自動(dòng)化觀測(cè)場(chǎng)防雷標(biāo)準(zhǔn)中亟需改進(jìn)的防雷措施

林奕峰，陳瀟

（廣州市黃埔區(qū)氣象局，廣東廣州 510730）

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自動(dòng)化觀測(cè)場(chǎng)防雷標(biāo)準(zhǔn)中亟需改進(jìn)的防雷措施

林奕峰，陳瀟

（廣州市黃埔區(qū)氣象局，廣東廣州 510730）

摘 要：通過(guò)對(duì)比《自動(dòng)氣象站場(chǎng)室防雷技術(shù)規(guī)范》（QX30 -2004）和《地面氣象觀測(cè)場(chǎng)（室）防雷技術(shù)規(guī)范》（GBT 31162 -2014）等與蘿崗氣象觀測(cè)場(chǎng)整改后現(xiàn)有防雷保護(hù)措施，采用分析計(jì)算技術(shù)手段進(jìn)行分析，指出《自動(dòng)氣象站場(chǎng)室防雷技術(shù)規(guī)范》（QX30 -2004）中“風(fēng)桿可作避雷針的條款”、“觀測(cè)場(chǎng)可不設(shè)單獨(dú)避雷針進(jìn)行保護(hù)的條款”、“防雷與設(shè)備共用地條款”存在的防雷隱患及風(fēng)險(xiǎn)，提出了加強(qiáng)觀測(cè)場(chǎng)防雷保護(hù)的措施。

關(guān)鍵詞：雷電防御；自動(dòng)化觀測(cè)場(chǎng)；綜合防雷

林奕峰，陳瀟．自動(dòng)化觀測(cè)場(chǎng)防雷標(biāo)準(zhǔn)中亟需改進(jìn)的防雷措施［J］．廣東氣象，2016，38（3）：58 -61．

目前廣東省氣象部門實(shí)現(xiàn)了基本氣象要素自動(dòng)采集和傳輸，一批自動(dòng)化觀測(cè)裝備和現(xiàn)代光纖、電纜應(yīng)用于觀測(cè)場(chǎng)。根據(jù)地面氣象觀測(cè)規(guī)范的要求，觀測(cè)場(chǎng)周圍的建筑物或構(gòu)筑物的高度有嚴(yán)格限制，觀測(cè)場(chǎng)的暴露性明顯，其受雷擊概率增加；另一方面自動(dòng)化觀測(cè)設(shè)備抗雷電干擾能力差，表現(xiàn)在采集器工作電壓低，其直流工作電壓在12 V左右，集成電路容易被雷電擊穿，脆弱性顯著。由于觀測(cè)場(chǎng)的暴露性和觀測(cè)設(shè)備抗雷電干擾的脆弱性，亟需提高觀測(cè)場(chǎng)的防雷保護(hù)措施，確保自動(dòng)化觀測(cè)設(shè)備正常采集氣象要素?cái)?shù)據(jù)。對(duì)一些觀測(cè)場(chǎng)已依照《自動(dòng)氣象站場(chǎng)室防雷技術(shù)規(guī)范》（QX30 - 2004）和《地面氣象觀測(cè)場(chǎng)（室）防雷技術(shù)規(guī)范》（GBT 31162 -2014）等進(jìn)行防雷，但在實(shí)際中又經(jīng)常遭受雷擊而損壞觀測(cè)設(shè)備的現(xiàn)象，可以檢查是否有風(fēng)桿作為接閃器、是否單設(shè)避雷針、是否防雷與設(shè)備共用接地等情況，并改進(jìn)防雷措施，避免或減少雷電活動(dòng)對(duì)觀測(cè)場(chǎng)造成損害。

