楊濟(jì)波

(貴州省黔南自治州氣象局，貴州 都勻 558000)

1 引言

某自動(dòng)氣象站位于 107°32'E、26°19'N，海拔969.1 m的某市北郊，屬國(guó)家基本站，于2007年1月1日投入使用(市區(qū)老站始建于1957年1月1日)。因自動(dòng)站所處地勢(shì)相對(duì)于周邊來(lái)說(shuō)比較高，而且金屬設(shè)備較多，所以該站為雷電經(jīng)常光顧的場(chǎng)所。近幾年來(lái)，該站多次遭受雷擊，造成該站觀測(cè)中斷事故經(jīng)常發(fā)生。今年5月和7月，該站又先后兩次遭受雷擊，損失嚴(yán)重。7月份的雷擊事故發(fā)生后，筆者接受邀請(qǐng)，到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了仔細(xì)的調(diào)查，調(diào)查中發(fā)現(xiàn)該站的防雷系統(tǒng)在很多方面存在弊端，現(xiàn)指出來(lái)并提出整改意見，供整改參考。

2 雷擊情況

該站自投入使用的第3年開始至今，幾乎每年都有1～2次的雷擊事故發(fā)生，而且，每次雷擊事故發(fā)生時(shí)，受損壞的部分要么是“采集器+值班室計(jì)算機(jī)信號(hào)傳輸接口”，要么是“采集器+傳感器+值班室計(jì)算機(jī)信號(hào)傳輸接口”，沒(méi)有看到自動(dòng)站內(nèi)的金屬設(shè)備外殼遭受雷擊的情況發(fā)生，亦沒(méi)有看到由于電源線路的安全問(wèn)題而造成雷擊事故的現(xiàn)象發(fā)生。

初步判斷:雷擊事故的發(fā)生，是因?yàn)槔纂妬?lái)襲時(shí)，由于某種原因產(chǎn)生的高電位沖擊某個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)采集設(shè)備使其損壞;或是因?yàn)槔纂妬?lái)襲時(shí)，由于某種原因感應(yīng)出的強(qiáng)雷電流首先侵入某個(gè)數(shù)據(jù)采集設(shè)備使其損壞，并通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸線傳輸，造成其它數(shù)據(jù)采集設(shè)備連環(huán)損壞。

那么，為什么會(huì)產(chǎn)生高電位沖擊的現(xiàn)象?抑或雷電流又是怎么感應(yīng)出來(lái)并沖擊采集設(shè)備的呢?

3 防雷系統(tǒng)基本情況

3.1 直擊雷防護(hù)

該站在觀測(cè)場(chǎng)北面距自動(dòng)接風(fēng)桿7 m處，安裝有27 m高的鋼架塔式獨(dú)立避雷針進(jìn)行接閃，并利用針體作引下線，對(duì)整個(gè)觀測(cè)場(chǎng)內(nèi)的設(shè)備進(jìn)行防直擊雷保護(hù)。

值班室位于觀測(cè)場(chǎng)東面，距觀測(cè)場(chǎng)約100 m的某雷達(dá)站塔樓3樓內(nèi)。雷達(dá)站塔樓樓頂安裝有3支等高避雷針，并用塔樓柱筋作引下線，塔樓及塔樓內(nèi)的所有設(shè)備均處在有效的直擊雷保護(hù)范圍內(nèi)。

3.2 電源防護(hù)

3.2.1 自動(dòng)氣象站與雷達(dá)站共用同一電源系統(tǒng)。供電電源為TN－S制，電源線在入戶前穿鋼管埋地80多米，入戶后電纜外皮及鋼管均與地網(wǎng)可靠連接。

3.2.2 在塔樓電源入戶處安裝響應(yīng)時(shí)間 ≤25 ns，殘壓≤3.0 kV，標(biāo)稱放電電流≥60 kA的三相電源避雷器作1級(jí)防護(hù)。

3.2.3 在中心機(jī)房配電柜內(nèi)安裝響應(yīng)時(shí)間≤25 ns，殘壓≤2.3 kV，標(biāo)稱放電電流≥40 kA的三相電源避雷器作2級(jí)防護(hù)。

3.2.4 在值班室UPS電源輸入端安裝響應(yīng)時(shí)間≤25 ns，殘壓≤1.5 kV，標(biāo)稱放電電流≥20 kA的單相電源避雷器作3級(jí)防護(hù)。

3.2.5 值班室機(jī)房設(shè)備共用響應(yīng)時(shí)間≤25 ns，殘壓≤1.2 kV，標(biāo)稱放電電流≥5 kA的防雷插座。

3.3 信號(hào)防護(hù)

