费县自动气象站场室防雷设计和分析

摘要：本文依據建筑物防雷设计规范和自动站防雷技术规范，对费县气象局自动站观测场及工作室的防雷设计施工等进行了分析，提出了自动站防雷的具体措施，对做好自动站防雷工作具有一定的指导意义。

关键词：自动气象站 工作室防雷设计

中图分类号：TU856 文献标识码： A

引言

随着气象现代化建设的快速发展，我省已有120多个自动气象站投入业务运行，自动站运行期间（尤其汛期），做好自动站仪器的防雷工作非常必要。由于自动站设备大都采用半导体和集成电路，具有绝缘强度低、耐过电压和电流能力差、对电磁干扰敏感等弱点，近年来自动站采集器和主机遭雷击的事故时常发生，一方面造成观测数据缺测和迟传，另一方面致使自动站设备损坏，经济损失严重。为确保自动站系统安全稳定的运行，本文结合实际对自动站观测场及机房的防雷进行了设计分析，总结了自动站的雷电防护措施，供各地台站参考。

1、雷电概况

费县位于沂蒙山区的蒙山山脉的南侧，属于鲁东南低山丘陵区，全县地势海拔高程90-1000米，是全省雷暴活动和雷击灾害较频繁的地区，除与冷空气活动路径有关外，还与特定的地形有关，费县北部山高，偏南气流绕山时构成气旋性涡度流场，北部山区也利于气流的被迫抬升，因此费县北部山区成为强对流天气出现次数较多的地区，造成雷电活动也较为频繁。由此看来，地形对雷电活动也有着较为明显的影响，费县的年平均雷暴日数为30天，年雷暴日数最多为44天，出现在1974年，年雷暴日数最少为20天，出现在1989年，雷暴出现时间一般集中在6—8份，占全年的80%。

2、观测场及工作室的概况

费县气象局位于县城郊区岭顶，由于气象行业的特殊性及《气象探测环境保护办法》的规定，周围没有高大建筑物。院内有一个观测场、一座办公楼、一座宿舍楼；观测场为高于地面1米、直径25米的正方形建筑，内有10米风塔、采集器、传感器、供电系统、通信系统；办公楼为长30米、宽15米、高12米的三层建筑，楼顶有一高2米的卫星接收天线，自动气象站的工作室就位于办公楼的一楼，工作室内有自动气象站终端、卫星接收系统、机房及办公自动化等设备，办公楼的电源采用TN-S系统。

4、防雷类别及防雷设计

4.1办公楼的防雷类别

依据GB50057-94《建筑物防雷设计规范》，建筑物年预计雷击次数按下式计算：Ｎ =ＫＮgＡe

式中Ｎ——建筑物预计雷击次数（次/a）；

Ｋ——雷击次数校正系数（在此类型情况下取2）；

Ｎg——建筑物所处地区雷击大地的年平均密度[次/（Km2·a）]；

Ａe——与建筑物截收相同雷击次数的等效面积（Km2）；

雷击大地的年平均密度应按下式确定：

Ng=0.024Td1.3

Td——该地区的年平均累计日数；

当建筑物的高H小于100米时，其每边的扩大宽度和等效面积应按下列公式计算确定：

D=

Ａe=[LW+2（L+W）·+H（200-H）] ·10-6

式中D——建筑物每边的扩大宽度（m）

L、W、H——分别为建筑物的长、宽、高（m）

根据以上年预计雷击次数参数，气象局办公楼年预计雷击次数为：

Ｎ =ＫＮgＡe≈0.05次/a。

根据以上计算，参照GB50057-2010《建筑物防雷设计规划》第3.0.4条的要求，其属于标准规定三类防雷建筑物。

4.2办公楼的直击雷防护设计

依据GB50057-94《建筑物防雷设计规范》的要求，沿女儿墙设避雷带（通常为20 m×20 m或24 m×16 m），由于办公楼的宽度为15 m（﹤20 m），所以可仅沿周边设一圈避雷带。利用立柱内两条对角主筋作为引下线，但引下线的平均间距不应大于25 m；利用地梁与承台作为水平接地体。由于楼顶有一高2 m的卫星接收天线，所以需设一避雷针来保护卫星天线：由于办公楼为三类防雷建筑,所以滚球半径R=60m；避雷针距卫星天线3 m。（如图一）

图一 楼顶避雷针示意图

根据单支避雷针保护半径公式：

Rx=-

h≈3

避雷针的高度为3m

4.3办公楼的内部雷电防护设计

4.3.1办公楼及工作室的雷电防护区划分（见图二）

图二 办公楼及工作室的雷电防护区划分

将办公楼需要保护的空间划分为不同的雷电防护区（LPZ），以确定各LPZ空间的雷击电磁脉冲的强度，并明确各雷电防护区界面等电位连接的位置，以便采取相应的防护措施。所有进入办公楼的外来导电物体均在LPZ0B区与LPZ1区的交汇处做等电位连接

办公楼内各接地采用共用接地系统，在各雷电防护区设等电位连接母排，穿越防雷区界面的所有导电物、电力线、通信线、管道等均在界面处做等电位连接。

4.3.2电源电涌保护器（ＳＰＤ）的安装

GB50057-94《建筑物防雷设计规范》第六章6.4.7条规定指出：在LPZ0A或LPZ0B区与LPZ1区交界处，从室外引来的线路上安装SPD当线路有屏蔽时，每个SPD的雷电流按雷电流的幅值的30%考虑，本办公楼为三类防雷建筑物，电涌保护器（ＳＰＤ）应按总电流100KA来考虑选择，按照其建议的雷电流分配方式其中50%是通过接地系统（水管、铠装电缆外皮或导线的金属保护管等）直接入地；另外50%通过安装在相线和中性线上的电涌保护器入地。

