鳳凰山氣象觀測站的雷電防護設計

邢憶波,　楊春明

(安徽省馬鞍山市氣象局, 安徽 馬鞍山　243000)

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鳳凰山氣象觀測站的雷電防護設計

邢憶波,楊春明

(安徽省馬鞍山市氣象局, 安徽 馬鞍山243000)

利用2006～2015年安徽省ADTD型閃電定位資料,分析了當涂縣鳳凰山氣象觀測站5 km范圍內的雷電特征,按二類防雷要求,闡述了鳳凰山氣象觀測站及業(yè)務樓的綜合雷電防護設計,詳細介紹了防雷施工注意事項。實踐運行表明,雷電防護措施在鳳凰山氣象觀測站得到較好應用,觀測站再未發(fā)生雷擊事故。

氣象觀測站; 雷電防護; 直擊雷; 業(yè)務樓

0　引　言

目前,國內諸多氣象觀測站因受周邊環(huán)境對數(shù)據(jù)采集的影響巨大,導致大部分氣象觀測站都搬遷到視野空曠的環(huán)境[1-4]。安徽省當涂縣鳳凰山氣象觀測站海拔高度60 m,2015年7～8月觀測站連續(xù)遭受雷擊4次,室內線路及部分設備被燒壞;且每逢雷雨天氣,室外閃電頻發(fā),雷擊直接威脅人身和財產(chǎn)安全,同時也影響觀測數(shù)據(jù)的采集、傳送。

本文通過對鳳凰山氣象觀測站5 km范圍內的雷電特征環(huán)境分析,依據(jù)GB 50057—2010《建筑物防雷設計規(guī)范》[5]、GB 50343—2012《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術規(guī)范》[6],探討了鳳凰山氣象觀測站的綜合雷電防護設計,為高山型氣象觀測站的綜合防雷提供參考。

1　資料來源和分析方法

1.1資料來源

采用安徽省氣象局ADTD型閃電定位系統(tǒng)監(jiān)測的2006～2015年逐日閃電數(shù)據(jù),提取出現(xiàn)在當涂鳳凰山觀測站5 km范圍內的閃電資料作為統(tǒng)計分析對象。

1.2分析方法

資料處理上選取地理范圍118.51～118.61°E、31.50～32.60°N的矩形區(qū)域,按0.01°×0.01°的經(jīng)緯度格點,統(tǒng)計每一個網(wǎng)格內正、負閃電總次數(shù),用統(tǒng)計范圍內的閃電總次數(shù)除以年次和網(wǎng)格面積,得到年平均雷擊大地密度分布,將每一個網(wǎng)格內的閃電總強度除以年次和網(wǎng)格面積,得到年平均閃電強度分布。

2　雷電環(huán)境分析

鳳凰山觀測站半徑5 km范圍內雷電分布特征如圖1所示。

由圖1可知,觀測站年平均地閃密度為4.49次/(km2·a),遠高于馬鞍山地區(qū)2.97次/(km2·a);年平均閃電強度48.09 kA/(km2·a),明顯高于馬鞍山地區(qū)44.5 kA/(km2·a),最大閃電強度達248.72 kA。

圖1　雷電分布特征

通過上述分析,該站點雷電活躍,雷電強度和雷閃密度均較高,因此需進行雷電防護設計。

3　觀測場防雷

3.1外網(wǎng)接地

在觀測場四個角分別采用沿山坡延伸30 m的輻射狀接地,水平接地材料采用40 mm×4 mm熱鍍鋅扁鋼(埋深1 m),沿水平接地體每隔5 m采用50 mm×50 mm×5 mm×2 500 mm熱鍍鋅角鋼做垂直接地1次,其中垂直接地極鉆孔采用灌裝降阻劑技術,孔深6 m,孔徑φ80 mm,共計24個孔,形成防雷外網(wǎng)結構,經(jīng)實測外網(wǎng)接地電阻小于4 Ω。