該站在采集器輸出端安裝信號(hào)電涌保護(hù)器，在值班室計(jì)算機(jī)信號(hào)傳輸接口安裝信號(hào)電涌保護(hù)器。(經(jīng)檢測(cè)，這兩個(gè)信號(hào)電涌保護(hù)器已壞。)

3.4 地網(wǎng)工程

自動(dòng)氣象站防雷地網(wǎng)由3個(gè)獨(dú)立地網(wǎng)合并而成，一個(gè)是觀測(cè)場(chǎng)內(nèi)地網(wǎng)，一個(gè)是獨(dú)立避雷針地網(wǎng)，另一個(gè)是雷達(dá)站塔樓地網(wǎng)，整個(gè)地網(wǎng)接地電阻3.4 Ω。另外，在觀測(cè)場(chǎng)南面距觀測(cè)場(chǎng)地網(wǎng)3m左右處還有一個(gè)高壓線路避雷線地網(wǎng)，但該地網(wǎng)未與自動(dòng)站防雷地網(wǎng)相連接，如圖1所示，而且與避雷線搭接的電桿拉線安裝在觀測(cè)場(chǎng)內(nèi)，接地電阻15Ω。

圖1 防雷地網(wǎng)布局

3.5 等電位連接

觀測(cè)場(chǎng)內(nèi)除兩根風(fēng)桿外其它設(shè)備外殼均與地網(wǎng)作有效連接，兩根風(fēng)桿未與地網(wǎng)作有效連接，值班室地板下因未安裝接地匯流環(huán)(排)，所以所有設(shè)備均未作有效的等電位連接。

3.6 線路敷設(shè)及屏蔽

觀測(cè)場(chǎng)內(nèi)信號(hào)線及電源線分別沿地溝單獨(dú)穿鋼管屏蔽敷設(shè)，鋼管首尾有效跨接，且分別與就近地網(wǎng)有效焊接;信號(hào)線及電源線從觀測(cè)場(chǎng)分別單獨(dú)穿鋼管屏蔽敷設(shè)延伸至雷達(dá)站塔樓外側(cè)，鋼管首尾有效跨接，且首端與觀測(cè)場(chǎng)地網(wǎng)有效焊接，尾端與塔樓地網(wǎng)有效焊接，從塔樓外側(cè)到3樓值班室的信號(hào)及電源線用PVC管套裝敷設(shè)，PVC管距塔樓1、2樓外墻柱筋約0.7 m;信號(hào)線屏蔽層中途折斷，在值班室端測(cè)量屏蔽層接地電阻為無(wú)窮大。

4 雷擊原因分析及整改意見

通過(guò)對(duì)該站防雷系統(tǒng)的調(diào)查，不難發(fā)現(xiàn)該站雷電防護(hù)主要在以下3個(gè)方面存在隱患，使其經(jīng)常遭受雷害。

①?zèng)]有完全采用共用接地系統(tǒng)，這是造成雷擊損害的主要原因之一。該自動(dòng)站觀測(cè)場(chǎng)南面的高壓線路避雷線地網(wǎng)與自動(dòng)站防雷地網(wǎng)之間沒(méi)有隔開安全的距離，且又未作有效連接，當(dāng)雷電來(lái)襲使高壓線防雷線遭受雷擊時(shí)，雷電流將沿引下線和接地體入地，在此過(guò)程中，雷電流在高壓線防雷系統(tǒng)中產(chǎn)生的暫態(tài)高電壓，將首先向沒(méi)有接受雷擊的觀測(cè)場(chǎng)地網(wǎng)產(chǎn)生反擊，使得電源PE線及信號(hào)系統(tǒng)邏輯接地線與觀測(cè)場(chǎng)地網(wǎng)相連的數(shù)據(jù)采集設(shè)備發(fā)生放電擊穿，導(dǎo)致設(shè)備嚴(yán)重?fù)p壞。所以，兩個(gè)防雷地網(wǎng)需作有效連接形成統(tǒng)一地網(wǎng)，以降低地網(wǎng)之間的電位差，防止地電位反擊損壞設(shè)備。同時(shí)，共用接地系統(tǒng)接地電阻未達(dá)到≤2Ω的要求，會(huì)造成發(fā)生雷擊時(shí)雷電流在接地極上產(chǎn)生的瞬間高電位對(duì)設(shè)備造成沖擊，損壞設(shè)備。因該站所處環(huán)境土壤電阻率較高(沙土)，并且觀測(cè)場(chǎng)四周無(wú)延伸重復(fù)接地的條件，所以可采用澆灌降阻劑或換土法對(duì)地網(wǎng)進(jìn)行改造，使地網(wǎng)接地電阻達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。

