雷击电磁脉冲对气象台站业务平台的影响分析及对策

吴 晶

(贵州省习水县气象局，贵州 习水 564600)

1 引言

近年来，随着气象现代化的深入推进，以计算机及其网络设备为主要依托的集综合观测、监测预警、预报服务于一体的综合气象业务平台(简称业务平台)正在建设中。我省气象台站依据国家、行业制定的有关防雷设计规范开展防雷设计、安装，业务平台防御直接雷击和雷击电磁脉冲的措施进一步完善，但是业务平台防御雷击电磁脉冲措施主要集中在等电位连接和共用接地、线缆敷设等方面，而屏蔽措施重视不够。该文通过对气象台站附近发生雷击和直接遭受雷击时雷击电磁脉冲的影响分析，提出防御雷击电磁脉冲的屏蔽措施对策建议。

2 台站附近发生雷击时磁场强度的计算

贵州省气象台站建筑物一般为3～4 层，按照QX4－2000《气象台(站)防雷技术规范》，气象台站建筑物应为第二或第三类防雷建筑物，由于气象台站业务平台在防灾减灾中的重要性，为防雷安全考虑，可以提升为第二类防雷建筑。根据GB50057－2010《建筑物防雷设计规范》条文说明，雷闪电气－几何模型整理后为:I =(hr/10)1.54(hr—滚球半径，I—与hr相对应的得到保护的最小雷电流幅值)。若将气象台站业务平台用房作为第二类防雷建筑，则hr=45 m，I=10.1≈10 kA。即雷电流小于10 kA时，在距离气象台站业务用房小于等于45 m 处发生闪击时，将会击在建筑物上;闪电有可能穿过接闪器击于被保护物上，等于和大于10 kA 时，闪电将击于接闪器(直击雷击)。

根据GB50057－2010《建筑物防雷设计规范》，当发生雷击时，距离雷击通道Sa远处的某点的电磁场按下式计算:

H0:距离雷击通道Sa(m)远处的磁场强度(A/m)

I:雷电流强度(KA))

Sa:计算点与距离雷击通道的距离(m)

以台站附近50 m、100 m、200 m 处分别发生50 kA、100 kA、150 kA、200 kA 雷电闪击为例，根据(1)式计算雷击电磁脉冲结果如表1。由表1 可见，即使台站附近50 m 处发生250 kA 雷击，对应的H0均小于800 A/m。根据贵州雷电监测网监测资料，贵州最大正闪强度、最大负闪强度一般不超过250 kA，而大于200 kA 的百分率一般在1%以内。因此，可以认为，在不考虑台站附近雷击对进入业务平台管线的影响下，附近雷击产生的电磁脉冲不会对其业务平台电子设备造成影响。

表1 附近雷击电磁脉冲计算

3 雷电击中建筑物时内部磁场强度的计算

3.1 引下线雷电分流系数

当气象台站(一般为3～4 层)遭受直接雷击时，雷电流将经引下线分流入地，考虑引下线均与各楼层圈梁链接，则各楼层引下线的分流系数不同。以贵州两种典型气象台站业务用房(框架结构:引下线数12 根，间距6 m，层高3 m;砖混结构:引下线数6 根，间距12 m，层高3 m)为例，按照GB50057－2010《建筑物防雷设计规范》附录5 计算各楼层引下线的分流系数Kc如表2:

表2 两种典型的业务用房各楼层引下线的分流系数

3.2 内部无屏蔽条件下的磁场强度

以100 kA 雷电流击中台站业务用房为例，根据公式(1)计算两种典型的业务用房(框架结构、砖混结构)内距离引下线Sa远处的内部磁场强度如表3。

表3 100 KA 雷电流击中业务用房(框架结构、砖混结构)内部磁场强度

表3 计算结果表明:框架结构业务用房顶1 层距离引下线4 m 远处、顶2 层距离引下线2 m 远处、顶3 层距离引下线1 m 远处的内部磁场强度均大于800 A/m，电子设备只能安装在顶4 层距离引下线1 m 以外、顶4 层距离引下线2 m 以外、顶2 层距离引下线3 m 以外才安全;而砖混结构业务用房只有顶3 和顶4 层距离引下线4 m 远处的内部磁场强度才小于800 A/m，电子设备只能安装在顶3 和顶4 层距离引下线4 m 以外才安全。显然，无论框架结构、砖混结构的台站，可供电子设备安装的安全空间均不能满足业务的需要，并且，当雷电流超过100 kA时(注:根据贵州雷电监测网监测，贵州超过100 kA的地闪概率在1%以上。如普安县年平均雷暴日为72.8 d，100 kA 地闪强度概率1.66%，德江县年平均雷暴日为47.5 d，100 kA 地闪强度概率2.8%)，情况更不乐观。

