林奕峰，陳瀟

（廣州市黃埔區(qū)氣象局，廣東廣州 510730）

?

自動化觀測場防雷標(biāo)準(zhǔn)中亟需改進(jìn)的防雷措施

林奕峰，陳瀟

（廣州市黃埔區(qū)氣象局，廣東廣州 510730）

摘 要：通過對比《自動氣象站場室防雷技術(shù)規(guī)范》（QX30 -2004）和《地面氣象觀測場（室）防雷技術(shù)規(guī)范》（GBT 31162 -2014）等與蘿崗氣象觀測場整改后現(xiàn)有防雷保護(hù)措施，采用分析計(jì)算技術(shù)手段進(jìn)行分析，指出《自動氣象站場室防雷技術(shù)規(guī)范》（QX30 -2004）中“風(fēng)桿可作避雷針的條款”、“觀測場可不設(shè)單獨(dú)避雷針進(jìn)行保護(hù)的條款”、“防雷與設(shè)備共用地條款”存在的防雷隱患及風(fēng)險(xiǎn)，提出了加強(qiáng)觀測場防雷保護(hù)的措施。

關(guān)鍵詞：雷電防御；自動化觀測場；綜合防雷

林奕峰，陳瀟．自動化觀測場防雷標(biāo)準(zhǔn)中亟需改進(jìn)的防雷措施［J］．廣東氣象，2016，38（3）：58 -61．

目前廣東省氣象部門實(shí)現(xiàn)了基本氣象要素自動采集和傳輸，一批自動化觀測裝備和現(xiàn)代光纖、電纜應(yīng)用于觀測場。根據(jù)地面氣象觀測規(guī)范的要求，觀測場周圍的建筑物或構(gòu)筑物的高度有嚴(yán)格限制，觀測場的暴露性明顯，其受雷擊概率增加；另一方面自動化觀測設(shè)備抗雷電干擾能力差，表現(xiàn)在采集器工作電壓低，其直流工作電壓在12 V左右，集成電路容易被雷電擊穿，脆弱性顯著。由于觀測場的暴露性和觀測設(shè)備抗雷電干擾的脆弱性，亟需提高觀測場的防雷保護(hù)措施，確保自動化觀測設(shè)備正常采集氣象要素?cái)?shù)據(jù)。對一些觀測場已依照《自動氣象站場室防雷技術(shù)規(guī)范》（QX30 - 2004）和《地面氣象觀測場（室）防雷技術(shù)規(guī)范》（GBT 31162 -2014）等進(jìn)行防雷，但在實(shí)際中又經(jīng)常遭受雷擊而損壞觀測設(shè)備的現(xiàn)象，可以檢查是否有風(fēng)桿作為接閃器、是否單設(shè)避雷針、是否防雷與設(shè)備共用接地等情況，并改進(jìn)防雷措施，避免或減少雷電活動對觀測場造成損害。

1　蘿崗觀測場現(xiàn)狀

蘿崗觀測場是國家基本站和一級輻射觀測站，遷建后于2010年1月1日開始正式觀測，代表廣州市進(jìn)行全球氣象數(shù)據(jù)交換，2013年初被確定為全國8個氣象觀測自動化改革試點(diǎn)站之一，2013年8月開始實(shí)現(xiàn)了包括云、能、天在內(nèi)的氣象要素觀測自動化。2011年7月份遭受嚴(yán)重雷擊，觀測場所有電氣電子裝置受損，自動采集停止，啟動了人工觀測應(yīng)急。在損壞點(diǎn)排查和修復(fù)過程中，出現(xiàn)雷擊損壞點(diǎn)多、修理復(fù)雜且耗時長等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響測報(bào)質(zhì)量。觀測場雷擊后進(jìn)行了現(xiàn)場勘查和事故分析，用現(xiàn)行氣象觀測場防雷技術(shù)規(guī)范進(jìn)行了比對，發(fā)現(xiàn)與雷擊關(guān)聯(lián)的防雷保護(hù)措施仍有待改進(jìn)，存在的主要問題是：避雷針接地體與電氣接地體多處相接，即共用；風(fēng)桿作為接閃器；避雷針保護(hù)范圍不能覆蓋觀測場；避雷針接地體與電氣接地體安全距離不符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求；浪涌保護(hù)器級間能量配合不佳及殘壓高等。通過對存在主要問題的整改并于2011年底改造完成，雖然觀測場的避雷針每年都受幾次雷擊，但觀測場內(nèi)自動化設(shè)備和人員沒有出現(xiàn)受害，防雷保護(hù)措施取得顯著效果。

