新型自動(dòng)氣象站雷電防護(hù)技術(shù)探討

黃仁立，韋華紅

（防城港市氣象局，廣西防城港　538001）

新型自動(dòng)氣象站雷電防護(hù)技術(shù)探討

黃仁立，韋華紅

（防城港市氣象局，廣西防城港538001）

對(duì)廣西防城港國(guó)家一般氣象站的新型自動(dòng)氣象站建成投入運(yùn)行至2014年6月期間的幾次雷擊事件進(jìn)行分析，查找遭受雷擊的原因和雷電入侵途徑。并在保持原有防雷設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，對(duì)觀測(cè)場(chǎng)及自動(dòng)站儀器設(shè)備的防雷設(shè)施進(jìn)行設(shè)計(jì)改造，經(jīng)過(guò)改造后雷電防護(hù)效果顯著。

新型自動(dòng)站；雷電防護(hù)；獨(dú)立地網(wǎng)

本文以防城港國(guó)家一般氣象站為例，通過(guò)對(duì)新型自動(dòng)氣象站遭受雷擊的原因進(jìn)行分析，對(duì)觀測(cè)場(chǎng)及新型自動(dòng)站設(shè)備的雷電防護(hù)進(jìn)行研究，為在建或即將建設(shè)新型自動(dòng)站的臺(tái)站提供借鑒和參考。

1　雷擊原因分析

廣西防城港國(guó)家一般氣象站位于北緯21°37′，東經(jīng)108°21′，距北部灣海面約3km；年平均雷暴日數(shù)達(dá)70d，屬地面氣象觀測(cè)場(chǎng)（室）防雷等級(jí)二級(jí)，年最高雷暴日數(shù)達(dá)90d，全年各月均有雷暴發(fā)生，閃電強(qiáng)度最高達(dá)200KA以上，屬南方沿海強(qiáng)雷暴區(qū)。新型自動(dòng)氣象站觀測(cè)場(chǎng)位于小山頂，東面和南面空曠，故該觀測(cè)場(chǎng)是個(gè)容易落雷的地方。該站于2013年9月開(kāi)始動(dòng)工建設(shè)新型自動(dòng)氣象站，在2013年11月建成投入運(yùn)行至2014年6月期間，曾多次遭遇雷擊。其中2014年5月18日，新型自動(dòng)站遭受直接雷擊，造成業(yè)務(wù)計(jì)算機(jī)串口隔離器損壞，無(wú)法收到所有采集器的所有數(shù)據(jù)，地溫?cái)?shù)據(jù)采集處理集成板、主采集器損壞；同年6月5日雷擊時(shí)又造成計(jì)算機(jī)串口隔離器故障，業(yè)務(wù)計(jì)算機(jī)屏幕空白，6月9日地溫分采集器、溫濕分采集器再遭受雷擊損壞。每次遭受雷擊后，使用剩磁測(cè)試儀對(duì)避雷塔塔身進(jìn)行測(cè)量，其剩磁量均為0.7mT以上，證明雷電流從獨(dú)立避雷塔引入，強(qiáng)大的雷電流引入后，由于避雷塔地網(wǎng)與觀測(cè)場(chǎng)地網(wǎng)共網(wǎng)，引起觀測(cè)場(chǎng)地電位瞬間抬升，導(dǎo)致觀測(cè)場(chǎng)內(nèi)的地溫分采集器、溫濕分采集器、地溫板、主采集器等設(shè)備遭受地電位反擊而損壞，這是由于共用地網(wǎng)在遭受直擊雷時(shí)地電位瞬間升高超過(guò)電子原件的耐壓水平而擊穿；另外雷擊感應(yīng)耦合產(chǎn)生的雷電波又通過(guò)信號(hào)線傳至值班室，造成計(jì)算機(jī)串口形成共態(tài)電壓發(fā)生閃絡(luò)而損壞。針對(duì)以上問(wèn)題，本文在建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范基礎(chǔ)上著重對(duì)兩個(gè)地網(wǎng)的分開(kāi)布局和信號(hào)線多重防護(hù)進(jìn)行設(shè)計(jì)改造。

2　防雷設(shè)計(jì)思路和改造

2.1獨(dú)立接地網(wǎng)設(shè)計(jì)改選

2.1.1觀測(cè)場(chǎng)圍欄外側(cè)建立避雷塔獨(dú)立接地裝置

原設(shè)計(jì)方案是獨(dú)立接閃桿防直擊雷地網(wǎng)與觀測(cè)場(chǎng)地網(wǎng)應(yīng)在遠(yuǎn)端進(jìn)行至少兩處電氣連接，三處連接。

