某自动气象站雷击事故调查分析

2012-09-29杨济波

中低纬山地气象 2012年6期

杨济波

(贵州省黔南自治州气象局，贵州都匀 558000)

1 引言

某自动气象站位于 107°32'E、26°19'N，海拔969.1 m的某市北郊，属国家基本站，于2007年1月1日投入使用(市区老站始建于1957年1月1日)。因自动站所处地势相对于周边来说比较高，而且金属设备较多，所以该站为雷电经常光顾的场所。近几年来，该站多次遭受雷击，造成该站观测中断事故经常发生。今年5月和7月，该站又先后两次遭受雷击，损失严重。7月份的雷击事故发生后，笔者接受邀请，到现场进行了仔细的调查，调查中发现该站的防雷系统在很多方面存在弊端，现指出来并提出整改意见，供整改参考。

2 雷击情况

该站自投入使用的第3年开始至今，几乎每年都有1～2次的雷击事故发生，而且，每次雷击事故发生时，受损坏的部分要么是“采集器+值班室计算机信号传输接口”，要么是“采集器+传感器+值班室计算机信号传输接口”，没有看到自动站内的金属设备外壳遭受雷击的情况发生，亦没有看到由于电源线路的安全问题而造成雷击事故的现象发生。

初步判断:雷击事故的发生，是因为雷电来袭时，由于某种原因产生的高电位冲击某个或多个数据采集设备使其损坏;或是因为雷电来袭时，由于某种原因感应出的强雷电流首先侵入某个数据采集设备使其损坏，并通过数据传输线传输，造成其它数据采集设备连环损坏。

那么，为什么会产生高电位冲击的现象?抑或雷电流又是怎么感应出来并冲击采集设备的呢?

3 防雷系统基本情况

3.1 直击雷防护

该站在观测场北面距自动接风杆7 m处，安装有27 m高的钢架塔式独立避雷针进行接闪，并利用针体作引下线，对整个观测场内的设备进行防直击雷保护。

值班室位于观测场东面，距观测场约100 m的某雷达站塔楼3楼内。雷达站塔楼楼顶安装有3支等高避雷针，并用塔楼柱筋作引下线，塔楼及塔楼内的所有设备均处在有效的直击雷保护范围内。

3.2 电源防护

3.2.1 自动气象站与雷达站共用同一电源系统。供电电源为TN－S制，电源线在入户前穿钢管埋地80多米，入户后电缆外皮及钢管均与地网可靠连接。

3.2.2 在塔楼电源入户处安装响应时间 ≤25 ns，残压≤3.0 kV，标称放电电流≥60 kA的三相电源避雷器作1级防护。

3.2.3 在中心机房配电柜内安装响应时间≤25 ns，残压≤2.3 kV，标称放电电流≥40 kA的三相电源避雷器作2级防护。

3.2.4 在值班室UPS电源输入端安装响应时间≤25 ns，残压≤1.5 kV，标称放电电流≥20 kA的单相电源避雷器作3级防护。

3.2.5 值班室机房设备共用响应时间≤25 ns，残压≤1.2 kV，标称放电电流≥5 kA的防雷插座。

3.3 信号防护

该站在采集器输出端安装信号电涌保护器，在值班室计算机信号传输接口安装信号电涌保护器。(经检测，这两个信号电涌保护器已坏。)

3.4 地网工程

自动气象站防雷地网由3个独立地网合并而成，一个是观测场内地网，一个是独立避雷针地网，另一个是雷达站塔楼地网，整个地网接地电阻3.4 Ω。另外，在观测场南面距观测场地网3m左右处还有一个高压线路避雷线地网，但该地网未与自动站防雷地网相连接，如图1所示，而且与避雷线搭接的电杆拉线安装在观测场内，接地电阻15Ω。

图1 防雷地网布局

3.5 等电位连接

观测场内除两根风杆外其它设备外壳均与地网作有效连接，两根风杆未与地网作有效连接，值班室地板下因未安装接地汇流环(排)，所以所有设备均未作有效的等电位连接。

3.6 线路敷设及屏蔽

观测场内信号线及电源线分别沿地沟单独穿钢管屏蔽敷设，钢管首尾有效跨接，且分别与就近地网有效焊接;信号线及电源线从观测场分别单独穿钢管屏蔽敷设延伸至雷达站塔楼外侧，钢管首尾有效跨接，且首端与观测场地网有效焊接，尾端与塔楼地网有效焊接，从塔楼外侧到3楼值班室的信号及电源线用PVC管套装敷设，PVC管距塔楼1、2楼外墙柱筋约0.7 m;信号线屏蔽层中途折断，在值班室端测量屏蔽层接地电阻为无穷大。

