典型海島自動(dòng)氣象站觀測(cè)場(chǎng)雷電災(zāi)害防御對(duì)策

梁興文，陳景榮，關(guān)漫軍

（1.上川島氣象站，廣東江門(mén) 529264；2.廣東省氣象公共安全技術(shù)支持中心，廣東廣州 510640；3.開(kāi)平市氣象局，廣東開(kāi)平 529300）

地面氣象觀測(cè)場(chǎng)（簡(jiǎn)稱觀測(cè)場(chǎng)）的雷電防護(hù)一直作為觀測(cè)場(chǎng)安全保障的重要組成部分。作為觀測(cè)場(chǎng)綜合防雷系統(tǒng)重要組成部分的直擊雷防護(hù)，其設(shè)計(jì)有相應(yīng)的防雷技術(shù)規(guī)范可以遵循。但實(shí)際情況是，即使嚴(yán)格按照規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)和施工，仍時(shí)常會(huì)有發(fā)生雷擊的情況，除了規(guī)范的技術(shù)層面問(wèn)題外，這可能與廣東省自動(dòng)氣象站觀測(cè)場(chǎng)雷電環(huán)境比較惡劣也有一定的關(guān)系［1］，如山東省濱州市海島站就因?yàn)槔纂姯h(huán)境惡劣而常有雷電發(fā)生［2］。針對(duì)觀測(cè)場(chǎng)直擊雷的防護(hù)措施很多，如敖振浪等［3］提出了迂回策略；王惠芳［4］提出了利用風(fēng)桿拉線分流，數(shù)據(jù)線、控制器電路板屏蔽，以及“爪型”接地的方法；姚建春等［5］采用距離風(fēng)塔3 m安裝一避雷針及采用共用接地網(wǎng)的方法；仇健等［6］提出采用獨(dú)立接閃桿保護(hù)觀測(cè)場(chǎng)內(nèi)的所有設(shè)施的方法。另外，陳紹東等［7］利用位于廣州市從化區(qū)的中國(guó)氣象局雷電野外科學(xué)試驗(yàn)基地人工引雷試驗(yàn)場(chǎng)所開(kāi)展的地電位抬升沖擊SPD試驗(yàn)；顏旭等［8］在同一場(chǎng)地上基于人工觸發(fā)閃電研究了共地和非共地情況下主動(dòng)地網(wǎng)以及鄰近被動(dòng)地網(wǎng)上地電位抬升特征，結(jié)果均表明接閃時(shí)主動(dòng)地網(wǎng)上會(huì)產(chǎn)生很高的地電位抬升，極易產(chǎn)生反擊造成危險(xiǎn)，被動(dòng)地網(wǎng)與主動(dòng)地網(wǎng)共地比非共地情況下地電位抬升更高，威脅更大。

本研究根據(jù)上川島氣象站觀測(cè)場(chǎng)的特殊條件，介紹其雷電災(zāi)害具體防御對(duì)策，特別是一種與前述不一樣的“塔網(wǎng)”分離直擊雷保護(hù)系統(tǒng)。

1 觀測(cè)場(chǎng)及其原防雷情況

該地面氣象觀測(cè)場(chǎng)位于廣東省上川島，屬于國(guó)家基準(zhǔn)氣象站，南北長(zhǎng)35.0 m，東西寬25.0 m。觀測(cè)場(chǎng)通過(guò)四周的擋土墻構(gòu)筑平臺(tái)而成，觀測(cè)場(chǎng)平臺(tái)外四周地勢(shì)較陡（圖1）。

圖1 改造前的觀測(cè)場(chǎng)

觀測(cè)場(chǎng)防雷情況：觀測(cè)場(chǎng)的直擊雷防護(hù)僅利用設(shè)置在風(fēng)塔頂部的接閃桿進(jìn)行保護(hù)，接閃桿凈高1.0 m，利用塔身作為引下線，地網(wǎng)為共用接地網(wǎng)，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試其工頻接地電阻為8.0Ω；觀測(cè)場(chǎng)的感應(yīng)雷防護(hù)措施：觀測(cè)場(chǎng)線纜溝槽內(nèi)兩側(cè)分別設(shè)置有強(qiáng)、弱不銹鋼金屬線槽，金屬線槽節(jié)間有接地跨接線，間隔18.0 m重復(fù)接地1次；所有設(shè)備安裝基座處均預(yù)留有接地端子，設(shè)備金屬支座以及設(shè)備金屬外殼均通過(guò)接地銅纜與接地端子連接接地；觀測(cè)值班室供觀測(cè)場(chǎng)的總配電箱及觀測(cè)場(chǎng)配電箱、采集器機(jī)箱供電開(kāi)關(guān)處均設(shè)置有相應(yīng)的SPD，供至觀測(cè)場(chǎng)總配電箱的供電電纜為套金屬管埋地敷設(shè)；觀測(cè)場(chǎng)與值班室之間的通訊光纜采用套PVC管埋地敷設(shè)［9］，其加強(qiáng)金屬芯在進(jìn)入值班大樓處和觀測(cè)場(chǎng)分別進(jìn)行接地；各氣象要素傳感器與采集器之間屏蔽信號(hào)電纜通過(guò)金屬弱電線槽敷設(shè)，屏蔽層首尾接地。

