梁興文，陳景榮，關(guān)漫軍

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

地面氣象觀測場（簡稱觀測場）的雷電防護(hù)一直作為觀測場安全保障的重要組成部分。作為觀測場綜合防雷系統(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)層面問題外，這可能與廣東省自動(dòng)氣象站觀測場雷電環(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］。針對觀測場直擊雷的防護(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)觀測場內(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)的中國氣象局雷電野外科學(xué)試驗(yàn)基地人工引雷試驗(yàn)場所開展的地電位抬升沖擊SPD試驗(yàn)；顏旭等［8］在同一場地上基于人工觸發(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)上川島氣象站觀測場的特殊條件，介紹其雷電災(zāi)害具體防御對策，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 觀測場及其原防雷情況

該地面氣象觀測場位于廣東省上川島，屬于國家基準(zhǔn)氣象站，南北長35.0 m，東西寬25.0 m。觀測場通過四周的擋土墻構(gòu)筑平臺(tái)而成，觀測場平臺(tái)外四周地勢較陡（圖1）。

圖1 改造前的觀測場

觀測場防雷情況：觀測場的直擊雷防護(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)場測試其工頻接地電阻為8.0Ω；觀測場的感應(yīng)雷防護(hù)措施：觀測場線纜溝槽內(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)備金屬外殼均通過接地銅纜與接地端子連接接地；觀測值班室供觀測場的總配電箱及觀測場配電箱、采集器機(jī)箱供電開關(guān)處均設(shè)置有相應(yīng)的SPD，供至觀測場總配電箱的供電電纜為套金屬管埋地敷設(shè)；觀測場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場分別進(jìn)行接地；各氣象要素傳感器與采集器之間屏蔽信號電纜通過金屬弱電線槽敷設(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)和觀測場設(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，觀測場直擊雷防護(hù)按第二類防雷進(jìn)行設(shè)計(jì)［11］。

圖2 觀測場接閃塔布置及保護(hù)示意圖

由于觀測場地形和現(xiàn)場條件的限制，觀測場外沒有合適的位置設(shè)置接閃塔，若將接閃塔設(shè)置在觀測場平臺(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，采取了在觀測場平臺(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18 m接閃塔、設(shè)置在東面的2號13 m接閃塔和設(shè)置在正南面的3號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，觀測場的直擊雷保護(hù)需要對場地內(nèi)的所有觀測設(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)觀測場。通過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，觀測場分別設(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］；在觀測場南面擴(kuò)充處增加設(shè)備附加地網(wǎng)，并與觀測場內(nèi)原有接地網(wǎng)連接；1號接閃塔接地網(wǎng)設(shè)置在觀測場西面和北面山坡空地處，與觀測場圍欄水平距離為5 m，直線距離大約5.7 m，2號接閃塔接地網(wǎng)設(shè)置在觀測場東面的陡坡處，與擋土墻水平距離為3 m，直線距離約4.2 m，與觀測場圍欄水平距離為5 m。3號接閃塔接地網(wǎng)和1號接閃塔共用一個(gè)地網(wǎng)。

圖3 觀測場地網(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)置在觀測場平臺(tái)內(nèi)接閃塔接閃時(shí)雷電流不通過塔身在觀測場內(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)的地電位抬升對觀測場設(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，對觀測設(shè)備的供電線路重新設(shè)置多級適配的SPD進(jìn)行保護(hù)，分別在觀測場總配電箱裝設(shè)二級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、能見度儀、云觀測設(shè)備、閃電定位儀、自動(dòng)日照計(jì)處設(shè)置三級SPD保護(hù)，其中In＝20 kA，Up≤1.5 kV［15］，如圖4所示。在各觀測設(shè)備信號端口防護(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］，由于在以上信號端口安裝信號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 觀測場供電線路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)場勘察和設(shè)計(jì)，同年12月份改造施工完畢，改造后的觀測場如圖5所示。經(jīng)過7年多的雷雨季節(jié)運(yùn)行，實(shí)踐證明改造后的觀測場防雷效果顯著。

圖5 改造后的觀測場

本研究根據(jù)上川島氣象站觀測場所處環(huán)境、地形、地貌等的具體情況，綜合考慮接閃塔與觀測場的距離、接閃塔所需的高度和數(shù)量，以及工程改造費(fèi)用等因素，采取了在觀測場平臺(tái)內(nèi)設(shè)置接閃塔并采用接閃器與塔身絕緣的方法，通過獨(dú)立引下線將接閃器與觀測場平臺(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)地電位抬升對設(shè)備接地反擊的影響。同時(shí)具體分析所有的觀測設(shè)備供電及信號傳輸?shù)木唧w形式，有針對性地配置適配的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)的方法及觀測設(shè)備雷電防護(hù)措施，對于類似條件的觀測場雷電災(zāi)害防御具有一定的參考價(jià)值。