費(fèi)縣自動(dòng)氣象站場(chǎng)室防雷設(shè)計(jì)和分析

摘要：本文依據(jù)建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范和自動(dòng)站防雷技術(shù)規(guī)范，對(duì)費(fèi)縣氣象局自動(dòng)站觀測(cè)場(chǎng)及工作室的防雷設(shè)計(jì)施工等進(jìn)行了分析，提出了自動(dòng)站防雷的具體措施，對(duì)做好自動(dòng)站防雷工作具有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)氣象站 工作室防雷設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TU856 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

引言

隨著氣象現(xiàn)代化建設(shè)的快速發(fā)展，我省已有120多個(gè)自動(dòng)氣象站投入業(yè)務(wù)運(yùn)行，自動(dòng)站運(yùn)行期間（尤其汛期），做好自動(dòng)站儀器的防雷工作非常必要。由于自動(dòng)站設(shè)備大都采用半導(dǎo)體和集成電路，具有絕緣強(qiáng)度低、耐過(guò)電壓和電流能力差、對(duì)電磁干擾敏感等弱點(diǎn)，近年來(lái)自動(dòng)站采集器和主機(jī)遭雷擊的事故時(shí)常發(fā)生，一方面造成觀測(cè)數(shù)據(jù)缺測(cè)和遲傳，另一方面致使自動(dòng)站設(shè)備損壞，經(jīng)濟(jì)損失嚴(yán)重。為確保自動(dòng)站系統(tǒng)安全穩(wěn)定的運(yùn)行，本文結(jié)合實(shí)際對(duì)自動(dòng)站觀測(cè)場(chǎng)及機(jī)房的防雷進(jìn)行了設(shè)計(jì)分析，總結(jié)了自動(dòng)站的雷電防護(hù)措施，供各地臺(tái)站參考。

1、雷電概況

費(fèi)縣位于沂蒙山區(qū)的蒙山山脈的南側(cè)，屬于魯東南低山丘陵區(qū)，全縣地勢(shì)海拔高程90-1000米，是全省雷暴活動(dòng)和雷擊災(zāi)害較頻繁的地區(qū)，除與冷空氣活動(dòng)路徑有關(guān)外，還與特定的地形有關(guān)，費(fèi)縣北部山高，偏南氣流繞山時(shí)構(gòu)成氣旋性渦度流場(chǎng)，北部山區(qū)也利于氣流的被迫抬升，因此費(fèi)縣北部山區(qū)成為強(qiáng)對(duì)流天氣出現(xiàn)次數(shù)較多的地區(qū)，造成雷電活動(dòng)也較為頻繁。由此看來(lái)，地形對(duì)雷電活動(dòng)也有著較為明顯的影響，費(fèi)縣的年平均雷暴日數(shù)為30天，年雷暴日數(shù)最多為44天，出現(xiàn)在1974年，年雷暴日數(shù)最少為20天，出現(xiàn)在1989年，雷暴出現(xiàn)時(shí)間一般集中在6—8份，占全年的80%。

2、觀測(cè)場(chǎng)及工作室的概況

費(fèi)縣氣象局位于縣城郊區(qū)嶺頂，由于氣象行業(yè)的特殊性及《氣象探測(cè)環(huán)境保護(hù)辦法》的規(guī)定，周?chē)鷽](méi)有高大建筑物。院內(nèi)有一個(gè)觀測(cè)場(chǎng)、一座辦公樓、一座宿舍樓；觀測(cè)場(chǎng)為高于地面1米、直徑25米的正方形建筑，內(nèi)有10米風(fēng)塔、采集器、傳感器、供電系統(tǒng)、通信系統(tǒng)；辦公樓為長(zhǎng)30米、寬15米、高12米的三層建筑，樓頂有一高2米的衛(wèi)星接收天線，自動(dòng)氣象站的工作室就位于辦公樓的一樓，工作室內(nèi)有自動(dòng)氣象站終端、衛(wèi)星接收系統(tǒng)、機(jī)房及辦公自動(dòng)化等設(shè)備，辦公樓的電源采用TN-S系統(tǒng)。