2 直擊雷防護(hù)系統(tǒng)改造

2.1 改造原則

改造本著直擊雷防護(hù)系統(tǒng)和觀測(cè)場(chǎng)設(shè)備接地系統(tǒng)相互獨(dú)立設(shè)置的原則，盡可能減小當(dāng)直擊雷系統(tǒng)發(fā)生接閃時(shí)其地網(wǎng)地電位抬升對(duì)設(shè)備地網(wǎng)（設(shè)備地網(wǎng)和感應(yīng)雷地網(wǎng)為同一地網(wǎng)，以下稱為設(shè)備地網(wǎng)）的反擊［10］，同時(shí)結(jié)合氣象站的環(huán)境升級(jí)改造，盡可能降低防雷改造的工程費(fèi)用。

2.2 改造措施

1）接閃塔的設(shè)置。

如圖2所示，觀測(cè)場(chǎng)直擊雷防護(hù)按第二類防雷進(jìn)行設(shè)計(jì)［11］。

圖2 觀測(cè)場(chǎng)接閃塔布置及保護(hù)示意圖

由于觀測(cè)場(chǎng)地形和現(xiàn)場(chǎng)條件的限制，觀測(cè)場(chǎng)外沒(méi)有合適的位置設(shè)置接閃塔，若將接閃塔設(shè)置在觀測(cè)場(chǎng)平臺(tái)外的陡坡處，則需要大大增加接閃塔的高度，結(jié)合抗臺(tái)風(fēng)的考慮，建設(shè)成本會(huì)大幅增加，因此在綜合考慮接閃塔的高度、數(shù)量和有效的保護(hù)范圍的關(guān)系后，采取了在觀測(cè)場(chǎng)平臺(tái)設(shè)置3座接閃塔聯(lián)合保護(hù)的方法，分別是設(shè)置在西北的1號(hào)18 m接閃塔、設(shè)置在東面的2號(hào)13 m接閃塔和設(shè)置在正南面的3號(hào)13 m接閃塔，3座接閃塔頂部的接閃器均采取與塔身絕緣，如圖3所示。根據(jù)規(guī)范要求，觀測(cè)場(chǎng)的直擊雷保護(hù)需要對(duì)場(chǎng)地內(nèi)的所有觀測(cè)設(shè)備和人員進(jìn)行有效保護(hù)，具體是在12.5和2.5 m［12］高度的保護(hù)范圍要覆蓋風(fēng)塔和整個(gè)觀測(cè)場(chǎng)。通過(guò)天正電氣軟件所作的接閃桿保護(hù)范圍圖（圖略）可知，本措施滿足要求。

2）地網(wǎng)設(shè)置。

如圖3所示，觀測(cè)場(chǎng)分別設(shè)置相互獨(dú)立的直擊雷地網(wǎng)與設(shè)備地網(wǎng)，二者在地中的距離≥3 m，接地電阻值要求分別≤10Ω和≤4Ω［12］；在觀測(cè)場(chǎng)南面擴(kuò)充處增加設(shè)備附加地網(wǎng)，并與觀測(cè)場(chǎng)內(nèi)原有接地網(wǎng)連接；1號(hào)接閃塔接地網(wǎng)設(shè)置在觀測(cè)場(chǎng)西面和北面山坡空地處，與觀測(cè)場(chǎng)圍欄水平距離為5 m，直線距離大約5.7 m，2號(hào)接閃塔接地網(wǎng)設(shè)置在觀測(cè)場(chǎng)東面的陡坡處，與擋土墻水平距離為3 m，直線距離約4.2 m，與觀測(cè)場(chǎng)圍欄水平距離為5 m。3號(hào)接閃塔接地網(wǎng)和1號(hào)接閃塔共用一個(gè)地網(wǎng)。

