某自動氣象站雷擊事故調(diào)查分析

楊濟波

(貴州省黔南自治州氣象局，貴州 都勻 558000)

1 引言

某自動氣象站位于 107°32'E、26°19'N，海拔969.1 m的某市北郊，屬國家基本站，于2007年1月1日投入使用(市區(qū)老站始建于1957年1月1日)。因自動站所處地勢相對于周邊來說比較高，而且金屬設(shè)備較多，所以該站為雷電經(jīng)常光顧的場所。近幾年來，該站多次遭受雷擊，造成該站觀測中斷事故經(jīng)常發(fā)生。今年5月和7月，該站又先后兩次遭受雷擊，損失嚴重。7月份的雷擊事故發(fā)生后，筆者接受邀請，到現(xiàn)場進行了仔細的調(diào)查，調(diào)查中發(fā)現(xiàn)該站的防雷系統(tǒng)在很多方面存在弊端，現(xiàn)指出來并提出整改意見，供整改參考。

2 雷擊情況

該站自投入使用的第3年開始至今，幾乎每年都有1～2次的雷擊事故發(fā)生，而且，每次雷擊事故發(fā)生時，受損壞的部分要么是“采集器+值班室計算機信號傳輸接口”，要么是“采集器+傳感器+值班室計算機信號傳輸接口”，沒有看到自動站內(nèi)的金屬設(shè)備外殼遭受雷擊的情況發(fā)生，亦沒有看到由于電源線路的安全問題而造成雷擊事故的現(xiàn)象發(fā)生。

初步判斷:雷擊事故的發(fā)生，是因為雷電來襲時，由于某種原因產(chǎn)生的高電位沖擊某個或多個數(shù)據(jù)采集設(shè)備使其損壞;或是因為雷電來襲時，由于某種原因感應(yīng)出的強雷電流首先侵入某個數(shù)據(jù)采集設(shè)備使其損壞，并通過數(shù)據(jù)傳輸線傳輸，造成其它數(shù)據(jù)采集設(shè)備連環(huán)損壞。

那么，為什么會產(chǎn)生高電位沖擊的現(xiàn)象?抑或雷電流又是怎么感應(yīng)出來并沖擊采集設(shè)備的呢?

3 防雷系統(tǒng)基本情況

3.1 直擊雷防護

該站在觀測場北面距自動接風桿7 m處，安裝有27 m高的鋼架塔式獨立避雷針進行接閃，并利用針體作引下線，對整個觀測場內(nèi)的設(shè)備進行防直擊雷保護。

值班室位于觀測場東面，距觀測場約100 m的某雷達站塔樓3樓內(nèi)。雷達站塔樓樓頂安裝有3支等高避雷針，并用塔樓柱筋作引下線，塔樓及塔樓內(nèi)的所有設(shè)備均處在有效的直擊雷保護范圍內(nèi)。

3.2 電源防護

3.2.1 自動氣象站與雷達站共用同一電源系統(tǒng)。供電電源為TN－S制，電源線在入戶前穿鋼管埋地80多米，入戶后電纜外皮及鋼管均與地網(wǎng)可靠連接。

3.2.2 在塔樓電源入戶處安裝響應(yīng)時間 ≤25 ns，殘壓≤3.0 kV，標稱放電電流≥60 kA的三相電源避雷器作1級防護。

3.2.3 在中心機房配電柜內(nèi)安裝響應(yīng)時間≤25 ns，殘壓≤2.3 kV，標稱放電電流≥40 kA的三相電源避雷器作2級防護。

3.2.4 在值班室UPS電源輸入端安裝響應(yīng)時間≤25 ns，殘壓≤1.5 kV，標稱放電電流≥20 kA的單相電源避雷器作3級防護。

3.2.5 值班室機房設(shè)備共用響應(yīng)時間≤25 ns，殘壓≤1.2 kV，標稱放電電流≥5 kA的防雷插座。

3.3 信號防護

該站在采集器輸出端安裝信號電涌保護器，在值班室計算機信號傳輸接口安裝信號電涌保護器。(經(jīng)檢測，這兩個信號電涌保護器已壞。)

3.4 地網(wǎng)工程

自動氣象站防雷地網(wǎng)由3個獨立地網(wǎng)合并而成，一個是觀測場內(nèi)地網(wǎng)，一個是獨立避雷針地網(wǎng)，另一個是雷達站塔樓地網(wǎng)，整個地網(wǎng)接地電阻3.4 Ω。另外，在觀測場南面距觀測場地網(wǎng)3m左右處還有一個高壓線路避雷線地網(wǎng)，但該地網(wǎng)未與自動站防雷地網(wǎng)相連接，如圖1所示，而且與避雷線搭接的電桿拉線安裝在觀測場內(nèi)，接地電阻15Ω。

圖1 防雷地網(wǎng)布局

3.5 等電位連接

觀測場內(nèi)除兩根風桿外其它設(shè)備外殼均與地網(wǎng)作有效連接，兩根風桿未與地網(wǎng)作有效連接，值班室地板下因未安裝接地匯流環(huán)(排)，所以所有設(shè)備均未作有效的等電位連接。

3.6 線路敷設(shè)及屏蔽

觀測場內(nèi)信號線及電源線分別沿地溝單獨穿鋼管屏蔽敷設(shè)，鋼管首尾有效跨接，且分別與就近地網(wǎng)有效焊接;信號線及電源線從觀測場分別單獨穿鋼管屏蔽敷設(shè)延伸至雷達站塔樓外側(cè)，鋼管首尾有效跨接，且首端與觀測場地網(wǎng)有效焊接，尾端與塔樓地網(wǎng)有效焊接，從塔樓外側(cè)到3樓值班室的信號及電源線用PVC管套裝敷設(shè)，PVC管距塔樓1、2樓外墻柱筋約0.7 m;信號線屏蔽層中途折斷，在值班室端測量屏蔽層接地電阻為無窮大。

