楊 波，王 寶

(玉溪市氣象局，云南 玉溪 653100)

0 引言

隨著云南省氣象現(xiàn)代化建設(shè)的飛速發(fā)展，特別是近年來云南省各地州的基層氣象臺站建成以來，其建(構(gòu))筑物和設(shè)備遭受雷擊危害的事故時有發(fā)生，這給氣象臺站的正常業(yè)務(wù)工作造成了極大的影響。為有效保障氣象現(xiàn)代化業(yè)務(wù)的順利開展，通過分析各基層臺站防雷設(shè)施的設(shè)置是否合理，淺析了對縣級新建臺站的防雷裝置設(shè)計安裝，供各基層臺站參考。

1 縣級氣象臺站易遭受的雷擊形式

通過對實地雷擊事故的調(diào)查及查詢云南省閃電定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)，云南省氣象臺站雷擊形式可分為直擊雷和感應(yīng)雷，其中以感應(yīng)雷為主。如2013年元江縣氣象臺站遭雷擊，其業(yè)務(wù)樓網(wǎng)絡(luò)癱瘓、大氣電場儀損毀、觀測場設(shè)備不同程度受損，致使正常的氣象業(yè)務(wù)、氣象預(yù)報、氣象信息、大氣象電場數(shù)據(jù)不能正常傳輸。又如，2010華寧縣象局因遭受雷擊，其人影指揮系統(tǒng)處于癱瘓狀態(tài)，嚴(yán)重影響了華寧縣當(dāng)日的人工防雹工作。根據(jù)雷災(zāi)勘察鑒定結(jié)果，引起基層臺站雷災(zāi)的原因主要有直擊雷擊和感應(yīng)雷擊兩類型式[1,2]。

1.1 直擊雷擊

帶電的云層對大地上的某一點發(fā)生猛烈的放電現(xiàn)象，稱為直擊雷。直擊雷的破壞力十分巨大，若不能迅速將其泄放入大地，將導(dǎo)致放電通道內(nèi)的物體、建筑物、設(shè)施、人畜遭受嚴(yán)重的破壞或損害——火災(zāi)、建筑物損壞、電子電氣系統(tǒng)摧毀，甚至危及人畜的生命安全。由于觀測場周邊存在一定范圍的保護距離，觀測場相對于其它的建(構(gòu))筑物來說是“空曠、孤立”，因此極易引起直擊雷擊。

1.2 感應(yīng)雷擊

在雷擊強電場的作用下，處在電場下的地表、建(構(gòu))筑物或進(jìn)出建(構(gòu))筑物的金屬管、線因靜電感應(yīng)而帶上與雷云極性相反的電荷，在短時間內(nèi)形成局部感應(yīng)高電壓，從而對電子、電器設(shè)備產(chǎn)生損壞。感應(yīng)雷不僅會損壞電子、電器設(shè)備，而且如有易燃易爆物品存在，則極易造成火災(zāi)或引起爆炸。

1.3 地電位反擊

如果雷電直接擊中具有避雷裝置的建筑物或設(shè)施，接地網(wǎng)的地電位會在數(shù)微秒之內(nèi)被抬高數(shù)萬或數(shù)十萬伏。高度破壞性的雷電流將從各種裝置的接地部分流向供電系統(tǒng)或各種網(wǎng)絡(luò)信號系統(tǒng)，或者擊穿大地絕緣而流向另一設(shè)施的供電系統(tǒng)或各種網(wǎng)絡(luò)信號系統(tǒng)，從而反擊破壞或損害電子設(shè)備。同時，在未實行等電位連接的導(dǎo)線回路中，可能誘發(fā)高電位而產(chǎn)生火花放電的危險。

