氣象觀測場的雷電防護(hù)技術(shù)探討

黎燦明，羅君俏，黎玉燕，李敬源，唐 毅，吳滿春

（蒼梧縣氣象局，廣西 蒼梧 543100）

1 引言

氣象觀測場是氣象業(yè)務(wù)系統(tǒng)的重要組成部份，隨著氣象現(xiàn)代化業(yè)務(wù)建設(shè)的推進(jìn)，氣象觀測場已經(jīng)安裝有相當(dāng)多的自動化數(shù)據(jù)采集、傳輸和監(jiān)控等電子電器設(shè)備，這些設(shè)備二十四小時都要求在線運行，為了保障這些儀器設(shè)備的平穩(wěn)正常運行，免受雷電活動的影響，氣象部門將觀測場列為重要的雷電防護(hù)對象之一，出臺有專門的配套防雷技術(shù)規(guī)范。但是，由于雷災(zāi)成因形式多樣，通道復(fù)雜，近年來，氣象部門的觀測場還經(jīng)常出現(xiàn)受雷擊致業(yè)務(wù)受影響的事件。本文通過對2016年8月10日15時30分左右蒼梧縣氣象局觀測場遭受雷擊的事件進(jìn)行分析，探討進(jìn)一步完善和提高氣象觀測場的雷電防護(hù)技術(shù)和方法。

2 龍圩國家氣象觀測場8月10日雷擊概況

龍圩國家氣象觀測站為國家一般氣象觀測站，業(yè)務(wù)觀測場的防雷設(shè)施在2015年10月進(jìn)行了整改，采用兩支不等高的避雷針進(jìn)行保護(hù)。在2016年8月10日15時30分左右，一道閃電從靠近風(fēng)向風(fēng)速儀邊的避雷針引下大地，并伴有巨大的雷鳴聲，觀測場的自動觀測系統(tǒng)癱瘓，事后調(diào)查，這次雷擊導(dǎo)致一批設(shè)備受損，它們分別是：位于A處（見龍圩國家氣象觀測場防雷設(shè)施及設(shè)備分布圖）的新型站地溫分采采集器一個（型號：HY1310，設(shè)備號碼：131013061211）和舊站地溫變送器一個 （型號：CAWS－BS01），位于B處的新型站地溫傳感器一條（型號：WZPL，設(shè)備號碼：0137），位于 C 處的新型主采 集 器 一 個（ 型 號 ：HY3000，設(shè) 備 號 碼 ：300014054830）、新型站溫濕分采采集器一個（型號：TH1101，設(shè)備號碼：110112060917）、舊型站采集器一個（型號：DT50，設(shè)備號碼：45494）和舊站防雷板一個，位于D處的新型站綜合集成硬件控制器一個，儀器設(shè)備直接損失接近七萬元。

3 雷災(zāi)成因分析

圖1 龍圩國家氣象觀測場防雷設(shè)施及設(shè)備分布圖

龍圩國家氣象觀測場防雷設(shè)施及設(shè)備分布見圖1，觀測場及周邊場地的土壤電阻率為68Ω.m。下面從兩個方面進(jìn)行分析造成這次雷災(zāi)的可能原因。

3.1 直擊雷防護(hù)方面欠缺

從圖上可以看到，觀測場預(yù)防直擊雷是采用兩支不等高的避雷針進(jìn)行保護(hù)，東邊的為1＃避雷針，針高26.0m，西邊的為2＃避雷針，針高11m，根據(jù)國家防雷技術(shù)規(guī)范GB20057－2010按二類建筑物要求計算，可有效保護(hù)到觀測場內(nèi)（25m＊25m）的設(shè)備和人員安全，免受直擊雷的雷擊，這次的雷擊是從1＃避雷針引下，證明避雷針的保護(hù)是有效的。避雷針的地網(wǎng)和觀測場內(nèi)的設(shè)備接地地網(wǎng)共用，其接地沖擊電阻為2.1Ω，受損的設(shè)備分別位于A、B、C和D處，這些設(shè)備均位于金屬箱內(nèi)，金屬箱封閉，僅有小孔供數(shù)據(jù)線出入，金屬箱進(jìn)行了接地。C點為十m高鐵塔，離受擊的1＃避雷針最近，新、舊兩套風(fēng)向風(fēng)速測量儀安裝在塔頂上，有數(shù)據(jù)線從頂部穿金屬管引下至地溝內(nèi)，經(jīng)過地溝內(nèi)的金屬線合引入箱內(nèi)與受損的設(shè)備連接，C點上的儀器與1＃避雷針的空中距離為8.5m，遠(yuǎn)超國家防雷技術(shù)規(guī)范 GB20057－2010一類標(biāo)準(zhǔn)防雷反擊的安全距離要求，從風(fēng)塔上安裝的設(shè)備看，避雷針受雷擊時沒有在空中對風(fēng)塔本身及其上的設(shè)備進(jìn)行反擊，A點、B點和D點離受擊的避雷針更遠(yuǎn)，所以設(shè)備外的金屬箱在空中不會受到直擊雷從1＃避雷針引下時的雷電反擊。