4 雷擊原因分析及整改意見

通過對該站防雷系統(tǒng)的調(diào)查，不難發(fā)現(xiàn)該站雷電防護主要在以下3個方面存在隱患，使其經(jīng)常遭受雷害。

①沒有完全采用共用接地系統(tǒng)，這是造成雷擊損害的主要原因之一。該自動站觀測場南面的高壓線路避雷線地網(wǎng)與自動站防雷地網(wǎng)之間沒有隔開安全的距離，且又未作有效連接，當雷電來襲使高壓線防雷線遭受雷擊時，雷電流將沿引下線和接地體入地，在此過程中，雷電流在高壓線防雷系統(tǒng)中產(chǎn)生的暫態(tài)高電壓，將首先向沒有接受雷擊的觀測場地網(wǎng)產(chǎn)生反擊，使得電源PE線及信號系統(tǒng)邏輯接地線與觀測場地網(wǎng)相連的數(shù)據(jù)采集設(shè)備發(fā)生放電擊穿，導致設(shè)備嚴重損壞。所以，兩個防雷地網(wǎng)需作有效連接形成統(tǒng)一地網(wǎng)，以降低地網(wǎng)之間的電位差，防止地電位反擊損壞設(shè)備。同時，共用接地系統(tǒng)接地電阻未達到≤2Ω的要求，會造成發(fā)生雷擊時雷電流在接地極上產(chǎn)生的瞬間高電位對設(shè)備造成沖擊，損壞設(shè)備。因該站所處環(huán)境土壤電阻率較高(沙土)，并且觀測場四周無延伸重復接地的條件，所以可采用澆灌降阻劑或換土法對地網(wǎng)進行改造，使地網(wǎng)接地電阻達到標準。

②觀測場內(nèi)風桿未與地網(wǎng)可靠連接，這是造成雷擊損害的另一個主要原因。風桿地腳支撐板與接地線之間靠一根螺桿相互搭接，而風桿地腳支撐板與螺桿之間是活動套接的，所以風桿沒有可靠接地。當獨立避雷針遭受雷擊而產(chǎn)生的強大雷電流沿針桿下泄入地的瞬間，會在其周圍產(chǎn)生較大的交變電磁場，自然會在其旁邊的風桿上產(chǎn)生較強的交變電流，因為風桿沒有可靠接地，所以電流將沖擊安裝在風桿上面的風傳感器，同時，雷電流會通過數(shù)據(jù)信號線繼續(xù)沖擊采集器及與之相連的計算機，產(chǎn)生二次雷擊損害(圖2)。

圖2 風桿雷擊風險示意圖

③信號電涌保護器沒有起到應(yīng)有的保護作用，這是造成采集器或值班室計算機信號傳輸接口遭受沖擊損壞的另一個主要原因。該處電涌保護器的作用是把竄入信號傳輸線的瞬時過電壓限制在采集器或計算機信號傳輸接口所能承受的電壓范圍內(nèi)，或?qū)姶蟮睦纂娏餍沽魅氲?，保護采集器或計算機信號傳輸接口等設(shè)備不受沖擊而損壞。所以，應(yīng)該重新選擇安裝性能良好的信號電涌保護器，并在每年雷雨季節(jié)前及每次雷雨過后對其進行檢測，讓其隨時保持良好的工作狀態(tài)，保護好信號傳輸線兩端的設(shè)備，免遭沖擊損壞。

5 其它隱患及整改意見

①從塔樓外側(cè)到3樓值班室的信號線及電源線的安裝不合理，應(yīng)該分別用鋼管或金屬線槽屏蔽敷設(shè)安裝，且下端分別與塔樓地網(wǎng)及從觀測場延伸安裝過來的鋼管作有效焊接，中部與塔樓的2樓川梁作有效焊接，頂端與3樓待安裝的匯流排作有效連接，一方面使信號線和電源線得到很好的屏蔽保護，避免因雷擊塔樓樓頂避雷針產(chǎn)生的泄流流經(jīng)旁邊的柱筋時產(chǎn)生的雷電電磁脈沖干擾帶來的設(shè)備損害，另一方面使觀測場內(nèi)設(shè)備與值班室內(nèi)設(shè)備處在同一個電位水平上，避免因電位差帶來的設(shè)備損害。

②信號線屏蔽層中途折斷，會使信號得不到較好的屏蔽保護，同時會使與信號線首尾兩端相連接的設(shè)備間存在電位差，存在高電位沖擊設(shè)備的可能，所以必須更換信號線。

③值班室內(nèi)所有設(shè)備未作等電位連接，存在設(shè)備間高電位沖擊的隱患。應(yīng)在值班室地板下沿墻角四周安裝一個閉合匯流環(huán)，匯流環(huán)與墻體四周的柱筋作有效焊接，應(yīng)盡量做到四周多處焊接，并且在匯流環(huán)上多處焊上接線端子，然后用不＜10 mm2的多股銅芯線把室內(nèi)所有設(shè)備的外殼、地板支架、設(shè)備所有外部接口、與設(shè)備較近的其它導電物體等就近與接線端子連接，使值班室內(nèi)的所有設(shè)備及其它導電物體均處在一個相同的電位水平上，防止設(shè)備間因瞬間高電位沖擊造成的損害。

6 結(jié)束語

一個完整的防雷系統(tǒng)不僅要考慮接閃、分流、限壓等工程因素，還必須充分考慮接地、屏蔽、均壓及等電位連接等工程因素，將雷電能通過合理有效的路徑安全的泄入地下，這樣才能盡量避免雷電災(zāi)害的發(fā)生。