2 進(jìn)入縣級氣象臺站的雷擊途徑

根據(jù)幾次雷擊勘察結(jié)果綜合分析，縣級氣象臺站遭受雷擊的途徑主要有以下幾條。

2.1 直擊雷

由于雷擊的隨機性和偶然性，加之近年由于城市的不斷發(fā)展，很多縣級基層臺站在搬遷后相對的“孤立”，成為了雷電襲擊的首選目標(biāo)。

2.2 進(jìn)入氣象臺站的各類管、線及安裝于建(構(gòu))筑物頂端的天饋線

進(jìn)入氣象臺站的各類金屬管如水管，屏蔽穿線管等金屬管，當(dāng)附近產(chǎn)生雷擊，使其感應(yīng)到雷電高電壓，如其接地不良，則會使其高電壓與處于低電位的電子設(shè)備之間存在電壓差，從而使電子設(shè)備損壞；進(jìn)出氣象臺站的電源線、信號線等金屬架空線，當(dāng)雷擊產(chǎn)生在它們附近時，在這些金屬導(dǎo)線上感應(yīng)的雷電隨之進(jìn)入到電子電器設(shè)備和用電設(shè)備上，造成用電設(shè)備和微電子設(shè)備的毀壞；處于建(構(gòu))筑物頂端的天饋線，在雷擊感應(yīng)高電壓后，高電壓順其傳輸線進(jìn)入接收器或發(fā)射器造成這些設(shè)備的損毀。

2.3 地電位反擊

地電位反擊的雷擊途徑在基層臺站建設(shè)過程中極易被忽視。由于建設(shè)過程中沒考慮地電位反擊的影響，當(dāng)雷電流峰值極大時，雷電流通過接地裝置導(dǎo)入大地，其接地裝置上就會產(chǎn)生高達(dá)100KV以上的反擊電壓，從而擊穿大地絕緣而向低電位設(shè)備放電，致使低電位用電設(shè)備損壞。

3 縣級氣象臺站雷擊防護方法

通過以上分析，縣級氣象臺站雷擊防護主要考慮直擊雷防護和感應(yīng)雷的防護[3-6]。

3.1 直擊雷防護

3.1.1 業(yè)務(wù)樓直擊雷防護

縣級氣象臺站業(yè)務(wù)樓在建設(shè)過程中，多采用框架結(jié)構(gòu)主體，在建設(shè)過程中利用主體本身的基礎(chǔ)鋼筋作為防雷接地體，并預(yù)留水平接地體外接鋼筋，基礎(chǔ)施工完畢后經(jīng)實測如不能達(dá)到規(guī)范要求則應(yīng)加設(shè)人工接地體直至滿足規(guī)范要求；引下線采用柱內(nèi)兩條對角主筋(鋼筋直徑≥16mm)，引下線間距須滿足規(guī)范要求，并與基礎(chǔ)鋼筋進(jìn)行可靠電氣連接[1,7]；屋頂接閃器宜采用避雷帶，避雷帶與引下線進(jìn)行可靠電氣連接；屋頂所有外露金屬物應(yīng)與避雷帶可靠電氣連接[8]。

3.1.2 觀測場直擊雷防護

觀測場地勢較高，相對獨立，場內(nèi)有風(fēng)桿、觀測設(shè)備等儀器，因此，場內(nèi)風(fēng)桿、設(shè)備應(yīng)做好接地處理。同時，由于風(fēng)桿高度不能完全保護觀測場其它設(shè)備，還需安裝一座避雷塔(針)以完善觀測場整體直擊雷防護。為了防止跨步電壓對觀測人員產(chǎn)生傷害，觀測場內(nèi)的所有金屬設(shè)施、設(shè)備均進(jìn)行等電位連接，并保證接地電阻值達(dá)到規(guī)范要求[6-8]。

3.2 感應(yīng)雷防護

縣級氣象臺站主要可靠的接地系統(tǒng)、屏蔽、等電位連接、過電壓保護、防地電位反擊幾方面來進(jìn)行感應(yīng)雷的防護[8]。

3.2.1 接地系統(tǒng)

為保證氣象觀測設(shè)備的正常運行，氣象臺站的接地電阻值在滿足小于規(guī)范要求的前提下，盡可能小于1Ω，同時做好防雷接地、交流工作接地、直流工作接地和安全保護接地[7]，并優(yōu)先考慮采用聯(lián)合接地[9,10]。