3.2內網(wǎng)接地

觀測場內水平與垂直接地極材料規(guī)格同外網(wǎng)相同,在觀測場內組成一個標準均壓環(huán)(設置M型接地網(wǎng),每隔5 m垂直接地1次,共需48個孔),采用φ16 mm2的銅芯線將觀測場內設備均接到地網(wǎng)上,同時引二路40 mm×4 mm熱鍍鋅扁鋼接至觀測室,獨立接地的外網(wǎng)應距離內網(wǎng)不少于3 m,經(jīng)實測內網(wǎng)接地電阻小于1 Ω。觀測場內外網(wǎng)接地示意如圖2所示。內、外網(wǎng)隔離技術處理:內網(wǎng)的兩根40 mm×4 mm熱鍍鋅扁鋼在經(jīng)過外網(wǎng)時,采用加裝φ50 mm PVC絕緣套管,兩端用瀝青填充封堵(≥6 m),交界處用60 mm×60 mm環(huán)氧樹脂板隔離,確保內、外網(wǎng)絕緣。因內、外網(wǎng)是均埋地,且交界處距離較近,能否保證二者間的不相互干擾,與地處環(huán)境的土壤性質有直接的關系,如土壤成分、濕度等,對內、外網(wǎng)接地材料有一定的腐蝕作用,采用瀝青和環(huán)氧樹脂材料目的是為了延長接地體被腐蝕、銹蝕的周期。

圖2　觀測場內外網(wǎng)接地示意(mm)

3.3直擊雷防護

在觀測場內有1根10 m高的風向風速儀,在桿上裝有2 m高的避雷針,根據(jù)GB 50057—2010《建筑物防雷設計規(guī)范》附錄D中規(guī)定,保護半徑為

式中:h——針高,取12 m;

r——滾球半徑;

hx——被保護物高度,取2 m(觀測場內最高設備)。根據(jù)雷電環(huán)境分析結果該地年預計雷擊次數(shù)為4.49次/a,參照GB 50057—2010第3.0.3條,應劃分為第二類防雷建筑物(下同),因此滾球半徑取45 m,經(jīng)計算保護范圍rx= 17.3 m。由于觀測場為25 m×35 m,長寬均大于17.3 m,觀測場內存在雷擊風險。

解決方法是在觀測場的四周設置4根獨立接閃桿,且接閃桿采用接閃線相互連接,共同形成桿線混合的直擊雷接閃設施,接閃線高度按圖集03D501-1《防雷與接地安裝》,利用GFW系列接閃線安裝方法,采用φ7.8 mm 304不銹鋼鋼絞線,為防止接閃線與風感應器之間的反擊,安全距離不少于3 m,故接閃線的高度為15 m,觀測場內設備完全處在桿線接閃器的保護范圍內。觀測場直擊雷防護示意如圖3所示。

圖3　觀測場直擊雷防護示意

4根獨立接閃桿采用針線兩兩對拉,不僅對觀測場形成了全保護,同時也增加接閃桿的穩(wěn)定性,頂部高效避雷針不至于產(chǎn)生擺動。在防雷工程中遇到頂部高效避雷針脫落現(xiàn)象,主要是廠家在產(chǎn)品設計上將高效避雷針(上面部分)和避雷針桿(下面部分)采用了螺絲擰接方式,由于這種設計缺陷的存在,在風長時間吹動作用下導致頂部針尖脫落,故采取針線組合方式很好地解決了這種設計上的缺陷。

3.4屏蔽和電涌保護措施

在觀測場地溝內采用100 mm×50 mm×1.2 mm熱鍍鋅金屬線槽設置帶有隔離層金屬橋架,線槽每隔5 m與地網(wǎng)相接一次,橋架之間全部跨接。電源和信號線全部放置在帶隔離層的金屬線槽中,在橋架的首尾端加裝電涌保護器(Surge Protective Device,SPD)保護。

4　業(yè)務樓防雷

4.1直擊雷防護

按二類防雷標準設計,采用φ10 mm熱鍍鋅圓鋼在業(yè)務樓屋面明敷成≤10 m×10 m(或8 m×12 m)的接閃網(wǎng)格,利用柱筋做引下線,引下線間距≤18 m,利用水平和垂直柱筋做接地裝置,設置外延環(huán)形接地極并與觀測場、配電房共用一組接地,經(jīng)實測接地電阻≤1 Ω[7-8]。

4.2供配電線路

進入工作室的電源和信號線路全部進入金屬線槽(100 mm×50 mm×1.2 mm熱鍍鋅帶隔離層),線槽每隔5 m與地網(wǎng)接地一次,橋架之間全部跨接,由供電部門在變壓器桿加裝大通量的高壓避雷器,在業(yè)務樓總配安裝In=60 kA(8/20 μs)電源SPD1,在進入觀測室分配安裝In=40 kA(8/20 μs)電源SPD2,在工作室UPS配電柜的進出端分別安裝In=20 kA(8/20 μs)電源SPD3,在設備端分別加裝In=10 kA(8/20 μs)防雷插座。

