陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)嘉祥基準(zhǔn)站防雷避雷的設(shè)計(jì)實(shí)施

劉作華 馮志軍

【摘要】本文對(duì)陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)嘉祥基準(zhǔn)站的所采取的避雷措施進(jìn)行了詳細(xì)的說明。對(duì)有類似地質(zhì)情況的基站、微波站、電視差轉(zhuǎn)臺(tái)等做好防雷避雷能夠起到一定的借鑒作用。

【關(guān)鍵詞】防雷避雷;接地體;降阻劑

一、前言

雷電是一種自然現(xiàn)象，當(dāng)雷電擊中陸地上的人或物時(shí)就變成了是一種自然災(zāi)害，這就是雷擊災(zāi)害。

雷電是指兩種帶不同的電荷云層之間或者是帶電的云層向大地快速放電的現(xiàn)象。一般來說，雷電發(fā)生主要有三種形式：一種是直擊雷，直擊雷是帶電的云層直接向大地快速放電現(xiàn)象。直擊雷能直接擊中地面的物品，當(dāng)我們的儀器設(shè)備處在直擊雷的雷擊范圍時(shí)，就會(huì)造成我們的儀器設(shè)備被擊壞，甚至報(bào)廢。第二種是感應(yīng)雷，感應(yīng)雷是直擊雷在快速放電過程中所形成的強(qiáng)大的電磁脈沖電流對(duì)所發(fā)生的雷擊范圍內(nèi)的金屬物質(zhì)或者金屬導(dǎo)線產(chǎn)生電磁感應(yīng)，而出現(xiàn)的高壓閃擊現(xiàn)象。感應(yīng)雷通過供電纜線、儀器信號(hào)線纜線、儀器天線等感應(yīng)出非常高的瞬間電壓竄入儀器設(shè)備中，極易造成儀器設(shè)備的損壞。第三種是球形雷，這種雷較為少見。我們地震臺(tái)站大部分處于山區(qū)高地，是極易受到雷擊的地區(qū)。據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，我們地震臺(tái)站的儀器設(shè)備遭受雷擊損壞85%以上都是由感應(yīng)雷引起的。感應(yīng)雷直接通過儀器的供電線路、信號(hào)線路或者網(wǎng)絡(luò)線路經(jīng)過地震儀器設(shè)備進(jìn)入大地，造成儀器設(shè)備的損壞。由于雷擊而造成地震儀器損壞，嚴(yán)重影響了地震觀測數(shù)據(jù)的連續(xù)率，也極大降低了地震觀測資料的質(zhì)量，能給我們的防震減災(zāi)工作造成了很大的損失。因此，做好避雷接地網(wǎng)是十分重要的。防雷避雷的目的就是將雷電流引入大地，無論是防直擊雷還是防感應(yīng)雷，最終都是將雷電所產(chǎn)生的巨大電流導(dǎo)入大地，作為能順利引導(dǎo)電流進(jìn)入大地的避雷網(wǎng)在防雷避雷中的作用顯而易見。

中國大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)（簡稱“陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)”即GNSS）是國家發(fā)改委在“十一五”期間列入國家高技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展項(xiàng)目計(jì)劃的12個(gè)國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目之一，是由中國地震局牽頭組織實(shí)施的國家六部（委）的重大科技項(xiàng)目。中國大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)嘉祥基準(zhǔn)站是陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在山東的4個(gè)基準(zhǔn)站之一，它位于山東省嘉祥縣城北3公里的簸箕山上，地理坐標(biāo)為東經(jīng)116°21.1'北緯25°06'海拔高程102.9米。該臺(tái)為山地，沒有土層覆蓋。基巖系奧陶系石灰?guī)r，巖石完整（如圖1所示）。因該基準(zhǔn)站位于山頂，易于發(fā)生雷擊現(xiàn)象，因此做好防雷工作十分重要。我們首先想到的是把避雷網(wǎng)這個(gè)基礎(chǔ)做好。