2　觀測場防雷技術(shù)規(guī)范防雷保護(hù)措施需要改進(jìn)

2．1風(fēng)桿接閃后的危害

地面氣象觀測規(guī)范中規(guī)定觀測場面積為25 000 mm×25 000 mm，接地網(wǎng)沿著電纜溝（排水溝）布設(shè)，《自動氣象站場室防雷技術(shù)規(guī)范》（QX30 -2004）和《地面氣象觀測場（室）防雷技術(shù)規(guī)范》（GBT 31162 -2014）允許風(fēng)桿作為接閃器并與觀測場接地網(wǎng)共用地。風(fēng)桿接閃后的電位差公式為：

UR= UR+ UL= I·Ri+ L0·di/ dt［1］

其中I為雷電流幅值（kA）；Ri接地電阻（Ω）；L0為引下線單位長度電感（H/ m）；di/ dt為雷電流陡度（kA/μs）。由于一方面接地網(wǎng)格間距大，分流和均壓效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于建筑物的鋼筋地網(wǎng)，另一方面雷電脈沖頻普多樣性，會在環(huán)路地網(wǎng)產(chǎn)生其開路最大感應(yīng)電壓［1］。風(fēng)桿電位差產(chǎn)生的電動勢瞬間引起接地網(wǎng)地電位急升并疊加上電感電壓，這樣會很容易傳導(dǎo)至設(shè)備的接地線造成反擊而損害設(shè)備［2］（圖1），這也是防雷與設(shè)備共用地在格柵大的人工接地體或小面積建筑物鋼筋接地體的弊病，因此，風(fēng)桿可作為接閃器的防雷保護(hù)措施是較為危險(xiǎn)的。

圖1 地電位升高示意圖

以蘿崗觀測場雷電活動情況作進(jìn)一步分析：蘿崗觀測場位于丘陵地區(qū)的一個小山坡上，利用廣東省閃電定位系統(tǒng)對觀測場位置進(jìn)行定點(diǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，2011年觀測場周邊半徑1 000 m范圍內(nèi)合計(jì)發(fā)生云地閃83個，主要集中在4 -10月，尤其以5—8月為盛［3］，其中6月半徑1 000 m范圍內(nèi)錄得32次云地閃，雷電強(qiáng)度極值出現(xiàn)在7月10日，雷電流強(qiáng)度達(dá)到75．8 kA。2011年7月16日18：00—20：00觀測場雷電流強(qiáng)度為- 5．3 kA（圖2）。以雷電流I = -5．3 kA代入電位差公式得出當(dāng)時地網(wǎng)瞬間的高電位U = UR+ U∝/ max≥5 300 RiV（Ri＞0），高電位通過接地線足以擊穿或燒毀觀測場設(shè)備的電路，事實(shí)也證明這一點(diǎn)。2．2 防雷接地體與設(shè)備接地裝置共地的問題

圖2 2011年7月16日蘿崗區(qū)云地閃分布

防雷接地體與設(shè)備接地裝置共地是保障2個接地體之間不產(chǎn)生電位差，防止反擊現(xiàn)象的發(fā)生，簡單用導(dǎo)體連接就完成了共地，這是片面理解共地技術(shù)應(yīng)用的含義。觀測場地網(wǎng)是沿排水溝（電纜溝）進(jìn)行敷設(shè)，地網(wǎng)網(wǎng)格尺寸大且面積小，因此地網(wǎng)的分流和均壓效果不明顯，雷電流容易在地網(wǎng)形成瞬間高電位，當(dāng)觀測場接地體有雷電流進(jìn)入，共地技術(shù)雖然消除了防雷地與設(shè)備地之間的電位差，但此時設(shè)備或電源接地線所連接的電子集成模塊的電子電路瞬間的電位差無法消除，由于集成模塊電子電路的間隙非常小，接地線瞬間的高電位很容易擊穿電子電路間隙而損壞設(shè)備。同樣道理，觀測場的電子監(jiān)控設(shè)備也受損壞。