依据以上标准每相上的雷电流约为：

当线路有屏蔽时，Iimp=[100KA×50%×30%]÷4=3.75KA

对于本系统电源线路的特点，按照GB50057-94《建筑物防雷设计规范》第六章、第四节第6.４.７条要求每相线标称放电电流不宜小于15KA的要求,第一级电涌保护器（ＳＰＤ）的每相标称放电电流应大于15KA(10/350us)，所以在办公楼的主配电箱内安装ATTX40型SPD一套，其SPD连接相线铜导线截面积为16mm2，接地连接铜导线截面积为25mm2。

第二级电涌保护器（ＳＰＤ）的每相标称放电电流应大于20KA（8/20 us），所以在办公楼各分配电箱内安装ATTX20型SPD一套，其连接相线铜导线截面积为10mm2，接地连接铜导线截面积为16mm2。

SPD安装应当注意的事项：各级电涌保护器（ＳＰＤ）连接导线应平直，其长度不能超过0.5米。

4.3.3自动站工作室的雷电防护

自动气象站的主机、传输系统及服务器都在工作室内，所以工作室的防雷工作就是重中之重，按照GB50057—94《建筑物防雷设计规范》、IEC61312《雷电电磁脉冲的防护》的要求，在各电源开关处使用插座式电源防雷器，作为电源的第三级防护。进入工作室的所有线缆都使用屏蔽线缆，线缆的屏蔽层与进入工作室的管道在入口处进行等电位连接。

沿工作室的四周铺设等电位连接带，等电位连接带与办公楼作为引下线的柱筋进行电气连接，工作室内各设备及防静电地板的接地采用M型等电位连接网络，并通过多点连接组合到共用接地系统中去，形成Mm型等电位连接。（图三）

圖三Mm型等电位连接

4.3.4工作室内的信号雷电防护

依据GB50174—93《电子计算机机房设计规范》、GB2887—89《计算机场地安全要求》中信号系统雷击过电压防护要求，自动气象站工作室调制解调器前端应加装接口型式为RJ11的信号SPD；在计算机前端的网络数据线上安装接口型式为RS232或RJ45的信号SPD，信号SPD的最大持续工作电压应大于1.5Uc，在电话通讯系统进线段安装电话线路电涌保护器；用于各设备网卡及电话通信线路的防雷保护。

4.4自动站观测场的雷电防护

4.4.1观测场的直击雷防护

观测场风杆高10m，风杆采用金属管作为支撑体，在距风杆顶端200mm～300mm处设一避雷针，避雷针通过绝缘杆固定于风杆上；避雷针为直径16mm的圆钢，其长度为1.5m；避雷针在地面上的保护半径为： 35.3m；风杆南面并排三个百叶箱。避雷针距最远百叶箱9m，避雷针在百叶箱1.9 m高度上的保护半径为20.3m；其它设备也都在避雷针的保护范围之内，这样自动气象站观测场内的所有观测设备均处于LPZ0B区内，避雷针引下线沿风杆上端拉线入地，该拉线为绝缘等级35kV（1.2/50μs）的拉线，引下线采用截面积于50mm2多股铜芯线。观测场内金属围栏，百叶箱支架、雨量器、遥测雨量计、虹吸雨量计、小型蒸发皿、自动气象站信号转接盒等金属外壳就近与观测场的地网进行电气连接。由观测场至工作室的数据传输线外屏蔽层及金属管在观测场地网边缘处与附近观测场地网进行电气连接。

4.4.2观测场的地网设计

自动气象站观测场为环形闭合接地，距地面70cm设人工水平接地体；沿水平接地体均匀砸入长度为250cm人工垂直接地体，垂直接地体的间的距离为5m，观测场围栏根部用角钢与接地体进行电气连接。

由于观测场与办公楼的距离为60 m，所以两地网间用扁钢进行了等电位连接，并且连接带每距5 m砸一地桩。（图四）

5、防雷装置的维护

自动气象站场室的防雷装置由专人负责维护管理；防雷装置的设计、安装、配线等图纸资料都归档保存；每年雷雨季节前应对自动气象站场室的防雷装置进行检测，并检查外部防雷装置的电气连续性及腐蚀情况，发现问题及时整改。

结束语

气象工作和人们的生活是密不可分的，在经济迅速发展的当今社会，气象信息的重要性越来越受到人们的关注，自动气象站的投入运行，使台站的气象现代化建设迈上了一个新台阶，提高了地面气象观测质量，我们要更好的维护自动站的正常运行，避免事故的发生，以及时的提供准确的天气预报和气象信息，更好的为人民群众服务，更好的为地方经济发展保驾护航。

参考文献：

GB50057-94《建筑物防雷设计规范》.北京 中国计划出版社

GB50343—2004《建筑物电子信息系统防雷技术规范》.北京中国建筑工业出版社

QX 4—2000 气象台（站）防雷技术规范

作者简介：丁来晓(1973-) 男 山东莒县人,工程师,主要从事地面气象测报工作。