǎng)的電勢(shì)相等，這樣就可以有效地避免受雷電侵害所產(chǎn)生的電勢(shì)不均衡（即產(chǎn)生跨步電壓），從而為觀測(cè)儀器的安全使用和觀測(cè)人員的人身安全提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

（3）同時(shí)還要做好屏蔽，包括儀器自身和內(nèi)部線(xiàn)路的屏蔽。只有屏蔽做好了，觀測(cè)場(chǎng)儀器設(shè)備的數(shù)據(jù)線(xiàn)路才能得到有效的保護(hù)，才能保障觀測(cè)儀器設(shè)備的正常使用，才能使得氣象資料和數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、及時(shí)、有效。