4、防雷類別及防雷設(shè)計(jì)

4.1辦公樓的防雷類別

依據(jù)GB50057-94《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》，建筑物年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)按下式計(jì)算：Ｎ =ＫＮgＡe

式中Ｎ——建筑物預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)（次/a）；

Ｋ——雷擊次數(shù)校正系數(shù)（在此類型情況下取2）；

Ｎg——建筑物所處地區(qū)雷擊大地的年平均密度[次/（Km2·a）]；

Ａe——與建筑物截收相同雷擊次數(shù)的等效面積（Km2）；

雷擊大地的年平均密度應(yīng)按下式確定：

Ng=0.024Td1.3

Td——該地區(qū)的年平均累計(jì)日數(shù)；

當(dāng)建筑物的高H小于100米時(shí)，其每邊的擴(kuò)大寬度和等效面積應(yīng)按下列公式計(jì)算確定：

D=

Ａe=[LW+2（L+W）·+H（200-H）] ·10-6

式中D——建筑物每邊的擴(kuò)大寬度（m）

L、W、H——分別為建筑物的長(zhǎng)、寬、高（m）

根據(jù)以上年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)參數(shù)，氣象局辦公樓年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)為：

Ｎ =ＫＮgＡe≈0.05次/a。

根據(jù)以上計(jì)算，參照GB50057-2010《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)劃》第3.0.4條的要求，其屬于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定三類防雷建筑物。

4.2辦公樓的直擊雷防護(hù)設(shè)計(jì)

依據(jù)GB50057-94《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求，沿女兒墻設(shè)避雷帶（通常為20 m×20 m或24 m×16 m），由于辦公樓的寬度為15 m（﹤20 m），所以可僅沿周邊設(shè)一圈避雷帶。利用立柱內(nèi)兩條對(duì)角主筋作為引下線，但引下線的平均間距不應(yīng)大于25 m；利用地梁與承臺(tái)作為水平接地體。由于樓頂有一高2 m的衛(wèi)星接收天線，所以需設(shè)一避雷針來(lái)保護(hù)衛(wèi)星天線：由于辦公樓為三類防雷建筑,所以滾球半徑R=60m；避雷針距衛(wèi)星天線3 m。（如圖一）

圖一 樓頂避雷針示意圖

根據(jù)單支避雷針保護(hù)半徑公式：

Rx=-

h≈3

避雷針的高度為3m

4.3辦公樓的內(nèi)部雷電防護(hù)設(shè)計(jì)

4.3.1辦公樓及工作室的雷電防護(hù)區(qū)劃分（見(jiàn)圖二）

圖二 辦公樓及工作室的雷電防護(hù)區(qū)劃分

將辦公樓需要保護(hù)的空間劃分為不同的雷電防護(hù)區(qū)（LPZ），以確定各LPZ空間的雷擊電磁脈沖的強(qiáng)度，并明確各雷電防護(hù)區(qū)界面等電位連接的位置，以便采取相應(yīng)的防護(hù)措施。所有進(jìn)入辦公樓的外來(lái)導(dǎo)電物體均在LPZ0B區(qū)與LPZ1區(qū)的交匯處做等電位連接

辦公樓內(nèi)各接地采用共用接地系統(tǒng)，在各雷電防護(hù)區(qū)設(shè)等電位連接母排，穿越防雷區(qū)界面的所有導(dǎo)電物、電力線、通信線、管道等均在界面處做等電位連接。

4.3.2電源電涌保護(hù)器（ＳＰＤ）的安裝

GB50057-94《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》第六章6.4.7條規(guī)定指出：在LPZ0A或LPZ0B區(qū)與LPZ1區(qū)交界處，從室外引來(lái)的線路上安裝SPD當(dāng)線路有屏蔽時(shí)，每個(gè)SPD的雷電流按雷電流的幅值的30%考慮，本辦公樓為三類防雷建筑物，電涌保護(hù)器（ＳＰＤ）應(yīng)按總電流100KA來(lái)考慮選擇，按照其建議的雷電流分配方式其中50%是通過(guò)接地系統(tǒng)（水管、鎧裝電纜外皮或?qū)Ь€的金屬保護(hù)管等）直接入地；另外50%通過(guò)安裝在相線和中性線上的電涌保護(hù)器入地。