圖1 地質(zhì)構(gòu)造圖

二、防雷的設(shè)計(jì)實(shí)施

1.做好接地網(wǎng)。做好接地網(wǎng)是防雷工作的一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，也是其他避雷措施如：接閃、等電位均壓、下引、分流的基礎(chǔ)。沒有有效的接地網(wǎng)，其他的避雷防雷措施都等于零。嘉祥GNSS基準(zhǔn)站坐落在山頂上，原來設(shè)計(jì)的避雷接地網(wǎng)在山下200米處。根據(jù)避雷實(shí)踐，被避雷設(shè)施離避雷網(wǎng)超出140米就達(dá)不到避雷效果了。要想做好避雷工作，首先必須做好避雷接地網(wǎng)的施工工作。GNSS觀測室位于山頂巖石基礎(chǔ)上，無土層，風(fēng)化殼厚度0.5m。觀測室建筑面積19.64m2，采用磚混結(jié)構(gòu)，地上一層，建筑高度4.35m。因山上全是巖石根本沒有土層，這就給做避雷網(wǎng)造成了很大的困難。我們?cè)谏巾敻鶕?jù)實(shí)際情況有設(shè)計(jì)了做避雷接地網(wǎng)用的填土池，填土池內(nèi)填充優(yōu)質(zhì)土，土層的厚度不小于500mm（如圖2所示）。這樣的巖石山地僅僅靠人工覆蓋有土層也不太可能。

圖2 觀測室院內(nèi)避雷填土池圖

達(dá)到避雷接地體小于4歐姆的技術(shù)要求。為了減少阻抗，使接地體周圍形成一個(gè)理想的低電阻區(qū)，我們又從青島安達(dá)防雷科技有限公司購買了8噸AD-02型長效防腐物理降阻劑。這8噸降阻劑用來包裹水平及垂直接地體和摻在土壤中用以降低土壤的阻值。這種降阻劑是純物理性的，沒有腐蝕性的電解質(zhì)，其導(dǎo)電性不受酸、堿、鹽、溫度、濕度等的影響。降阻劑是一種很好的導(dǎo)體，它的使用既能使接地體和土壤之間能夠緊密地形成足夠大的電流流通面，也可以向周圍土層滲透，降低接地體周圍的的電阻阻值。

圖3 觀測室網(wǎng)型地網(wǎng)示意圖

我們?cè)O(shè)計(jì)的接地裝置設(shè)計(jì)為網(wǎng)型地網(wǎng)（如圖3所示），接地線和水平接地體采用40×4mm熱鍍鋅扁鋼，垂直接地體采用L50×5×150MM熱鍍鋅角鋼。在填土前我們用鉆井機(jī)為垂直接地體鉆了20個(gè)直徑為10cm，深1500mm孔。我們將垂直接地體植入巖石鉆孔當(dāng)中，孔的空隙用調(diào)制好的降阻劑填充。水平接地體的直接鋪在調(diào)制好的候厚20厘米的降阻劑上，周圍也用調(diào)制好的降阻劑包裹。然后我們?cè)谔钔脸貎?nèi)填充添加了降阻劑的優(yōu)質(zhì)土，并分層夯實(shí)。在接地體、埋地接地線經(jīng)過路面或者人員可能停留的區(qū)域，我們?cè)诮拥伢w3m的范圍內(nèi)鋪設(shè)了5cm瀝青層，以保證安全需要。我們施工要求在焊接時(shí)扁鋼與扁鋼搭接長度為不小于8cm，進(jìn)行三面焊接。扁鋼與與角鋼焊接時(shí)，我們采用四面焊接，焊接的部位并做了防腐處理。在降阻劑的使用上，我們嚴(yán)格按照水和降阻劑0.4-0.6：1.0的比例進(jìn)行調(diào)制，以保證降阻劑和接地體能最佳狀態(tài)結(jié)合。施工完成后，我們對(duì)接地體進(jìn)行了電阻測量，其電阻值為2.8歐姆，效果十分理想，完全符合我們的技術(shù)要求。

2.安裝接閃器。接閃，就是為防止雷電擊毀儀器設(shè)備，而為雷電設(shè)計(jì)一個(gè)通道讓閃電能量按照人為設(shè)計(jì)的通道釋放到大地中去。我們通過安裝避雷設(shè)施來實(shí)現(xiàn)接閃，當(dāng)山頂?shù)挠^測室上面發(fā)生雷電時(shí)，則雷電通過避雷針進(jìn)入地面避雷網(wǎng)接閃泄入大地，達(dá)到保護(hù)觀測室及室內(nèi)儀器目的。由于觀測室屋頂安裝衛(wèi)星定位天線和氣象三要素自動(dòng)監(jiān)測儀，為防直擊雷雷擊，我們?cè)谟^測室上面安裝了避雷帶和避雷針。避雷帶采用直徑為10mm鍍鋅圓鋼，用支架固定高于女兒墻15cm處，固定支架間隔1m，避雷帶拐彎處彎曲度大于90度。避雷針設(shè)計(jì)安裝了兩根，高度是1.5m，在GNSS觀測室頂成對(duì)稱分布。避雷針的總高度為5.58m，利用滾球法（滾球半徑取45m）計(jì)算雙針的保護(hù)范圍：兩避雷針軸線上最低保護(hù)高度為5.82m，在女兒墻高度4.35米水平面的保護(hù)范圍最小寬度為2.84m，最小寬度位置在雙針軸線中點(diǎn)的垂線上。衛(wèi)星定位天線在觀測室屋頂兩避雷針附近，僅高出女兒墻0.5m，在兩避雷針的保護(hù)范圍之內(nèi)（如圖4所示）。避雷針與觀測室的構(gòu)造柱主筋焊接，構(gòu)造柱主筋和避雷帶進(jìn)行焊接，利用構(gòu)造柱的四根主筋作為防雷下引線連接到避雷地網(wǎng)。這樣能保證觀測室頂部避雷帶、鋼筋、圈梁內(nèi)鋼筋、地面避雷網(wǎng)格等進(jìn)行有效地電氣連通。當(dāng)觀測室上空發(fā)生雷電時(shí)，避雷針、避雷帶接閃將雷電引入大地，對(duì)觀測室起到一定的保護(hù)作用。