②觀測(cè)場(chǎng)內(nèi)風(fēng)桿未與地網(wǎng)可靠連接，這是造成雷擊損害的另一個(gè)主要原因。風(fēng)桿地腳支撐板與接地線之間靠一根螺桿相互搭接，而風(fēng)桿地腳支撐板與螺桿之間是活動(dòng)套接的，所以風(fēng)桿沒(méi)有可靠接地。當(dāng)獨(dú)立避雷針遭受雷擊而產(chǎn)生的強(qiáng)大雷電流沿針桿下泄入地的瞬間，會(huì)在其周圍產(chǎn)生較大的交變電磁場(chǎng)，自然會(huì)在其旁邊的風(fēng)桿上產(chǎn)生較強(qiáng)的交變電流，因?yàn)轱L(fēng)桿沒(méi)有可靠接地，所以電流將沖擊安裝在風(fēng)桿上面的風(fēng)傳感器，同時(shí)，雷電流會(huì)通過(guò)數(shù)據(jù)信號(hào)線繼續(xù)沖擊采集器及與之相連的計(jì)算機(jī)，產(chǎn)生二次雷擊損害(圖2)。

圖2 風(fēng)桿雷擊風(fēng)險(xiǎn)示意圖

③信號(hào)電涌保護(hù)器沒(méi)有起到應(yīng)有的保護(hù)作用，這是造成采集器或值班室計(jì)算機(jī)信號(hào)傳輸接口遭受沖擊損壞的另一個(gè)主要原因。該處電涌保護(hù)器的作用是把竄入信號(hào)傳輸線的瞬時(shí)過(guò)電壓限制在采集器或計(jì)算機(jī)信號(hào)傳輸接口所能承受的電壓范圍內(nèi)，或?qū)?qiáng)大的雷電流泄流入地，保護(hù)采集器或計(jì)算機(jī)信號(hào)傳輸接口等設(shè)備不受沖擊而損壞。所以，應(yīng)該重新選擇安裝性能良好的信號(hào)電涌保護(hù)器，并在每年雷雨季節(jié)前及每次雷雨過(guò)后對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)，讓其隨時(shí)保持良好的工作狀態(tài)，保護(hù)好信號(hào)傳輸線兩端的設(shè)備，免遭沖擊損壞。

5 其它隱患及整改意見

①?gòu)乃峭鈧?cè)到3樓值班室的信號(hào)線及電源線的安裝不合理，應(yīng)該分別用鋼管或金屬線槽屏蔽敷設(shè)安裝，且下端分別與塔樓地網(wǎng)及從觀測(cè)場(chǎng)延伸安裝過(guò)來(lái)的鋼管作有效焊接，中部與塔樓的2樓川梁作有效焊接，頂端與3樓待安裝的匯流排作有效連接，一方面使信號(hào)線和電源線得到很好的屏蔽保護(hù)，避免因雷擊塔樓樓頂避雷針產(chǎn)生的泄流流經(jīng)旁邊的柱筋時(shí)產(chǎn)生的雷電電磁脈沖干擾帶來(lái)的設(shè)備損害，另一方面使觀測(cè)場(chǎng)內(nèi)設(shè)備與值班室內(nèi)設(shè)備處在同一個(gè)電位水平上，避免因電位差帶來(lái)的設(shè)備損害。

②信號(hào)線屏蔽層中途折斷，會(huì)使信號(hào)得不到較好的屏蔽保護(hù)，同時(shí)會(huì)使與信號(hào)線首尾兩端相連接的設(shè)備間存在電位差，存在高電位沖擊設(shè)備的可能，所以必須更換信號(hào)線。

③值班室內(nèi)所有設(shè)備未作等電位連接，存在設(shè)備間高電位沖擊的隱患。應(yīng)在值班室地板下沿墻角四周安裝一個(gè)閉合匯流環(huán)，匯流環(huán)與墻體四周的柱筋作有效焊接，應(yīng)盡量做到四周多處焊接，并且在匯流環(huán)上多處焊上接線端子，然后用不＜10 mm2的多股銅芯線把室內(nèi)所有設(shè)備的外殼、地板支架、設(shè)備所有外部接口、與設(shè)備較近的其它導(dǎo)電物體等就近與接線端子連接，使值班室內(nèi)的所有設(shè)備及其它導(dǎo)電物體均處在一個(gè)相同的電位水平上，防止設(shè)備間因瞬間高電位沖擊造成的損害。

6 結(jié)束語(yǔ)

一個(gè)完整的防雷系統(tǒng)不僅要考慮接閃、分流、限壓等工程因素，還必須充分考慮接地、屏蔽、均壓及等電位連接等工程因素，將雷電能通過(guò)合理有效的路徑安全的泄入地下，這樣才能盡量避免雷電災(zāi)害的發(fā)生。