自动化观测场防雷标准中亟需改进的防雷措施

林奕峰，陈潇

（广州市黄埔区气象局，广东广州 510730）



自动化观测场防雷标准中亟需改进的防雷措施

林奕峰，陈潇

（广州市黄埔区气象局，广东广州 510730）

摘 要：通过对比《自动气象站场室防雷技术规范》（QX30 -2004）和《地面气象观测场（室）防雷技术规范》（GBT 31162 -2014）等与萝岗气象观测场整改后现有防雷保护措施，采用分析计算技术手段进行分析，指出《自动气象站场室防雷技术规范》（QX30 -2004）中“风杆可作避雷针的条款”、“观测场可不设单独避雷针进行保护的条款”、“防雷与设备共用地条款”存在的防雷隐患及风险，提出了加强观测场防雷保护的措施。

关键词：雷电防御；自动化观测场；综合防雷

林奕峰，陈潇．自动化观测场防雷标准中亟需改进的防雷措施［J］．广东气象，2016，38（3）：58 -61．

目前广东省气象部门实现了基本气象要素自动采集和传输，一批自动化观测装备和现代光纤、电缆应用于观测场。根据地面气象观测规范的要求，观测场周围的建筑物或构筑物的高度有严格限制，观测场的暴露性明显，其受雷击概率增加；另一方面自动化观测设备抗雷电干扰能力差，表现在采集器工作电压低，其直流工作电压在12 V左右，集成电路容易被雷电击穿，脆弱性显著。由于观测场的暴露性和观测设备抗雷电干扰的脆弱性，亟需提高观测场的防雷保护措施，确保自动化观测设备正常采集气象要素数据。对一些观测场已依照《自动气象站场室防雷技术规范》（QX30 - 2004）和《地面气象观测场（室）防雷技术规范》（GBT 31162 -2014）等进行防雷，但在实际中又经常遭受雷击而损坏观测设备的现象，可以检查是否有风杆作为接闪器、是否单设避雷针、是否防雷与设备共用接地等情况，并改进防雷措施，避免或减少雷电活动对观测场造成损害。

1　萝岗观测场现状

萝岗观测场是国家基本站和一级辐射观测站，迁建后于2010年1月1日开始正式观测，代表广州市进行全球气象数据交换，2013年初被确定为全国8个气象观测自动化改革试点站之一，2013年8月开始实现了包括云、能、天在内的气象要素观测自动化。2011年7月份遭受严重雷击，观测场所有电气电子装置受损，自动采集停止，启动了人工观测应急。在损坏点排查和修复过程中，出现雷击损坏点多、修理复杂且耗时长等现象，严重影响测报质量。观测场雷击后进行了现场勘查和事故分析，用现行气象观测场防雷技术规范进行了比对，发现与雷击关联的防雷保护措施仍有待改进，存在的主要问题是：避雷针接地体与电气接地体多处相接，即共用；风杆作为接闪器；避雷针保护范围不能覆盖观测场；避雷针接地体与电气接地体安全距离不符合技术标准要求；浪涌保护器级间能量配合不佳及残压高等。通过对存在主要问题的整改并于2011年底改造完成，虽然观测场的避雷针每年都受几次雷击，但观测场内自动化设备和人员没有出现受害，防雷保护措施取得显著效果。

2　观测场防雷技术规范防雷保护措施需要改进

2．1风杆接闪后的危害

地面气象观测规范中规定观测场面积为25 000 mm×25 000 mm，接地网沿着电缆沟（排水沟）布设，《自动气象站场室防雷技术规范》（QX30 -2004）和《地面气象观测场（室）防雷技术规范》（GBT 31162 -2014）允许风杆作为接闪器并与观测场接地网共用地。风杆接闪后的电位差公式为：

UR= UR+ UL= I·Ri+ L0·di/ dt［1］

其中I为雷电流幅值（kA）；Ri接地电阻（Ω）；L0为引下线单位长度电感（H/ m）；di/ dt为雷电流陡度（kA/μs）。由于一方面接地网格间距大，分流和均压效率远远小于建筑物的钢筋地网，另一方面雷电脉冲频普多样性，会在环路地网产生其开路最大感应电压［1］。风杆电位差产生的电动势瞬间引起接地网地电位急升并叠加上电感电压，这样会很容易传导至设备的接地线造成反击而损害设备［2］（图1），这也是防雷与设备共用地在格栅大的人工接地体或小面积建筑物钢筋接地体的弊病，因此，风杆可作为接闪器的防雷保护措施是较为危险的。