圖3 觀測(cè)場(chǎng)地網(wǎng)布置示意圖

3）塔頂接閃器及其獨(dú)立引下線設(shè)置。

為了解決設(shè)置在觀測(cè)場(chǎng)平臺(tái)內(nèi)接閃塔接閃時(shí)雷電流不通過(guò)塔身在觀測(cè)場(chǎng)內(nèi)泄放，在接閃塔頂部安裝與接閃塔絕緣的接閃器，如圖3所示。接閃器通過(guò)絕緣銅纜套PVC-U塑料管沿塔身敷設(shè)至地下0.5 m再埋地敷設(shè)至相應(yīng)的直擊雷接地網(wǎng)，這樣可以減少接閃時(shí)直擊雷地網(wǎng)的地電位抬升對(duì)觀測(cè)場(chǎng)設(shè)備接地的影響。接閃器與塔身的絕緣采用一段高強(qiáng)度玻璃鋼管［13］進(jìn)行固定，高強(qiáng)度玻璃鋼管上端連接接閃器，下端插入固定在鐵搭頂部的熱鍍鋅鋼管。獨(dú)立引下線采用銅芯聚氯乙烯絕緣電線ZR-BVV50［13］，參考GB50057-2010《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》關(guān)于直擊雷引下線采取防接觸電壓的措施：外露引下線，其距地面2.7 m以下的導(dǎo)體用耐1.2/50μs沖擊電壓100 kV的絕緣層隔離，或用至少3 mm厚的交聯(lián)聚乙烯層隔離。增加套Φ50×3.7 PVC-U塑料管［14］，確保引下線與塔身的絕緣性能。

3 觀測(cè)設(shè)備感應(yīng)雷防護(hù)

在第2章直擊雷防護(hù)、地電位抬升防護(hù)、強(qiáng)弱電線路分槽屏蔽敷設(shè)的基礎(chǔ)上，對(duì)觀測(cè)設(shè)備的供電線路重新設(shè)置多級(jí)適配的SPD進(jìn)行保護(hù)，分別在觀測(cè)場(chǎng)總配電箱裝設(shè)二級(jí)SPD保護(hù)，其中In＝20 kA，Up≤1.8 kV；在主采集器、串口服務(wù)器、天氣現(xiàn)象儀、能見(jiàn)度儀、云觀測(cè)設(shè)備、閃電定位儀、自動(dòng)日照計(jì)處設(shè)置三級(jí)SPD保護(hù)，其中In＝20 kA，Up≤1.5 kV［15］，如圖4所示。在各觀測(cè)設(shè)備信號(hào)端口防護(hù)方面，與主采集器連接的有風(fēng)向風(fēng)速儀、能見(jiàn)度儀、溫度濕度傳感器、雨量傳感器、蒸發(fā)傳感器、地溫分采集器（草溫傳感器、淺層地溫傳感器、深層地溫傳感器與地溫分采集器連接）［9］，由于在以上信號(hào)端口安裝信號(hào)SPD會(huì)影響采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，僅采取線路雙層屏蔽的措施，即屏蔽電纜沿金屬線槽屏蔽敷設(shè)；與串口服務(wù)器連接的分別有主采集器、天氣現(xiàn)象儀、云觀測(cè)儀、閃電定位儀、自動(dòng)日照計(jì)，在相應(yīng)的端口安裝RS485或RS232串口SPD。各SPD的接地均短而直就近與預(yù)留接地端子連接。

圖4 觀測(cè)場(chǎng)供電線路SPD安裝示意圖

4 改造后的情況

該防雷改造工程，于2013年5月份進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)勘察和設(shè)計(jì)，同年12月份改造施工完畢，改造后的觀測(cè)場(chǎng)如圖5所示。經(jīng)過(guò)7年多的雷雨季節(jié)運(yùn)行，實(shí)踐證明改造后的觀測(cè)場(chǎng)防雷效果顯著。

圖5 改造后的觀測(cè)場(chǎng)

本研究根據(jù)上川島氣象站觀測(cè)場(chǎng)所處環(huán)境、地形、地貌等的具體情況，綜合考慮接閃塔與觀測(cè)場(chǎng)的距離、接閃塔所需的高度和數(shù)量，以及工程改造費(fèi)用等因素，采取了在觀測(cè)場(chǎng)平臺(tái)內(nèi)設(shè)置接閃塔并采用接閃器與塔身絕緣的方法，通過(guò)獨(dú)立引下線將接閃器與觀測(cè)場(chǎng)平臺(tái)外的獨(dú)立接地網(wǎng)連接，更好地解決了直擊雷接閃時(shí)地電位抬升對(duì)設(shè)備接地反擊的影響。同時(shí)具體分析所有的觀測(cè)設(shè)備供電及信號(hào)傳輸?shù)木唧w形式，有針對(duì)性地配置適配的SPD。由于地網(wǎng)具體設(shè)計(jì)計(jì)算不是本研究關(guān)注的重點(diǎn)，因此在地網(wǎng)設(shè)計(jì)介紹時(shí)并沒(méi)有給出詳細(xì)的計(jì)算及計(jì)算結(jié)果。本研究所介紹設(shè)置獨(dú)立直擊雷防護(hù)系統(tǒng)的方法及觀測(cè)設(shè)備雷電防護(hù)措施，對(duì)于類似條件的觀測(cè)場(chǎng)雷電災(zāi)害防御具有一定的參考價(jià)值。