由于避雷針的地網(wǎng)和觀測場內(nèi)的設(shè)備接地地網(wǎng)共用，現(xiàn)在分析下是否是雷電入地后產(chǎn)生的高電位通過地網(wǎng)對設(shè)備形成反擊。從圖上可以看到，觀測場內(nèi)設(shè)備的接地地網(wǎng)是沿觀測場內(nèi)四周鋪設(shè)成環(huán)形，避雷針的地網(wǎng)與觀測場的地網(wǎng)是通過遠(yuǎn)端連接。受損設(shè)備與受擊的避雷針接地點距離最近點是A點，接地體物理連接的距離為34m，B點、C點和D點的接地體物理連接距離分別為37m、44m和57m。雷擊避雷針時在A點的電壓最高，但A點的金屬殼沒有對數(shù)據(jù)線反擊放電，主要基于以下考慮：（1）參照電力行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)，避雷針接地點與設(shè)備接地點的電氣距離應(yīng)大于15m，這可保證當(dāng)雷擊避雷針時過電壓波在沿地網(wǎng)向設(shè)備接地點傳播過程中有足夠的衰減而不對設(shè)備發(fā)生反擊。A點與雷電入地點距離34m，遠(yuǎn)超這一要求。同時，布施接地體的土壤電阻率比較低，有較好的散電傳電能力。（2）在A點附近與雷電入地點距離更近的E處接地金屬箱內(nèi)的設(shè)備都沒有受到損壞。（3）引入箱內(nèi)的數(shù)據(jù)線完好，經(jīng)對數(shù)據(jù)線在入箱口處進(jìn)行核查，沒有發(fā)現(xiàn)反擊點現(xiàn)象。

3.2 雷電感應(yīng)防護(hù)方面欠缺

觀測場安裝的金屬設(shè)備 （或有金屬殼保護(hù)的設(shè)備）就近和接地點連接，觀測場內(nèi)設(shè)備之間及與業(yè)務(wù)室相聯(lián)的數(shù)據(jù)線采用金屬管或線槽埋地聯(lián)接，金屬管或線槽與金屬管或線槽間進(jìn)行了電氣連接，且兩端進(jìn)行了接地。符合防雷技術(shù)相關(guān)規(guī)范的要求。

在C處，為風(fēng)向風(fēng)速儀安裝的鐵塔位置，離受擊的1#避雷針最近，有超十m的數(shù)據(jù)線從塔頂穿三段金屬管引下，每段金屬管與鐵架連接而接地，但金屬管與金屬管之間沒有連接。這條數(shù)據(jù)線是采用單層金屬管進(jìn)行屏敝，金屬管懸掛在空中。根據(jù)專家研究認(rèn)為，這種方式的屏蔽對防靜電感應(yīng)效果較好，但對磁場強(qiáng)度變化所感應(yīng)的電壓防護(hù)效果有所欠缺。雷擊避雷針時，雷電流在所流經(jīng)的線路周圍產(chǎn)生很強(qiáng)的暫態(tài)脈沖磁場，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，這種快速變化的脈沖磁場交鏈這條數(shù)據(jù)線回路，在回路中感應(yīng)出電動勢，產(chǎn)生過電壓和過電流，導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集板損壞（位于C處），過電流通過與該主板相連的導(dǎo)線向外傳輸，導(dǎo)致位于D處的綜合集成硬件控制器、A處和B處的設(shè)備損壞。

綜合上述分析，2016年8月10日15時30分左右龍圩國家氣象觀測場遭受雷擊致災(zāi)的原因為風(fēng)向風(fēng)速儀的數(shù)據(jù)線沒有得到有效的屏蔽造成。

4 氣象業(yè)務(wù)觀測場雷電防護(hù)改善方案

4.1 地網(wǎng)鋪設(shè)