4 雷击原因分析及整改意见

通过对该站防雷系统的调查，不难发现该站雷电防护主要在以下3个方面存在隐患，使其经常遭受雷害。

①没有完全采用共用接地系统，这是造成雷击损害的主要原因之一。该自动站观测场南面的高压线路避雷线地网与自动站防雷地网之间没有隔开安全的距离，且又未作有效连接，当雷电来袭使高压线防雷线遭受雷击时，雷电流将沿引下线和接地体入地，在此过程中，雷电流在高压线防雷系统中产生的暂态高电压，将首先向没有接受雷击的观测场地网产生反击，使得电源PE线及信号系统逻辑接地线与观测场地网相连的数据采集设备发生放电击穿，导致设备严重损坏。所以，两个防雷地网需作有效连接形成统一地网，以降低地网之间的电位差，防止地电位反击损坏设备。同时，共用接地系统接地电阻未达到≤2Ω的要求，会造成发生雷击时雷电流在接地极上产生的瞬间高电位对设备造成冲击，损坏设备。因该站所处环境土壤电阻率较高(沙土)，并且观测场四周无延伸重复接地的条件，所以可采用浇灌降阻剂或换土法对地网进行改造，使地网接地电阻达到标准。

②观测场内风杆未与地网可靠连接，这是造成雷击损害的另一个主要原因。风杆地脚支撑板与接地线之间靠一根螺杆相互搭接，而风杆地脚支撑板与螺杆之间是活动套接的，所以风杆没有可靠接地。当独立避雷针遭受雷击而产生的强大雷电流沿针杆下泄入地的瞬间，会在其周围产生较大的交变电磁场，自然会在其旁边的风杆上产生较强的交变电流，因为风杆没有可靠接地，所以电流将冲击安装在风杆上面的风传感器，同时，雷电流会通过数据信号线继续冲击采集器及与之相连的计算机，产生二次雷击损害(图2)。

图2 风杆雷击风险示意图

③信号电涌保护器没有起到应有的保护作用，这是造成采集器或值班室计算机信号传输接口遭受冲击损坏的另一个主要原因。该处电涌保护器的作用是把窜入信号传输线的瞬时过电压限制在采集器或计算机信号传输接口所能承受的电压范围内，或将强大的雷电流泄流入地，保护采集器或计算机信号传输接口等设备不受冲击而损坏。所以，应该重新选择安装性能良好的信号电涌保护器，并在每年雷雨季节前及每次雷雨过后对其进行检测，让其随时保持良好的工作状态，保护好信号传输线两端的设备，免遭冲击损坏。

5 其它隐患及整改意见

①从塔楼外侧到3楼值班室的信号线及电源线的安装不合理，应该分别用钢管或金属线槽屏蔽敷设安装，且下端分别与塔楼地网及从观测场延伸安装过来的钢管作有效焊接，中部与塔楼的2楼川梁作有效焊接，顶端与3楼待安装的汇流排作有效连接，一方面使信号线和电源线得到很好的屏蔽保护，避免因雷击塔楼楼顶避雷针产生的泄流流经旁边的柱筋时产生的雷电电磁脉冲干扰带来的设备损害，另一方面使观测场内设备与值班室内设备处在同一个电位水平上，避免因电位差带来的设备损害。

②信号线屏蔽层中途折断，会使信号得不到较好的屏蔽保护，同时会使与信号线首尾两端相连接的设备间存在电位差，存在高电位冲击设备的可能，所以必须更换信号线。

③值班室内所有设备未作等电位连接，存在设备间高电位冲击的隐患。应在值班室地板下沿墙角四周安装一个闭合汇流环，汇流环与墙体四周的柱筋作有效焊接，应尽量做到四周多处焊接，并且在汇流环上多处焊上接线端子，然后用不＜10 mm2的多股铜芯线把室内所有设备的外壳、地板支架、设备所有外部接口、与设备较近的其它导电物体等就近与接线端子连接，使值班室内的所有设备及其它导电物体均处在一个相同的电位水平上，防止设备间因瞬间高电位冲击造成的损害。