圖4 避雷針、避雷帶位置示意圖

圖5 電源防雷器的工作原理示意

3.實(shí)行分流。分流就是把（下轉(zhuǎn)第21頁）（上接第17頁）避雷器和從室外進(jìn)戶的電源線纜、信號(hào)線纜、天線等導(dǎo)電體線與接地之間并聯(lián)。當(dāng)感應(yīng)雷或直擊雷在這些金屬線纜上產(chǎn)生大的電壓并沿著這些導(dǎo)線即將進(jìn)入室內(nèi)設(shè)備時(shí)避雷器起作用，電阻值則瞬間降到接近零值，形成短路狀態(tài)，將電流分流泄入地，從而避免對(duì)儀器造成損害（分流器工作原理如圖5所示）。我們?cè)诳傠娫吹呐潆娤浜蜕缴吓潆娤涔╇婇_關(guān)前以及儀器電源前安裝了德國產(chǎn)的DEHN防雷器，對(duì)GNSS基準(zhǔn)站進(jìn)行了B、C、D三級(jí)防雷，并對(duì)信號(hào)線也安裝了DEHN防雷器。DEHN防雷器有一個(gè)高壓放電管，當(dāng)遇到雷擊時(shí)，高壓放電管納米級(jí)時(shí)間反應(yīng)形成對(duì)地短路，從而達(dá)到保護(hù)儀器的目的。實(shí)際上，這就是避雷中的一種分流。

4.進(jìn)行等電位連接。當(dāng)雷擊發(fā)生時(shí)，接閃裝置的下引線電壓會(huì)瞬間升高，對(duì)防雷避雷整個(gè)系統(tǒng)周圍處于地電位的導(dǎo)體產(chǎn)生閃絡(luò)，使其電壓急劇升高，對(duì)儀器設(shè)備或者人員造成危害。避免閃絡(luò)最簡單的處理方法是將處于地電位的導(dǎo)體等電位連接起來，然后很好地接地。我們采用了以下辦法：（1）我們將觀測室房頂?shù)谋芾揍?、避雷帶與構(gòu)造柱進(jìn)行了有效的電氣連接。（2）我們將房頂?shù)腉NSS天線金屬底座及氣象三要素監(jiān)測儀的金屬底座與房頂?shù)谋芾讕нM(jìn)行了有效等電位連接。（3）構(gòu)造柱內(nèi)的主筋以及圈梁主筋進(jìn)行了焊接，形成了一個(gè)法拉第籠。（4）GNSS觀測墩的主筋與觀測室底的圈梁內(nèi)主筋進(jìn)行了有效的等電位連接。（5）防盜金屬門窗也通過16MM銅線與與主筋相連的等電位連接端子做了有效的等電位連接。

三、結(jié)束語

避雷是一項(xiàng)復(fù)雜的工程，由于各地所處的氣象與自然環(huán)境不同，避雷工程的設(shè)計(jì)與實(shí)施也不盡相同。嘉祥陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)基準(zhǔn)站的避雷設(shè)計(jì)與實(shí)施是根據(jù)嘉祥基準(zhǔn)站的實(shí)際情況來實(shí)施的，對(duì)于其他有類似地質(zhì)情況的基站、微波站、電視差轉(zhuǎn)臺(tái)等的避雷防雷工作有一定的借鑒作用。

參考文獻(xiàn)

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[2]高守全等溫泉地震臺(tái)十五防雷建設(shè)[J].防災(zāi)科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2006（2）.

作者簡介：

劉作華（1968—），男，山東嘉祥人，大學(xué)本科，工程師，研究方向：地震觀測與研究。

馮志軍（1968—），男，山東濟(jì)南人，博士，高級(jí)工程師，研究方向：地震觀測與研究。