自動觀測場是置于露天的一個集許多電子設(shè)備于一體的探測場所，在防御雷電損害方面表現(xiàn)出很強(qiáng)的暴露性和脆弱性弱點(diǎn)，防雷保護(hù)措施必須可靠、科學(xué)、安全，這樣才能保證探測設(shè)備正常采集氣象數(shù)據(jù)，任何一點(diǎn)漏洞都可能是雷擊隱患，故建議氣象觀測場無論是位于雷暴活動強(qiáng)烈地區(qū)還是一般地區(qū)，都不應(yīng)當(dāng)采用防雷與設(shè)備共地技術(shù)，而是要使防雷接地體與觀測場設(shè)備接地體安全分開，甚至兩地之間要采用屏蔽隔離措施。例如蘿崗觀測場特種氣象觀測設(shè)備接地體與避雷針相距3 m左右，原來設(shè)計(jì)是共用接地體，經(jīng)過多次雷擊事故后，采取了設(shè)備接地體與防雷接地體斷開措施［4］，并且在2個接地體之間采取隔離和屏蔽措施（圖3），效果好。圖3具體處理方法示意圖：避雷針距設(shè)備地網(wǎng)為3 m，為實(shí)現(xiàn)有效地隔離和屏蔽地電位反擊，在避雷針西北側(cè)50 cm處敷設(shè)長度為8 600 mm、高度為600 mm、寬度為150 mm的瀝青隔離層（含長度為8 600 mm、高度為600 mm、厚度1 mm屏蔽鋼板的電磁屏蔽層）。同時更換風(fēng)廓線雷達(dá)周邊35 m鍍鋅鋼管，進(jìn)行電源、信號線屏蔽處理。

圖3 防雷接地體屏蔽示意圖

2．3觀測場不設(shè)單獨(dú)避雷針的危害

《自動氣象站場室防雷技術(shù)規(guī)范》中對觀測場進(jìn)行分級防雷保護(hù)，允許風(fēng)桿作為接閃器來作防雷保護(hù)，在風(fēng)桿防雷覆蓋范圍內(nèi)可不設(shè)單獨(dú)避雷針進(jìn)行保護(hù)，這一條款的弊端上述已經(jīng)進(jìn)行了介紹，在觀測場防雷等級劃分方面，直接雷防護(hù)不適宜分級，并且風(fēng)桿也不適宜直接作為接閃器，觀測場不論屬于哪個級別，都應(yīng)當(dāng)設(shè)置單獨(dú)避雷針進(jìn)行保護(hù)，而且避雷針與觀測場應(yīng)該分設(shè)接地網(wǎng)，兩者在地中需有足夠的安全距離S≥0．4Ri（Ri為防雷接地網(wǎng)沖擊接地電阻），且不得＜3 m，有條件最好達(dá)到15～20 m安全距離。

雷電對丘陵地區(qū)，特別是空曠地區(qū)的氣象探測設(shè)備的損害途徑是多方面的。本研究主要對地處丘陵地帶的自動氣象站場遭受雷擊損害可能的侵入途徑作了初步的分析，同時對自動氣象站場的防雷保護(hù)技術(shù)進(jìn)行了相應(yīng)的介紹，提出現(xiàn)行自動化觀測場防雷標(biāo)準(zhǔn)中亟需改進(jìn)措施。需要說明的是，防雷保護(hù)是一個比較復(fù)雜的問題，自動觀測場是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)應(yīng)用的電子場所，《自動氣象站場室防雷技術(shù)規(guī)范》是一個最基本的防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，也不是一成不變，應(yīng)該根據(jù)自動觀測場出現(xiàn)的雷擊事故，認(rèn)真分析，科學(xué)糾正標(biāo)準(zhǔn)中的錯誤措施，使自動觀測場在安全下運(yùn)作。

參考文獻(xiàn)：

［1］國家機(jī)械工業(yè)局設(shè)計(jì)研究院．建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50057 - 2010）［S］．北京：中國建設(shè)出版社，2010．

［2］劉興順，陳勇，肖冰，等．建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)設(shè)計(jì)手冊［M］．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2004．

［3］劉三梅，賀燦花，許銳文，等．廣東省1888—2013年雷電活動特征的分析［J］．廣東氣象，2014，36（6）：35 -36．

［4］仇健，梁偉宜，陳惜茂，等．自動氣象站連續(xù)遭雷擊的原因分析及解決辦法［J］．廣東氣象，2015，37（2）：72 -73．

中圖分類號：P48

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

doi：10．3868/ j．issn．1007 -6180．2016．03．015

收稿日期：2015 -07 -28

作者簡介：林奕峰（1868年生），男，學(xué)士，工程師，主要從事防雷減災(zāi)工作。E - mail：qxlinyifeng＠126．com