網(wǎng)絡、信號、控制線路全部采用熱鍍鋅金屬線槽保護,首尾接地,中間跨接,并加裝信號SPD,且信號的光纖金屬加強芯應接地。

4.3等電位聯(lián)結與接地

在工作室內鋪設30 mm×3 mm×1.2 mm的M型等電位聯(lián)結銅排,將工作室內所有設備的金屬外殼、防靜電接地、信號地、PE線和SPD接地線、屏蔽金屬管和屏蔽線的金屬外護層均與銅排連接。

5　防雷施工注意事項

5.1安全保證

堅持“安全第一,預防為主”的思想,施工前進行安全思想教育和培訓,與施工人員簽訂安全責任書;防雷施工時應持有防雷施工資格證;對進入工地的用電設備須做絕緣測定,符合安全要求方可使用;對高空作業(yè)人員還需牢記安全帽、安全帶和安全繩,做好安全防護措施。

5.2質量保證

所有防雷工程材料應采用國標,接閃器及接地裝置應采用熱鍍鋅材料,防雷裝置的各種焊接應雙面滿焊。

5.3技術保證

(1) 機房和機柜位置的確定。為減少雷擊電磁脈沖,機房不要設置在建筑物的兩側、頂層、地面,最好放在中間。機柜設置位置不應緊貼外墻(有條件的按距墻≥3 m),以防止遭受雷電感應。

(2) 接地。機房接地(或均壓環(huán))盡量不用避雷引下線,不要將附近的針、(帶、網(wǎng))引入戶內做等電位,否則會引雷入室。

(3) 浪涌保護。線路安裝應盡可能降低線路感抗,防止相互反擊。電源SPD的各級選型應根據(jù)各地綜合環(huán)境評價確定,安裝時應考慮其等級間的配合,同時注意線徑,進出SPD電源線不應在同端口和并排設置,最好采用雙絞線。

(4) 防雷電波侵入及等電位聯(lián)結。電力、信號、金屬管道、金屬構架、電纜等,在入戶時應與等電位排相連接。工作室機房應在四個不同方向設置局部等電位聯(lián)結帶,盡量不要使用引下線作為等電位聯(lián)結。

6　結　語

當涂鳳凰山氣象觀測站的防雷設計和施工是一項非常復雜的綜合性防雷工程,任何一個環(huán)節(jié)的疏忽,都可能導致雷擊安全事故的發(fā)生,因此只有嚴格按照技術規(guī)范要求,采用現(xiàn)代防雷技術的躲、攔截、接閃、屏蔽、分流、接地、布線、等電位、加裝SPD等有效手段,才能取得最佳的防雷效果。

[1]陳秀華,曾賢圣.氣象觀測站的防雷方案[J].科技資訊,2009(20):180.

[2]德慶措姆,白瑪措姆,更增尼瑪,等.自動氣象站防雷技術初探[J].西藏科技,2009(5):62-66.

[3]鄭西,李如強,岑劍.山區(qū)自動氣象站防雷探討[J].貴州氣象,2009(2):44-45.

[4]梁邦全.多要素自動氣象站防雷防護初探[J].氣象水文海洋儀器,2010(2):91-96.

[5]建筑物防雷設計規(guī)范:GB 50057—2010[S].

[6]建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術規(guī)范:GB 50343—2012[S].

[7]虞昊.現(xiàn)代防雷技術基礎[M].北京:清華大學出版社,2005.

[8]潘忠林.現(xiàn)代防雷技術[M].成都:電子科技大學出版社,1997.

Lightning Protection Design for Fenghuang Mountain Meteorological Station

XING Yibo,YANG Chunming

(Anhui Province Maanshan Meteorological Bureau, Maanshan 243000, China)

Based on the 2006～2015 ADTD datum of Anhui Province,this paper analyzed the lightning characters of meteorological station within 5 km scope around Fenghuang Mountain in Dangtu county.According to the requirements of the second-class lightning protection,the comprehensive lightning protection designs of meteorological station and operation building in Fenghuang Mountain were elaborated.The matters needing attentions of lightning protection construction were introduced in detail.The practical operating results show that the lightning protection measures which are used in Meteorological Station of Fenghuang Mountain,have a better effect,so the lightning accident of meteorological station does not happen again.

meteorological station; lightning protection; direct lightning; operation building

邢憶波(1963—),男,從事氣象裝備維護方面的研究。

TU 856

B

1674-8417(2016)07-0045-04

10.16618/j.cnki.1674-8417.2016.07.012

2016-02-25

楊春明(1974—),男,高級工程師,從事雷電防護方面的工作。