由上分析共用地網(wǎng)對(duì)觀測(cè)場(chǎng)內(nèi)的電子（弱電）系統(tǒng)不利，因此把原來(lái)直擊雷防護(hù)的避雷塔接地與觀測(cè)場(chǎng)地網(wǎng)斷開(kāi)，另建獨(dú)立的接地網(wǎng)。由于觀測(cè)場(chǎng)南、北面和西面均削山為護(hù)坡作其它用途，山頂觀測(cè)場(chǎng)四周面積較小，分開(kāi)地網(wǎng)后接地電阻值多少關(guān)系到兩個(gè)地網(wǎng)的耦合與干擾。

由水平接地極接地電阻公式

理論計(jì)算觀測(cè)場(chǎng)外側(cè)地網(wǎng)接地電阻，式中，ρ為土壤電阻率（Ω·m），觀測(cè)場(chǎng)及四周測(cè)得平均土壤電阻率為200Ω·m，ρ=200；l為水平接地體的總長(zhǎng)度（m），從觀測(cè)場(chǎng)東面、南面和西面建設(shè)地網(wǎng)，用50× 5mm的熱鍍鋅扁鋼共80m作水平敷設(shè)，l=80；d為水平接地體的等值直徑（m），采用50×5mm的扁鋼，等值直徑取d=0.025m；h為水平接地體埋設(shè)深度（m），深埋為0.8m，h=0.8，A為水平接地體的形狀系數(shù)。

由于地網(wǎng)結(jié)構(gòu)形狀為L(zhǎng)型的不閉合地網(wǎng)，故A取0.378，由以上數(shù)據(jù)理論計(jì)算得出觀測(cè)場(chǎng)外側(cè)的水平敷設(shè)接地網(wǎng)接地電阻可達(dá)R=5.16Ω，達(dá)不到低于4Ω的要求，因此，復(fù)合地網(wǎng)用50×5mm的熱鍍鋅扁鋼80m作水平敷設(shè)的同時(shí)，加以約每5m用50×50× 5×2000mm熱鍍鋅角鋼輔以人工垂直接地，再在地溝中施放長(zhǎng)效降阻劑，地網(wǎng)竣工后實(shí)測(cè)觀測(cè)場(chǎng)外側(cè)地網(wǎng)接地電阻為3.4Ω，達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。

2.1.2設(shè)置觀測(cè)場(chǎng)圍欄內(nèi)地網(wǎng)

觀測(cè)場(chǎng)內(nèi)地網(wǎng)與新型自動(dòng)站建設(shè)同步進(jìn)行，地網(wǎng)除按地溝布設(shè)外，在觀測(cè)場(chǎng)內(nèi)環(huán)型地網(wǎng)距圍欄邊0.8m處布設(shè)，以便與觀測(cè)場(chǎng)金屬?lài)鷻谶B接。垂直接地體采用熱鍍鋅角鋼，角鋼規(guī)格50×50×5×2000mm，間距為4～5m。水平接地體采用熱鍍鋅圓鋼，采用直徑不小于Φ12的國(guó)標(biāo)熱鍍鋅圓鋼，地網(wǎng)水平接地體埋設(shè)深度為0.6-0.7m，經(jīng)過(guò)回土夯實(shí)，觀測(cè)場(chǎng)接地電阻為2.9Ω。觀測(cè)場(chǎng)內(nèi)地網(wǎng)與獨(dú)立塔地網(wǎng)分開(kāi)通過(guò)實(shí)踐證明是必要的，雖然兩個(gè)地網(wǎng)相距較近，由接地體電位梯度，當(dāng)電流從接地體流向土壤向各方面擴(kuò)散時(shí)，當(dāng)電流流至無(wú)窮遠(yuǎn)時(shí)，電流密度為零，電位梯度也為零，在工程上只要離接地體20m遠(yuǎn)的地方，電流密度已足夠小，電位梯度已接近零，本方案雖沒(méi)有做到兩地網(wǎng)相距20m遠(yuǎn)，但由于在設(shè)計(jì)及施工時(shí)兩地網(wǎng)的接地電阻均達(dá)到4Ω以下且數(shù)值接近，雷擊時(shí)兩地網(wǎng)的耦合干擾就很小。

此外，根據(jù)觀測(cè)場(chǎng)儀器設(shè)備布局的要求，在所有安裝自動(dòng)氣象站設(shè)備的位置預(yù)留接地引上線，接地引出端與設(shè)備就近連結(jié)接地，將接地端預(yù)先引出并焊有銅排二十多套，銅排與Φ12圓鋼的連接采用兩面氧焊，焊接長(zhǎng)度≥70mm，銅排規(guī)格為30×3× 150mm，銅排預(yù)先留有3個(gè)Φ10的連接孔，以便就近與設(shè)備連接。