第一，防雷接地，將建(構(gòu))筑物的外露金屬全部進(jìn)行可靠電氣連接以便雷電流第一時間進(jìn)行泄放。

第二，交流工作接地，做好進(jìn)入氣象臺站變壓器的中性接地、零線接地和重復(fù)接地工作，確保對用電設(shè)備的保護和供電線路的保護。

第三，直流工作接地，對于用電設(shè)備，要做好設(shè)備的直流電工作接地，以防漏電產(chǎn)生的危險。

第四，安全保護接地，進(jìn)出氣象臺站的電纜金屬外皮、穿線金屬管道、用電設(shè)備的金屬外殼等均要有良好接地，以防設(shè)備與大地之間產(chǎn)生電位差，保護使用人員和用電設(shè)備的安全。

對以上4個接地進(jìn)行聯(lián)合接地處理，共用同一個接地網(wǎng)，有利于各接地間的電位差接進(jìn)于零，防止地電位反擊。由于各設(shè)備的性質(zhì)不同，相互間會因高頻干擾使設(shè)備不能正常運行，對有特殊要求的設(shè)備還應(yīng)采取獨立接地，獨立接地與其它接地網(wǎng)之間的距離應(yīng)大于5m，且越大越好。

3.2.2 屏蔽

為預(yù)防雷電感應(yīng)電磁脈沖和電磁干擾，最有效的方法就是屏蔽[8]?？h級基層臺站，可將建(構(gòu))筑物的結(jié)構(gòu)鋼筋和外露金屬(避雷針、天饋線等)進(jìn)行可靠電氣連接，將結(jié)構(gòu)鋼筋做好接地，使建(構(gòu))筑物自身成為第一層屏蔽體，防止雷電電磁脈沖和電磁干擾的影響；再將建(構(gòu))筑物內(nèi)的金屬管道及金屬門窗進(jìn)行接地，同時，進(jìn)出臺站的電纜金屬外皮及設(shè)備金屬外殼也要進(jìn)行可靠接地，作為臺站用電設(shè)備內(nèi)電子器件的又一層屏蔽[6,11]。

3.2.3 等電位連接

等電位連接分外部等電位連接和內(nèi)部等電位連接。氣象臺站外露的避雷針(帶)、風(fēng)桿、衛(wèi)星接收機等一切金屬物進(jìn)行可靠的電氣連接為外部等電位連接；臺站內(nèi)部的用電設(shè)備、電纜金屬外皮、防靜電地板、SPD等進(jìn)行等電位連接為內(nèi)部等電位連接[11]。進(jìn)行等電位連接的目的是降低電位差，使各用電設(shè)備和金屬物電位接近或相等，防止地電位反擊，保護設(shè)備免受雷擊[8]。

3.2.4 過電壓保護

過電壓保護分信號線過壓保護和電源系統(tǒng)過壓保護兩類[3,9,10,12]。

3.2.4.1 信號線過壓保護

在進(jìn)入臺站交換機處的信號輸入線上安裝一級信號SPD；在信號線進(jìn)入設(shè)備處安裝二級SPD。綜合多年工作經(jīng)驗，信號SPD選用時應(yīng)注意其插入損耗≤0.3dB，傳輸速率要高于設(shè)備要求最低速率，啟動電壓為信號電壓峰值的1.5倍。