依據(jù)以上標(biāo)準(zhǔn)每相上的雷電流約為：

當(dāng)線路有屏蔽時(shí)，Iimp=[100KA×50%×30%]÷4=3.75KA

對(duì)于本系統(tǒng)電源線路的特點(diǎn)，按照GB50057-94《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》第六章、第四節(jié)第6.４.７條要求每相線標(biāo)稱放電電流不宜小于15KA的要求,第一級(jí)電涌保護(hù)器（ＳＰＤ）的每相標(biāo)稱放電電流應(yīng)大于15KA(10/350us)，所以在辦公樓的主配電箱內(nèi)安裝ATTX40型SPD一套，其SPD連接相線銅導(dǎo)線截面積為16mm2，接地連接銅導(dǎo)線截面積為25mm2。

第二級(jí)電涌保護(hù)器（ＳＰＤ）的每相標(biāo)稱放電電流應(yīng)大于20KA（8/20 us），所以在辦公樓各分配電箱內(nèi)安裝ATTX20型SPD一套，其連接相線銅導(dǎo)線截面積為10mm2，接地連接銅導(dǎo)線截面積為16mm2。

SPD安裝應(yīng)當(dāng)注意的事項(xiàng)：各級(jí)電涌保護(hù)器（ＳＰＤ）連接導(dǎo)線應(yīng)平直，其長(zhǎng)度不能超過(guò)0.5米。

4.3.3自動(dòng)站工作室的雷電防護(hù)

自動(dòng)氣象站的主機(jī)、傳輸系統(tǒng)及服務(wù)器都在工作室內(nèi)，所以工作室的防雷工作就是重中之重，按照GB50057—94《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》、IEC61312《雷電電磁脈沖的防護(hù)》的要求，在各電源開(kāi)關(guān)處使用插座式電源防雷器，作為電源的第三級(jí)防護(hù)。進(jìn)入工作室的所有線纜都使用屏蔽線纜，線纜的屏蔽層與進(jìn)入工作室的管道在入口處進(jìn)行等電位連接。

沿工作室的四周鋪設(shè)等電位連接帶，等電位連接帶與辦公樓作為引下線的柱筋進(jìn)行電氣連接，工作室內(nèi)各設(shè)備及防靜電地板的接地采用M型等電位連接網(wǎng)絡(luò)，并通過(guò)多點(diǎn)連接組合到共用接地系統(tǒng)中去，形成Mm型等電位連接。（圖三）

圖三Mm型等電位連接

4.3.4工作室內(nèi)的信號(hào)雷電防護(hù)

依據(jù)GB50174—93《電子計(jì)算機(jī)機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范》、GB2887—89《計(jì)算機(jī)場(chǎng)地安全要求》中信號(hào)系統(tǒng)雷擊過(guò)電壓防護(hù)要求，自動(dòng)氣象站工作室調(diào)制解調(diào)器前端應(yīng)加裝接口型式為RJ11的信號(hào)SPD；在計(jì)算機(jī)前端的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)線上安裝接口型式為RS232或RJ45的信號(hào)SPD，信號(hào)SPD的最大持續(xù)工作電壓應(yīng)大于1.5Uc，在電話通訊系統(tǒng)進(jìn)線段安裝電話線路電涌保護(hù)器；用于各設(shè)備網(wǎng)卡及電話通信線路的防雷保護(hù)。

4.4自動(dòng)站觀測(cè)場(chǎng)的雷電防護(hù)

4.4.1觀測(cè)場(chǎng)的直擊雷防護(hù)