2.2感應(yīng)雷防護(hù)

表1　水平接地體形狀系數(shù)A值

2.2.1電源進(jìn)線防護(hù)

由于雷擊的能量非常巨大的，對(duì)于電源進(jìn)線需要通過(guò)分級(jí)泄放，將雷擊能量逐步泄放到大地。該新型自動(dòng)氣象站的值班室位于五層大樓的第四層，在大樓的總配電處開(kāi)關(guān)并聯(lián)接入一套KBTAD100X/380Ⅰ級(jí)試驗(yàn)電源浪涌保護(hù)器，最大放電電流Iimp：25KA（10/350us），保護(hù)電壓UP：1.5KV，作為第一級(jí)防護(hù)。在值班室樓層那第四層安裝一組標(biāo)稱(chēng)放電電流In為40KA（8/20us），保護(hù)電壓UP：2.0KV的電源避雷器（KBT-220AJ/40）作為第二級(jí)防護(hù)，在值班室內(nèi)安裝一組標(biāo)稱(chēng)放電電流In為20KA（8/20us），保護(hù)電壓UP：1.5KV電源避雷器（KBT-220AJ/20）作為第三級(jí)防護(hù)；在UPS前安裝多組標(biāo)稱(chēng)放電電流In為10KA（8/20us），保護(hù)電壓UP：0.9KV的插座式電源防浪涌保護(hù)器（KBT-220E/6），作為值班室電腦等設(shè)備的精密防護(hù)，通過(guò)多級(jí)電涌保護(hù)措施，確保電源浪涌得以防護(hù)。由于新型站多采用國(guó)產(chǎn)設(shè)備，直流輸入12V，耐壓水平比較低，極易受到雷電過(guò)電壓的沖擊而損壞，為此在采集體處理箱輸出12V的直流電源并聯(lián)額定工作電壓12V，額定電流5KA，電壓保護(hù)水平≦30V的工業(yè)控制系統(tǒng)電涌保護(hù)器。

2.2.2信號(hào)進(jìn)線防護(hù)

對(duì)于觀測(cè)場(chǎng)采集的氣溫、地溫、風(fēng)向、風(fēng)速等要素的傳輸信號(hào)線用工業(yè)控制信號(hào)防雷器KBT-C485/ 4P/12V與之串聯(lián)達(dá)到對(duì)最初信號(hào)線的過(guò)電壓防護(hù)，其通流容量為10KA，工作電壓12V，在各要素信號(hào)匯總到分采箱的串口隔離器串聯(lián)一套與串口隔離器接口對(duì)應(yīng)的多接口信號(hào)避雷器KBT-C100，其通流容量為10KA，傳輸速率為10Mbps，插入損耗0.2dB，總信號(hào)線傳輸?shù)街蛋嗍以俅?lián)一套信號(hào)避雷器KBT-C100，這樣總信號(hào)線的兩端加裝信號(hào)避雷器達(dá)到多重保護(hù)。值班室與外線連接的計(jì)算機(jī)安裝接口為RJ45的網(wǎng)絡(luò)信號(hào)避雷器（KBT-C100），電話(huà)進(jìn)線安裝接口為RJ11的音頻線路防雷器（KBTA60B）。由于氣象要素只是數(shù)字信號(hào)，信號(hào)有部份衰減也能傳輸正常，因此多級(jí)保護(hù)對(duì)信號(hào)衰減沒(méi)有造成影響。

2.2.3等電位連接

從值班室到觀測(cè)場(chǎng)和電源線和信號(hào)線分別單獨(dú)穿鋼管和屏蔽管，由于信號(hào)線纜埋地敷設(shè)距離較長(zhǎng)，鋼管和屏蔽管兩端接地，實(shí)現(xiàn)良好的電磁屏蔽效果，觀測(cè)場(chǎng)內(nèi)的所有金屬設(shè)備、電源線管和信號(hào)傳輸線屏蔽管都與觀測(cè)場(chǎng)地網(wǎng)預(yù)先預(yù)留的接地銅排作可靠連接，包括觀測(cè)場(chǎng)圍欄多點(diǎn)與預(yù)留的接地銅排作可靠連接，傳輸線屏蔽管多點(diǎn)作可靠接地，與圓鋼焊接要達(dá)6倍圓鋼直徑的要求，用螺栓連接的要擰緊并作防腐處理。防城港市下屬某縣新型自動(dòng)站曾由于疏忽電線屏蔽管、信號(hào)屏敝槽未作好接地，屏蔽管屏敝槽接地電阻值達(dá)數(shù)百歐姆以上，分采箱接地線松動(dòng)造成接地不良，當(dāng)測(cè)站附近出現(xiàn)打雷或閃電時(shí)，各氣象要素?cái)?shù)據(jù)就因電磁干擾無(wú)法傳到計(jì)算機(jī)，而雷暴天氣結(jié)束時(shí)又恢復(fù)正常，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸線屏蔽槽進(jìn)行接地和各段跨接，保證電氣連通和可靠接地，消除感應(yīng)靜電，排除電磁干擾后，雷雨天氣氣象數(shù)據(jù)傳輸恢復(fù)正常。因值班室雖只有約12m2，值班室內(nèi)各電腦、控制箱和設(shè)備與接地線母線作M型連接，金屬窗也需與接地母排連接，做好等電位連接以平衡電位、排泄雷電能量和靜電入地。