3.2.4.2 電源系統(tǒng)過壓保護

通過多年來云南省縣級氣象臺站遭受雷擊實例分析，對于縣級氣象臺站的雷電過電壓保護應(yīng)安裝3級SPD保護設(shè)備(見圖1)。

圖1 3級SPD保護設(shè)備示意圖

Fig.1Three-levelSPDprotectequipmentdiagram

在進(jìn)行電源SPD設(shè)計、安裝時應(yīng)注意以下問題：

第一，SPD的選型及3級SPD間的參數(shù)要相互配合。第二，為有效保護氣象觀測設(shè)備的正常運行，SPD的通流量(I)必須滿足：IⅠ≤IⅡ≤IⅢ≤IⅣ；啟動電壓(U)必須滿足：UI≤UⅡ=UⅢ=UⅣ；殘壓(V)必須滿足VⅠ≤VⅡ≤VⅢ≤IⅣ。第三，SPD的安裝要嚴(yán)格按照規(guī)范施工、驗收，各級SPD間的間距應(yīng)不小于10m，以達(dá)到分級泄流的目的，SPD的連接線不宜過長，最好在0.5m以內(nèi)，以便分流。

3.2.5 地電位反擊

通過多年來的雷災(zāi)調(diào)查統(tǒng)計，地電位反擊也是造成基層臺站雷災(zāi)的重要因素之一[13]。結(jié)合氣象臺站的特點，可通過以下幾個方法來防止雷電地電位反擊：一是將進(jìn)出臺站的電纜金屬外皮接電線、電源線、信號線及天饋線SPD的接地線與接地體相連接，以減小金屬導(dǎo)線與防雷接地線之間的電壓差；二是將防雷接地、交流工作接地、直流工作接地及安全保護接地相互連接，形成聯(lián)合接地，降低或消除接地網(wǎng)間的電壓差；三是臺站內(nèi)如存在兩個以上獨立接地網(wǎng)時，獨立接地網(wǎng)間的距離要大于10m以上，以減小雷電反擊電壓。

4 結(jié)語

縣級基層氣象臺站的雷電防護是一項綜合性的專業(yè)防雷工程。在進(jìn)行臺站雷電防護工程的設(shè)計、施工時，要充分考慮臺站附近的雷電活動特點、所處地理位置及環(huán)境、土壤電阻及氣候要素等因素，并查詢臺站的氣象歷史資料，統(tǒng)計出年平均雷暴日數(shù)，根據(jù)實際情況進(jìn)行可靠的雷電防護工程設(shè)計，并采用質(zhì)量過硬的防雷產(chǎn)品進(jìn)行施工，施工完畢后要進(jìn)行嚴(yán)格的驗收備檔，避免因雷擊導(dǎo)致氣象裝備受損，造成不必要的經(jīng)濟損失，影響氣象業(yè)務(wù)的正常運行。

參考文獻(xiàn)：

[1]GB50057-2010年版《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》[S].

[2]JGJ/-16-92《民用建筑物電氣設(shè)計規(guī)范》[S].

[3]QX4-2000《氣象臺(站)防雷技術(shù)規(guī)范》[S].

[4]梅衛(wèi)群，江燕如.筑防雷工程與設(shè)計[M].北京：氣象出版社，2004.

[5]IEC61204-1，建筑防雷[S].

[6]王瑞國，孫蔡亮，陳釗.基層防雷裝置設(shè)計審核和竣工驗收面臨的困難及對策[J].電源技術(shù)應(yīng)用，2012(27).

[7]莊嘉.高土壤電阻率地區(qū)接地問題淺析[C].中西南八省(區(qū)、市)第十一屆防雷減災(zāi)工作聯(lián)席會議論文集，2012：376.

[8]陳并.運用綜合防雷技術(shù)做好氣象臺站防雷工作[J].農(nóng)業(yè)與技術(shù)，2013(27).

[9]YD5068-98《通信基站防雷與接地設(shè)計規(guī)范》[S].

[10]B50343—2004，建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范[S].

[11]羅征，馬祖勝.自動氣象站的運行和維護[J].廣東氣象，2008，30(5)：63-64.

[12]晨暉.計算機系統(tǒng)的雷電過電壓保護[J].桂林航天工業(yè)高等?？茖W(xué)校學(xué)報，2004(3).

[13]于志明.氣象臺站地面測報業(yè)務(wù)系統(tǒng)防雷設(shè)計[C].第十屆防雷減災(zāi)論壇—雷電災(zāi)害與風(fēng)險評估，2012(13).