觀測(cè)場(chǎng)風(fēng)桿高10m，風(fēng)桿采用金屬管作為支撐體，在距風(fēng)桿頂端200mm～300mm處設(shè)一避雷針，避雷針通過(guò)絕緣桿固定于風(fēng)桿上；避雷針為直徑16mm的圓鋼，其長(zhǎng)度為1.5m；避雷針在地面上的保護(hù)半徑為： 35.3m；風(fēng)桿南面并排三個(gè)百葉箱。避雷針距最遠(yuǎn)百葉箱9m，避雷針在百葉箱1.9 m高度上的保護(hù)半徑為20.3m；其它設(shè)備也都在避雷針的保護(hù)范圍之內(nèi)，這樣自動(dòng)氣象站觀測(cè)場(chǎng)內(nèi)的所有觀測(cè)設(shè)備均處于LPZ0B區(qū)內(nèi)，避雷針引下線沿風(fēng)桿上端拉線入地，該拉線為絕緣等級(jí)35kV（1.2/50μs）的拉線，引下線采用截面積于50mm2多股銅芯線。觀測(cè)場(chǎng)內(nèi)金屬圍欄，百葉箱支架、雨量器、遙測(cè)雨量計(jì)、虹吸雨量計(jì)、小型蒸發(fā)皿、自動(dòng)氣象站信號(hào)轉(zhuǎn)接盒等金屬外殼就近與觀測(cè)場(chǎng)的地網(wǎng)進(jìn)行電氣連接。由觀測(cè)場(chǎng)至工作室的數(shù)據(jù)傳輸線外屏蔽層及金屬管在觀測(cè)場(chǎng)地網(wǎng)邊緣處與附近觀測(cè)場(chǎng)地網(wǎng)進(jìn)行電氣連接。

4.4.2觀測(cè)場(chǎng)的地網(wǎng)設(shè)計(jì)

自動(dòng)氣象站觀測(cè)場(chǎng)為環(huán)形閉合接地，距地面70cm設(shè)人工水平接地體；沿水平接地體均勻砸入長(zhǎng)度為250cm人工垂直接地體，垂直接地體的間的距離為5m，觀測(cè)場(chǎng)圍欄根部用角鋼與接地體進(jìn)行電氣連接。

由于觀測(cè)場(chǎng)與辦公樓的距離為60 m，所以兩地網(wǎng)間用扁鋼進(jìn)行了等電位連接，并且連接帶每距5 m砸一地樁。（圖四）

5、防雷裝置的維護(hù)

自動(dòng)氣象站場(chǎng)室的防雷裝置由專人負(fù)責(zé)維護(hù)管理；防雷裝置的設(shè)計(jì)、安裝、配線等圖紙資料都?xì)w檔保存；每年雷雨季節(jié)前應(yīng)對(duì)自動(dòng)氣象站場(chǎng)室的防雷裝置進(jìn)行檢測(cè)，并檢查外部防雷裝置的電氣連續(xù)性及腐蝕情況，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)整改。

結(jié)束語(yǔ)

氣象工作和人們的生活是密不可分的，在經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展的當(dāng)今社會(huì)，氣象信息的重要性越來(lái)越受到人們的關(guān)注，自動(dòng)氣象站的投入運(yùn)行，使臺(tái)站的氣象現(xiàn)代化建設(shè)邁上了一個(gè)新臺(tái)階，提高了地面氣象觀測(cè)質(zhì)量，我們要更好的維護(hù)自動(dòng)站的正常運(yùn)行，避免事故的發(fā)生，以及時(shí)的提供準(zhǔn)確的天氣預(yù)報(bào)和氣象信息，更好的為人民群眾服務(wù)，更好的為地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展保駕護(hù)航。

參考文獻(xiàn)：

GB50057-94《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》.北京 中國(guó)計(jì)劃出版社

GB50343—2004《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》.北京中國(guó)建筑工業(yè)出版社

QX 4—2000 氣象臺(tái)（站）防雷技術(shù)規(guī)范

作者簡(jiǎn)介：丁來(lái)曉(1973-) 男 山東莒縣人,工程師,主要從事地面氣象測(cè)報(bào)工作。