1　蘿崗觀測(cè)場(chǎng)現(xiàn)狀

蘿崗觀測(cè)場(chǎng)是國(guó)家基本站和一級(jí)輻射觀測(cè)站，遷建后于2010年1月1日開(kāi)始正式觀測(cè)，代表廣州市進(jìn)行全球氣象數(shù)據(jù)交換，2013年初被確定為全國(guó)8個(gè)氣象觀測(cè)自動(dòng)化改革試點(diǎn)站之一，2013年8月開(kāi)始實(shí)現(xiàn)了包括云、能、天在內(nèi)的氣象要素觀測(cè)自動(dòng)化。2011年7月份遭受嚴(yán)重雷擊，觀測(cè)場(chǎng)所有電氣電子裝置受損，自動(dòng)采集停止，啟動(dòng)了人工觀測(cè)應(yīng)急。在損壞點(diǎn)排查和修復(fù)過(guò)程中，出現(xiàn)雷擊損壞點(diǎn)多、修理復(fù)雜且耗時(shí)長(zhǎng)等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響測(cè)報(bào)質(zhì)量。觀測(cè)場(chǎng)雷擊后進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)勘查和事故分析，用現(xiàn)行氣象觀測(cè)場(chǎng)防雷技術(shù)規(guī)范進(jìn)行了比對(duì)，發(fā)現(xiàn)與雷擊關(guān)聯(lián)的防雷保護(hù)措施仍有待改進(jìn)，存在的主要問(wèn)題是：避雷針接地體與電氣接地體多處相接，即共用；風(fēng)桿作為接閃器；避雷針保護(hù)范圍不能覆蓋觀測(cè)場(chǎng)；避雷針接地體與電氣接地體安全距離不符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求；浪涌保護(hù)器級(jí)間能量配合不佳及殘壓高等。通過(guò)對(duì)存在主要問(wèn)題的整改并于2011年底改造完成，雖然觀測(cè)場(chǎng)的避雷針每年都受幾次雷擊，但觀測(cè)場(chǎng)內(nèi)自動(dòng)化設(shè)備和人員沒(méi)有出現(xiàn)受害，防雷保護(hù)措施取得顯著效果。

2　觀測(cè)場(chǎng)防雷技術(shù)規(guī)范防雷保護(hù)措施需要改進(jìn)

2．1風(fēng)桿接閃后的危害

地面氣象觀測(cè)規(guī)范中規(guī)定觀測(cè)場(chǎng)面積為25 000 mm×25 000 mm，接地網(wǎng)沿著電纜溝（排水溝）布設(shè)，《自動(dòng)氣象站場(chǎng)室防雷技術(shù)規(guī)范》（QX30 -2004）和《地面氣象觀測(cè)場(chǎng)（室）防雷技術(shù)規(guī)范》（GBT 31162 -2014）允許風(fēng)桿作為接閃器并與觀測(cè)場(chǎng)接地網(wǎng)共用地。風(fēng)桿接閃后的電位差公式為：

UR= UR+ UL= I·Ri+ L0·di/ dt［1］

其中I為雷電流幅值（kA）；Ri接地電阻（Ω）；L0為引下線單位長(zhǎng)度電感（H/ m）；di/ dt為雷電流陡度（kA/μs）。由于一方面接地網(wǎng)格間距大，分流和均壓效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于建筑物的鋼筋地網(wǎng)，另一方面雷電脈沖頻普多樣性，會(huì)在環(huán)路地網(wǎng)產(chǎn)生其開(kāi)路最大感應(yīng)電壓［1］。風(fēng)桿電位差產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)瞬間引起接地網(wǎng)地電位急升并疊加上電感電壓，這樣會(huì)很容易傳導(dǎo)至設(shè)備的接地線造成反擊而損害設(shè)備［2］（圖1），這也是防雷與設(shè)備共用地在格柵大的人工接地體或小面積建筑物鋼筋接地體的弊病，因此，風(fēng)桿可作為接閃器的防雷保護(hù)措施是較為危險(xiǎn)的。

