雷擊電磁脈沖對氣象臺站業務平臺的影響分析及對策

吳 晶

(貴州省習水縣氣象局，貴州 習水 564600)

1 引言

近年來，隨著氣象現代化的深入推進，以計算機及其網絡設備為主要依托的集綜合觀測、監測預警、預報服務于一體的綜合氣象業務平臺(簡稱業務平臺)正在建設中。我省氣象臺站依據國家、行業制定的有關防雷設計規范開展防雷設計、安裝，業務平臺防御直接雷擊和雷擊電磁脈沖的措施進一步完善，但是業務平臺防御雷擊電磁脈沖措施主要集中在等電位連接和共用接地、線纜敷設等方面，而屏蔽措施重視不夠。該文通過對氣象臺站附近發生雷擊和直接遭受雷擊時雷擊電磁脈沖的影響分析，提出防御雷擊電磁脈沖的屏蔽措施對策建議。

2 臺站附近發生雷擊時磁場強度的計算

貴州省氣象臺站建筑物一般為3～4 層，按照QX4－2000《氣象臺(站)防雷技術規范》，氣象臺站建筑物應為第二或第三類防雷建筑物，由于氣象臺站業務平臺在防災減災中的重要性，為防雷安全考慮，可以提升為第二類防雷建筑。根據GB50057－2010《建筑物防雷設計規范》條文說明，雷閃電氣－幾何模型整理后為:I =(hr/10)1.54(hr—滾球半徑，I—與hr相對應的得到保護的最小雷電流幅值)。若將氣象臺站業務平臺用房作為第二類防雷建筑，則hr=45 m，I=10.1≈10 kA。即雷電流小于10 kA時，在距離氣象臺站業務用房小于等于45 m 處發生閃擊時，將會擊在建筑物上;閃電有可能穿過接閃器擊于被保護物上，等于和大于10 kA 時，閃電將擊于接閃器(直擊雷擊)。

根據GB50057－2010《建筑物防雷設計規范》，當發生雷擊時，距離雷擊通道Sa遠處的某點的電磁場按下式計算:

H0:距離雷擊通道Sa(m)遠處的磁場強度(A/m)

I:雷電流強度(KA))

Sa:計算點與距離雷擊通道的距離(m)

以臺站附近50 m、100 m、200 m 處分別發生50 kA、100 kA、150 kA、200 kA 雷電閃擊為例，根據(1)式計算雷擊電磁脈沖結果如表1。由表1 可見，即使臺站附近50 m 處發生250 kA 雷擊，對應的H0均小于800 A/m。根據貴州雷電監測網監測資料，貴州最大正閃強度、最大負閃強度一般不超過250 kA，而大于200 kA 的百分率一般在1%以內。因此，可以認為，在不考慮臺站附近雷擊對進入業務平臺管線的影響下，附近雷擊產生的電磁脈沖不會對其業務平臺電子設備造成影響。

表1 附近雷擊電磁脈沖計算

3 雷電擊中建筑物時內部磁場強度的計算

3.1 引下線雷電分流系數

當氣象臺站(一般為3～4 層)遭受直接雷擊時，雷電流將經引下線分流入地，考慮引下線均與各樓層圈梁鏈接，則各樓層引下線的分流系數不同。以貴州兩種典型氣象臺站業務用房(框架結構:引下線數12 根，間距6 m，層高3 m;磚混結構:引下線數6 根，間距12 m，層高3 m)為例，按照GB50057－2010《建筑物防雷設計規范》附錄5 計算各樓層引下線的分流系數Kc如表2:

表2 兩種典型的業務用房各樓層引下線的分流系數

3.2 內部無屏蔽條件下的磁場強度

以100 kA 雷電流擊中臺站業務用房為例，根據公式(1)計算兩種典型的業務用房(框架結構、磚混結構)內距離引下線Sa遠處的內部磁場強度如表3。

表3 100 KA 雷電流擊中業務用房(框架結構、磚混結構)內部磁場強度

表3 計算結果表明:框架結構業務用房頂1 層距離引下線4 m 遠處、頂2 層距離引下線2 m 遠處、頂3 層距離引下線1 m 遠處的內部磁場強度均大于800 A/m，電子設備只能安裝在頂4 層距離引下線1 m 以外、頂4 層距離引下線2 m 以外、頂2 層距離引下線3 m 以外才安全;而磚混結構業務用房只有頂3 和頂4 層距離引下線4 m 遠處的內部磁場強度才小于800 A/m，電子設備只能安裝在頂3 和頂4 層距離引下線4 m 以外才安全。顯然，無論框架結構、磚混結構的臺站，可供電子設備安裝的安全空間均不能滿足業務的需要，并且，當雷電流超過100 kA時(注:根據貴州雷電監測網監測，貴州超過100 kA的地閃概率在1%以上。如普安縣年平均雷暴日為72.8 d，100 kA 地閃強度概率1.66%，德江縣年平均雷暴日為47.5 d，100 kA 地閃強度概率2.8%)，情況更不樂觀。