觀測場設(shè)備接地的地網(wǎng)沿觀測場的四周進(jìn)行環(huán)型鋪設(shè)，水平接地體采用40＊4的鍍鋅扁鋼，垂直接地體采用50＊5的鍍鋅角鋼，在需要接地的設(shè)備處預(yù)留接地抽頭，接地電阻要求小于4Ω，觀測場的地網(wǎng)應(yīng)與業(yè)務(wù)房內(nèi)設(shè)備的接地地網(wǎng)連接。

當(dāng)避雷針與觀測場的設(shè)備接地地網(wǎng)共用時，需增加輔助接地網(wǎng)，水平接地體采用40＊4的鍍鋅扁鋼，垂直接地體采用50＊5的鍍鋅角鋼，并適當(dāng)增加垂直接地體數(shù)量，輔助地網(wǎng)為環(huán)型，有效半徑大于5m，輔助地網(wǎng)與觀測場設(shè)備地網(wǎng)采用遠(yuǎn)端連接，并要求確保避雷針接地點與設(shè)備接地點的物理連接距離大于15m，這可保證當(dāng)雷擊避雷針時過電壓波在沿地網(wǎng)向設(shè)備接地點傳播過程中有足夠的衰減而不對設(shè)備發(fā)生反擊。

當(dāng)避雷針的接地網(wǎng)與觀測場的設(shè)備接地地網(wǎng)不共用時，要求其地網(wǎng)接地電阻不大于10Ω，兩個地網(wǎng)在地中的距離要大于0.3Ri（Ri避雷針的接地沖擊電阻），但不能小于3m。當(dāng)場地允許時，盡量增大兩個地網(wǎng)在地中的距離，避免避雷針在受雷擊時對設(shè)備地網(wǎng)進(jìn)行反擊。

4.2 直擊雷防護(hù)措施

觀測場的直擊雷防護(hù)采用在觀測場外圍布置獨立避雷針，可采用單針或多針的形式進(jìn)行保護(hù)，避雷針的高度要求能保護(hù)場內(nèi)設(shè)備和業(yè)務(wù)人員在場內(nèi)使用、維護(hù)設(shè)備時免受直擊雷雷擊，滾球半徑按45m進(jìn)行計算。避雷針的制作可參照圖集D565（一）。避雷針與被保護(hù)設(shè)備在空中的距離大于0.2Ri+0.1h（h為被保護(hù)物高度），但最少不能小于3m，避免雷擊避雷針時對設(shè)備進(jìn)行反擊。在觀測場，風(fēng)向風(fēng)速和攝像監(jiān)控設(shè)備安裝的位置最高，且有數(shù)據(jù)線引下，為減弱避雷針受雷擊時對這些設(shè)備的影響，可通過增高避雷針的辦法盡量增大避雷針與這些設(shè)備的距離。

4.3 感應(yīng)雷防護(hù)措施

觀測場安裝的金屬設(shè)備 （或有金屬殼保護(hù)的設(shè)備）就近和接地點連接，觀測場內(nèi)設(shè)備之間及與業(yè)務(wù)室相聯(lián)的數(shù)據(jù)線要采用金屬管或線槽埋地屏蔽，金屬管與金屬管間要封閉連接，兩端接地。

風(fēng)向風(fēng)速和攝像監(jiān)控設(shè)備安裝的位置最高，有超十m的數(shù)據(jù)線引下，這些數(shù)據(jù)線要采用雙層金屬管（或線槽）進(jìn)行屏敝，外層金屬管頂、底兩端采用專用銅芯線與接地體連接，內(nèi)層金屬管底端進(jìn)行接地，內(nèi)外兩層金屬管要絕緣隔離，每層金屬管管與管之間要密封連接。

5 小結(jié)

（1）通過對2016年8月10日15時30分左右龍圩國家氣象觀測場遭受雷擊的事件原因進(jìn)行分析，認(rèn)為觀測場采用共用接地裝置是可行的，但要采取一些適當(dāng)措施。

（2）風(fēng)向風(fēng)速和攝像監(jiān)控設(shè)備的數(shù)據(jù)線是最易引雷的地方，現(xiàn)狀的安裝方法不能有效的屏蔽電磁脈沖輻射，可通過改進(jìn)屏蔽方法來提高雷電防護(hù)能力。

由于雷電成因復(fù)雜，且沒能做到具體量化的測量和計算，是參照有關(guān)理論提出上述觀點，僅供參考。

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