3　直擊雷防護(hù)

3.1觀測(cè)場(chǎng)氣象儀器設(shè)施安裝布局

防城港國(guó)家一般氣象站的新型自動(dòng)站建設(shè)在現(xiàn)址觀測(cè)場(chǎng)內(nèi)，儀器設(shè)施安裝按照中國(guó)氣象局的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行布局（圖略），其中新型自動(dòng)氣象站風(fēng)桿位于觀測(cè)場(chǎng)東北部，CAW600自動(dòng)氣象站風(fēng)桿位于觀測(cè)場(chǎng)西北部，中間有能見(jiàn)度儀；觀測(cè)場(chǎng)中間部分布有雨量筒、百葉箱和數(shù)據(jù)采集傳送箱等，南面部分為淺層地溫場(chǎng)、日照計(jì)、深層地溫場(chǎng)，數(shù)據(jù)采集箱。

3.2獨(dú)立塔保護(hù)

觀測(cè)場(chǎng)的防直擊雷之原則是能保護(hù)觀測(cè)場(chǎng)內(nèi)工作人員和儀器免遭雷電直接雷擊。由于原西北面已建有高度為19m的避雷塔，所以在東北面同一緯度觀測(cè)場(chǎng)外約4m處新增設(shè)另一座高度為高出地面19m的避雷塔，在觀測(cè)場(chǎng)南邊外約4m處增設(shè)另一支高度為高出地面10m的獨(dú)立避雷針，更有效地保護(hù)地溫場(chǎng)及其數(shù)據(jù)采集箱等設(shè)備，如此整個(gè)觀測(cè)場(chǎng)均落入保護(hù)范圍。

4　小結(jié)

（1）獨(dú)立地網(wǎng)的設(shè)計(jì)避免了觀測(cè)場(chǎng)地網(wǎng)在避雷塔遭受強(qiáng)雷擊時(shí)地電位升高而對(duì)設(shè)備和信號(hào)的反擊，也避免了二次感應(yīng)雷擊效應(yīng)，雷電電流經(jīng)過(guò)避雷針入地時(shí)感應(yīng)到傳輸線上使值班室業(yè)務(wù)計(jì)算機(jī)等設(shè)備被雷擊。

（2）信號(hào)線的多層防護(hù)，電源進(jìn)線的多級(jí)保護(hù)，值班室所有接地線的星連接法為防雷電波的過(guò)電壓和消除靜電干擾起到重要的防護(hù)作用。

（3）在觀測(cè)場(chǎng)東北面和西北面設(shè)立19m高的雙塔等高避雷針保護(hù)了觀測(cè)場(chǎng)大部份的主要設(shè)備，對(duì)于在離雙塔避雷針較遠(yuǎn)的地溫場(chǎng)和地溫分采集箱，再增加一支10m高的避雷針，達(dá)到了滾球半徑為60m的地面氣象觀測(cè)場(chǎng)（室）防雷等級(jí)二級(jí)直擊雷的防護(hù)。

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Discussion on lightning protection technology of new type automatic weather station

Huang Ren-li，Wei Hua-hong
（Fangchenggang Municipal Meteorological Service，F(xiàn)angchenggang Guangxi 538001）

Based on the analysis of several lightning events in June 2014 after putting new type automatic national meteorological station into operation in Fangchenggang of Guangxi，the cause of the lightning strike and lightning invasion pathways were found out.The lightning protection facilities of the observation field and automatic station instrument were redesigned and modified of on the basis of keeping the original design of lightning protection，and after the modification，the lightning protection effect is obvious.

new type automatic weather station；lighting protection；independent earth

P49

A

1673-8411（2016）02-0106-02

2015-12-10

黃仁立，（1963-），男，高級(jí)工程師，廣西平果人，從事雷電防護(hù)研究工作。