3.3 采取屏蔽措施條件下，雷擊磁場強度的衰減及室內設備安全距離

當臺站業務用房采取屏蔽措施時，業務用房磁場強度從H0衰減為H1，其值按下式計算:

式中:SF—屏蔽系數(dB)，按表4 的公式計算。w─格柵形屏蔽的網格寬(m)。

電子設備的安全距離ds/1(m )按下列公式計算。

當SF ＜10 時 ds/1 = w

式中，安全距離ds/1(m )—LPZ 區內距屏蔽層的距離，室內大于該距離的空間為電子設備放置的安全空間。

表4 格柵型大空間屏蔽的屏蔽系數計算

如某臺站業務平臺用房采用銅或鋁安裝屏蔽措施，以分別安裝1.0 m ×1.0 m、0.5 m ×0.5 m、0.2 m×0.2 m 屏蔽網格為例，根據表4 中SF(dB)=20·log(8.5/w)計算，屏蔽系數分別為18.6 dB、24.6 dB、32.5 dB，根據(3)式計算，業務平臺用房安全距離分別為1.86 m、1.22 m、0.65 m，根據(2)式計算，安全空間內磁場強度分別為H0/8.5、H0/16.7、H0/44.7，即分別為原來的12%、6%、2%。表5 是使用銅或鋁不同屏蔽網格w 條件下SF、H1/H0、ds/1 計算結果，由表5 可見:屏蔽網格越密，屏蔽效果越好，此時，表3 中的計算結果均將小于800 A/m，而無論框架結構、磚混結構的臺站，電子設備安裝的安全空間就得到了擴展。臺站可以根據當地雷電流分布情況，結合業務用房的具體實際，適當選擇屏蔽措施，以擴大電子設備安全空間。

表5 不同屏蔽條件下附近雷擊電磁場衰減計算及設備安全距離

4 臺站業務平臺用房屏蔽措施

4.1 新建業務平臺用房屏蔽措施

新建業務用房應在設計階段考慮采用框架結構，所有結構柱鋼筋均應作為引下線，并與圈梁的鋼筋連接為一整體，有利于雷電流分流，減少雷電流流經引下線產生的內部磁場強度。同時應考慮在業務平臺機房的頂部、底部及外墻內側四壁及窗戶安裝至少0.5 m×0.5 m 的屏蔽網格，增大有效利用空間。

4.2 做好重要設備接地

電子設備的機箱(機殼)用金屬板加工而成，除了防靜電外，機箱本身就是一個很好的屏蔽體，要求機箱應可靠接地。實踐中很多臺站往往忽視這一規定，沒有進行接地。另外，屏蔽體應有導電連續性，即整個屏蔽體必須是一個完整的、連續的導電體，要求屏蔽體盡可能少留開口、縫隙等。因此，自動站所有設備的機箱，必須保持完整，不得在上任意開孔、開槽，箱門必須保持關閉。

4.3 調整電子設備安裝位置

對于已建的建筑物，由于難以實施屏蔽網格改造，可通過調整電子設備布局降低雷擊電磁脈沖的影響。一是將設備盡可能放置在遠離外墻的房間中部或者靠近內墻(圖1);二是盡可能避免將重要電子設備安裝在頂1 層、頂2 層。

5 結束語

①當氣象臺站附近50 m 以外發生強雷擊時，在不考慮臺站附近雷擊對進入業務平臺管線的影響下，附近雷擊產生的電磁脈沖不會對其業務平臺電子設備造成影響。

圖1 設備放置安全距離內的情形

②臺站業務平臺用房外部防雷裝置直接接閃雷電流時，較強的雷電流經引下線產生的電磁脈沖對業務用房的影響很大，框架結構業務平臺用房電子設備可利用的安全空間很小，磚混結構業務平臺用房電子設備幾乎沒有可利用的安全空間。更強的雷電流(如200 kA 以上)擊中臺站業務平臺用房時，電磁脈沖對業務用房的影響將成倍增強，對此，臺站應充分重視。

③通過對雷電直接擊中氣象臺站業務用房時產生的電磁脈沖影響進行分析，采取必要的屏蔽措施對降低雷擊電磁脈沖有很好的效果，臺站可根據當地雷電流分布情況，結合業務用房的具體實際，適當選擇屏蔽措施，擴大電子設備安全空間。

［1］GB50057－2010. 建筑物防雷設計規范［S］. 北京:計劃出版社，2011.

［2］QX3－2000. 氣象信息系統雷擊電磁脈沖防護規范［S］.防雷規范標準匯編. 中國氣象氣象學會雷電防護委員會，2005，7.

［3］QX4－2000. 氣象臺(站)防雷技術規范［S］. 防雷規范標準匯編，中國氣象氣象學會雷電防護委員會，2005.7.