图1 地电位升高示意图

以萝岗观测场雷电活动情况作进一步分析：萝岗观测场位于丘陵地区的一个小山坡上，利用广东省闪电定位系统对观测场位置进行定点数据统计，2011年观测场周边半径1 000 m范围内合计发生云地闪83个，主要集中在4 -10月，尤其以5—8月为盛［3］，其中6月半径1 000 m范围内录得32次云地闪，雷电强度极值出现在7月10日，雷电流强度达到75．8 kA。2011年7月16日18：00—20：00观测场雷电流强度为- 5．3 kA（图2）。以雷电流I = -5．3 kA代入电位差公式得出当时地网瞬间的高电位U = UR+ U∝/ max≥5 300 RiV（Ri＞0），高电位通过接地线足以击穿或烧毁观测场设备的电路，事实也证明这一点。2．2 防雷接地体与设备接地装置共地的问题

图2 2011年7月16日萝岗区云地闪分布

防雷接地体与设备接地装置共地是保障2个接地体之间不产生电位差，防止反击现象的发生，简单用导体连接就完成了共地，这是片面理解共地技术应用的含义。观测场地网是沿排水沟（电缆沟）进行敷设，地网网格尺寸大且面积小，因此地网的分流和均压效果不明显，雷电流容易在地网形成瞬间高电位，当观测场接地体有雷电流进入，共地技术虽然消除了防雷地与设备地之间的电位差，但此时设备或电源接地线所连接的电子集成模块的电子电路瞬间的电位差无法消除，由于集成模块电子电路的间隙非常小，接地线瞬间的高电位很容易击穿电子电路间隙而损坏设备。同样道理，观测场的电子监控设备也受损坏。

自动观测场是置于露天的一个集许多电子设备于一体的探测场所，在防御雷电损害方面表现出很强的暴露性和脆弱性弱点，防雷保护措施必须可靠、科学、安全，这样才能保证探测设备正常采集气象数据，任何一点漏洞都可能是雷击隐患，故建议气象观测场无论是位于雷暴活动强烈地区还是一般地区，都不应当采用防雷与设备共地技术，而是要使防雷接地体与观测场设备接地体安全分开，甚至两地之间要采用屏蔽隔离措施。例如萝岗观测场特种气象观测设备接地体与避雷针相距3 m左右，原来设计是共用接地体，经过多次雷击事故后，采取了设备接地体与防雷接地体断开措施［4］，并且在2个接地体之间采取隔离和屏蔽措施（图3），效果好。图3具体处理方法示意图：避雷针距设备地网为3 m，为实现有效地隔离和屏蔽地电位反击，在避雷针西北侧50 cm处敷设长度为8 600 mm、高度为600 mm、宽度为150 mm的沥青隔离层（含长度为8 600 mm、高度为600 mm、厚度1 mm屏蔽钢板的电磁屏蔽层）。同时更换风廓线雷达周边35 m镀锌钢管，进行电源、信号线屏蔽处理。

图3 防雷接地体屏蔽示意图

2．3观测场不设单独避雷针的危害

《自动气象站场室防雷技术规范》中对观测场进行分级防雷保护，允许风杆作为接闪器来作防雷保护，在风杆防雷覆盖范围内可不设单独避雷针进行保护，这一条款的弊端上述已经进行了介绍，在观测场防雷等级划分方面，直接雷防护不适宜分级，并且风杆也不适宜直接作为接闪器，观测场不论属于哪个级别，都应当设置单独避雷针进行保护，而且避雷针与观测场应该分设接地网，两者在地中需有足够的安全距离S≥0．4Ri（Ri为防雷接地网冲击接地电阻），且不得＜3 m，有条件最好达到15～20 m安全距离。

雷电对丘陵地区，特别是空旷地区的气象探测设备的损害途径是多方面的。本研究主要对地处丘陵地带的自动气象站场遭受雷击损害可能的侵入途径作了初步的分析，同时对自动气象站场的防雷保护技术进行了相应的介绍，提出现行自动化观测场防雷标准中亟需改进措施。需要说明的是，防雷保护是一个比较复杂的问题，自动观测场是现代科学技术应用的电子场所，《自动气象站场室防雷技术规范》是一个最基本的防护标准，也不是一成不变，应该根据自动观测场出现的雷击事故，认真分析，科学纠正标准中的错误措施，使自动观测场在安全下运作。

参考文献：

［1］国家机械工业局设计研究院．建筑物防雷设计规范（GB50057 - 2010）［S］．北京：中国建设出版社，2010．

［2］刘兴顺，陈勇，肖冰，等．建筑物电子信息系统防雷技术设计手册［M］．北京：中国建筑工业出版社，2004．

［3］刘三梅，贺灿花，许锐文，等．广东省1888—2013年雷电活动特征的分析［J］．广东气象，2014，36（6）：35 -36．

［4］仇健，梁伟宜，陈惜茂，等．自动气象站连续遭雷击的原因分析及解决办法［J］．广东气象，2015，37（2）：72 -73．

中图分类号：P48

文献标识码：A

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

收稿日期：2015 -07 -28

作者简介：林奕峰（1868年生），男，学士，工程师，主要从事防雷减灾工作。E - mail：qxlinyifeng＠126．com