3.3 采取屏蔽措施条件下，雷击磁场强度的衰减及室内设备安全距离

当台站业务用房采取屏蔽措施时，业务用房磁场强度从H0衰减为H1，其值按下式计算:

式中:SF—屏蔽系数(dB)，按表4 的公式计算。w─格栅形屏蔽的网格宽(m)。

电子设备的安全距离ds/1(m )按下列公式计算。

当SF ＜10 时 ds/1 = w

式中，安全距离ds/1(m )—LPZ 区内距屏蔽层的距离，室内大于该距离的空间为电子设备放置的安全空间。

表4 格栅型大空间屏蔽的屏蔽系数计算

如某台站业务平台用房采用铜或铝安装屏蔽措施，以分别安装1.0 m ×1.0 m、0.5 m ×0.5 m、0.2 m×0.2 m 屏蔽网格为例，根据表4 中SF(dB)=20·log(8.5/w)计算，屏蔽系数分别为18.6 dB、24.6 dB、32.5 dB，根据(3)式计算，业务平台用房安全距离分别为1.86 m、1.22 m、0.65 m，根据(2)式计算，安全空间内磁场强度分别为H0/8.5、H0/16.7、H0/44.7，即分别为原来的12%、6%、2%。表5 是使用铜或铝不同屏蔽网格w 条件下SF、H1/H0、ds/1 计算结果，由表5 可见:屏蔽网格越密，屏蔽效果越好，此时，表3 中的计算结果均将小于800 A/m，而无论框架结构、砖混结构的台站，电子设备安装的安全空间就得到了扩展。台站可以根据当地雷电流分布情况，结合业务用房的具体实际，适当选择屏蔽措施，以扩大电子设备安全空间。

表5 不同屏蔽条件下附近雷击电磁场衰减计算及设备安全距离

4 台站业务平台用房屏蔽措施

4.1 新建业务平台用房屏蔽措施

新建业务用房应在设计阶段考虑采用框架结构，所有结构柱钢筋均应作为引下线，并与圈梁的钢筋连接为一整体，有利于雷电流分流，减少雷电流流经引下线产生的内部磁场强度。同时应考虑在业务平台机房的顶部、底部及外墙内侧四壁及窗户安装至少0.5 m×0.5 m 的屏蔽网格，增大有效利用空间。

4.2 做好重要设备接地

电子设备的机箱(机壳)用金属板加工而成，除了防静电外，机箱本身就是一个很好的屏蔽体，要求机箱应可靠接地。实践中很多台站往往忽视这一规定，没有进行接地。另外，屏蔽体应有导电连续性，即整个屏蔽体必须是一个完整的、连续的导电体，要求屏蔽体尽可能少留开口、缝隙等。因此，自动站所有设备的机箱，必须保持完整，不得在上任意开孔、开槽，箱门必须保持关闭。

4.3 调整电子设备安装位置

对于已建的建筑物，由于难以实施屏蔽网格改造，可通过调整电子设备布局降低雷击电磁脉冲的影响。一是将设备尽可能放置在远离外墙的房间中部或者靠近内墙(图1);二是尽可能避免将重要电子设备安装在顶1 层、顶2 层。

5 结束语

①当气象台站附近50 m 以外发生强雷击时，在不考虑台站附近雷击对进入业务平台管线的影响下，附近雷击产生的电磁脉冲不会对其业务平台电子设备造成影响。

图1 设备放置安全距离内的情形

②台站业务平台用房外部防雷装置直接接闪雷电流时，较强的雷电流经引下线产生的电磁脉冲对业务用房的影响很大，框架结构业务平台用房电子设备可利用的安全空间很小，砖混结构业务平台用房电子设备几乎没有可利用的安全空间。更强的雷电流(如200 kA 以上)击中台站业务平台用房时，电磁脉冲对业务用房的影响将成倍增强，对此，台站应充分重视。

③通过对雷电直接击中气象台站业务用房时产生的电磁脉冲影响进行分析，采取必要的屏蔽措施对降低雷击电磁脉冲有很好的效果，台站可根据当地雷电流分布情况，结合业务用房的具体实际，适当选择屏蔽措施，扩大电子设备安全空间。

［1］GB50057－2010. 建筑物防雷设计规范［S］. 北京:计划出版社，2011.

［2］QX3－2000. 气象信息系统雷击电磁脉冲防护规范［S］.防雷规范标准汇编. 中国气象气象学会雷电防护委员会，2005，7.

［3］QX4－2000. 气象台(站)防雷技术规范［S］. 防雷规范标准汇编，中国气象气象学会雷电防护委员会，2005.7.