圖1 地電位升高示意圖

以蘿崗觀測(cè)場(chǎng)雷電活動(dòng)情況作進(jìn)一步分析：蘿崗觀測(cè)場(chǎng)位于丘陵地區(qū)的一個(gè)小山坡上，利用廣東省閃電定位系統(tǒng)對(duì)觀測(cè)場(chǎng)位置進(jìn)行定點(diǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，2011年觀測(cè)場(chǎng)周邊半徑1 000 m范圍內(nèi)合計(jì)發(fā)生云地閃83個(gè)，主要集中在4 -10月，尤其以5—8月為盛［3］，其中6月半徑1 000 m范圍內(nèi)錄得32次云地閃，雷電強(qiáng)度極值出現(xiàn)在7月10日，雷電流強(qiáng)度達(dá)到75．8 kA。2011年7月16日18：00—20：00觀測(cè)場(chǎng)雷電流強(qiáng)度為- 5．3 kA（圖2）。以雷電流I = -5．3 kA代入電位差公式得出當(dāng)時(shí)地網(wǎng)瞬間的高電位U = UR+ U∝/ max≥5 300 RiV（Ri＞0），高電位通過(guò)接地線足以擊穿或燒毀觀測(cè)場(chǎng)設(shè)備的電路，事實(shí)也證明這一點(diǎn)。2．2 防雷接地體與設(shè)備接地裝置共地的問(wèn)題

圖2 2011年7月16日蘿崗區(qū)云地閃分布

防雷接地體與設(shè)備接地裝置共地是保障2個(gè)接地體之間不產(chǎn)生電位差，防止反擊現(xiàn)象的發(fā)生，簡(jiǎn)單用導(dǎo)體連接就完成了共地，這是片面理解共地技術(shù)應(yīng)用的含義。觀測(cè)場(chǎng)地網(wǎng)是沿排水溝（電纜溝）進(jìn)行敷設(shè)，地網(wǎng)網(wǎng)格尺寸大且面積小，因此地網(wǎng)的分流和均壓效果不明顯，雷電流容易在地網(wǎng)形成瞬間高電位，當(dāng)觀測(cè)場(chǎng)接地體有雷電流進(jìn)入，共地技術(shù)雖然消除了防雷地與設(shè)備地之間的電位差，但此時(shí)設(shè)備或電源接地線所連接的電子集成模塊的電子電路瞬間的電位差無(wú)法消除，由于集成模塊電子電路的間隙非常小，接地線瞬間的高電位很容易擊穿電子電路間隙而損壞設(shè)備。同樣道理，觀測(cè)場(chǎng)的電子監(jiān)控設(shè)備也受損壞。

自動(dòng)觀測(cè)場(chǎng)是置于露天的一個(gè)集許多電子設(shè)備于一體的探測(cè)場(chǎng)所，在防御雷電損害方面表現(xiàn)出很強(qiáng)的暴露性和脆弱性弱點(diǎn)，防雷保護(hù)措施必須可靠、科學(xué)、安全，這樣才能保證探測(cè)設(shè)備正常采集氣象數(shù)據(jù)，任何一點(diǎn)漏洞都可能是雷擊隱患，故建議氣象觀測(cè)場(chǎng)無(wú)論是位于雷暴活動(dòng)強(qiáng)烈地區(qū)還是一般地區(qū)，都不應(yīng)當(dāng)采用防雷與設(shè)備共地技術(shù)，而是要使防雷接地體與觀測(cè)場(chǎng)設(shè)備接地體安全分開(kāi)，甚至兩地之間要采用屏蔽隔離措施。例如蘿崗觀測(cè)場(chǎng)特種氣象觀測(cè)設(shè)備接地體與避雷針相距3 m左右，原來(lái)設(shè)計(jì)是共用接地體，經(jīng)過(guò)多次雷擊事故后，采取了設(shè)備接地體與防雷接地體斷開(kāi)措施［4］，并且在2個(gè)接地體之間采取隔離和屏蔽措施（圖3），效果好。圖3具體處理方法示意圖：避雷針距設(shè)備地網(wǎng)為3 m，為實(shí)現(xiàn)有效地隔離和屏蔽地電位反擊，在避雷針西北側(cè)50 cm處敷設(shè)長(zhǎng)度為8 600 mm、高度為600 mm、寬度為150 mm的瀝青隔離層（含長(zhǎng)度為8 600 mm、高度為600 mm、厚度1 mm屏蔽鋼板的電磁屏蔽層）。同時(shí)更換風(fēng)廓線雷達(dá)周邊35 m鍍鋅鋼管，進(jìn)行電源、信號(hào)線屏蔽處理。

圖3 防雷接地體屏蔽示意圖

2．3觀測(cè)場(chǎng)不設(shè)單獨(dú)避雷針的危害

《自動(dòng)氣象站場(chǎng)室防雷技術(shù)規(guī)范》中對(duì)觀測(cè)場(chǎng)進(jìn)行分級(jí)防雷保護(hù)，允許風(fēng)桿作為接閃器來(lái)作防雷保護(hù)，在風(fēng)桿防雷覆蓋范圍內(nèi)可不設(shè)單獨(dú)避雷針進(jìn)行保護(hù)，這一條款的弊端上述已經(jīng)進(jìn)行了介紹，在觀測(cè)場(chǎng)防雷等級(jí)劃分方面，直接雷防護(hù)不適宜分級(jí)，并且風(fēng)桿也不適宜直接作為接閃器，觀測(cè)場(chǎng)不論屬于哪個(gè)級(jí)別，都應(yīng)當(dāng)設(shè)置單獨(dú)避雷針進(jìn)行保護(hù)，而且避雷針與觀測(cè)場(chǎng)應(yīng)該分設(shè)接地網(wǎng)，兩者在地中需有足夠的安全距離S≥0．4Ri（Ri為防雷接地網(wǎng)沖擊接地電阻），且不得＜3 m，有條件最好達(dá)到15～20 m安全距離。

雷電對(duì)丘陵地區(qū)，特別是空曠地區(qū)的氣象探測(cè)設(shè)備的損害途徑是多方面的。本研究主要對(duì)地處丘陵地帶的自動(dòng)氣象站場(chǎng)遭受雷擊損害可能的侵入途徑作了初步的分析，同時(shí)對(duì)自動(dòng)氣象站場(chǎng)的防雷保護(hù)技術(shù)進(jìn)行了相應(yīng)的介紹，提出現(xiàn)行自動(dòng)化觀測(cè)場(chǎng)防雷標(biāo)準(zhǔn)中亟需改進(jìn)措施。需要說(shuō)明的是，防雷保護(hù)是一個(gè)比較復(fù)雜的問(wèn)題，自動(dòng)觀測(cè)場(chǎng)是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)應(yīng)用的電子場(chǎng)所，《自動(dòng)氣象站場(chǎng)室防雷技術(shù)規(guī)范》是一個(gè)最基本的防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，也不是一成不變，應(yīng)該根據(jù)自動(dòng)觀測(cè)場(chǎng)出現(xiàn)的雷擊事故，認(rèn)真分析，科學(xué)糾正標(biāo)準(zhǔn)中的錯(cuò)誤措施，使自動(dòng)觀測(cè)場(chǎng)在安全下運(yùn)作。

參考文獻(xiàn)：

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［3］劉三梅，賀燦花，許銳文，等．廣東省1888—2013年雷電活動(dòng)特征的分析［J］．廣東氣象，2014，36（6）：35 -36．

［4］仇健，梁偉宜，陳惜茂，等．自動(dòng)氣象站連續(xù)遭雷擊的原因分析及解決辦法［J］．廣東氣象，2015，37（2）：72 -73．

中圖分類號(hào)：P48

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi：10．3868/ j．issn．1007 -6180．2016．03．015

收稿日期：2015 -07 -28

作者簡(jiǎn)介：林奕峰（1868年生），男，學(xué)士，工程師，主要從事防雷減災(zāi)工作。E - mail：qxlinyifeng＠126．com