山地气象观测站雷电防护工程实践——以当涂国家气象观测站为例

奚立信，胡敬喜，陈 进，王 鹏，陈 裕

（1.含山县气象局，安徽 马鞍山 238100；2.马鞍山市气象局，安徽 马鞍山 243000）

当涂国家气象观测站建在孤立山顶，海拔高度60 m，如图 1 所示，位于北纬 31°33′07″（N）、东经 118°33′57″（E），2013-12竣工并投入试运行。该观测站原有一些防雷设施，但不够完善，2014-06—07间观测站发生2起雷击事故，造成部分气象数据缺测，严重影响观测站的正常运行。通过调查雷灾事故发生的时间、地点、损害特点、损害程度及地理、地质、土壤、气象、环境等[1]，结合当涂国家气象观测站的特点，提出了防雷整改方案，并施工，形成了较完备的防雷系统，通过3年多的运行，观测站未再发生雷击安全事故。

图1 气象观测站、场地形图

1 雷击事故调查分析

在发生的这2起雷击事故中，直击雷分别击在观测场的风向风速计接闪杆和观测站房顶接闪带上，由于雷电的高压反击和电磁感应过电压，使观测场能见度仪和观测站照明、电器设备遭到破坏。

2 防雷装置设计与施工

2.1 防雷类别的划分

观测站所在地的年平均雷暴日为31.4 d/a，根据《地面气象观测场（室）防雷技术规范》GB/T 31162—2014的规定，应划为一级防雷气象台（站），对应（GB 50057—2010）规范，确定为第二类防雷建筑物。

2.2 观测场防直击雷设计与施工

2.2.1 观测场雷击风险计算

在观测场内，以最高为10 m的风向风速计，在杆上加装有2 m高的接闪杆，取h＝12 m，人体高度取hx＝2 m，其保护范围rx=2＝17.3 m，对于25 m×35 m的观测场，观测场内的人员和设备存在被直击雷击的风险。

图2 观测场防直击雷装置图

2.2.2 防直击雷装置设计与施工

在观测场围栏外四角设置4根独立接闪杆，并用接闪线两两相联[1]进行组合防御，如图2所示。考虑到接闪器与风向风速计之间在空气中的安全间隔距离应大于等于3 m，接闪线弧垂1.6 m，按图集03D501施工，接闪线的高度定为20 m。接闪器采用长2.7 m的YLBZ-120高效避雷针，确定接闪杆总高度为22.7 m。接闪线、斜拉线均采用ф12 mm304不锈钢钢绞线，引下线利用不锈钢接闪杆。由于山体土壤由砾岩构成，电阻率很高，采用打入接地极的方法难以实现[2]，因此，所有接地装置中的水平接地极采用40 mm×4 mm热镀锌扁钢，埋深1 m；垂直接地极材料采用50 mm×50 mm×5 mm×2 500 mm热镀锌角钢，用钻孔灌装接地降阻剂[3]技术，孔深6 m，孔径80 mm，孔间距5 m。

2.3 观测场均压环的设计与施工

2.3.1 施工原因及方法

由于气象观测站所处山体独立，四周平坦开阔，土壤电阻率很高，观测场空旷、孤立，极易引起直击雷击[4]，因此设计内、外地网[5]相互独立的防雷接地装置，以满足气象设备防直击雷、防雷电高电压反击的要求。在水平接地极上敷设厚度为15 cm的降阻剂，在垂直接地极的深坑内灌入降阻剂，将接地极紧密包裹住，覆土后夯实。

2.3.2 外地网接地装置

在观测场地四周，距离内网5 m处，设置1个外环，同时，在4根接闪杆部位外引接地，向外设置4条辐射状接地极，每条长度30 m；垂直接地极共计56个，主要承担接闪杆、接闪线直击雷能量的泄放。实测接地电阻值为1.0 Ω，达到相关规范的技术要求。

2.3.3 内地网接地装置

在观测场内设置成5 m×5 m的等电位连接网格，主要保证气象设备具有基准电位。实测接地电阻值为0.9 Ω，满足相关规范的技术要求。

2.3.4 内、外接地网绝缘技术

内地网等电位连接带通过外地网时，穿越6 m长、两头封闭的绝缘护管，护管内填充绝缘材料，防止内、外地网互相干扰，如图3所示。观测场内地网与业务楼用2条等电位连接带连接，主要用于泄放强弱电桥架雷电感应电流。

图3 观测场外网（虚）、内网均压环图

2.4 观测站房的直击雷防护

接闪带采用Φ10 mm的热镀锌圆钢沿屋脊和女儿墙敷设，并在拐角处设置0.5 m高的接闪短针，引下线利用全部的柱主筋作引下线，接地极设置环形接地装置[6]，分别在4个方向设置每条30 m长的放射状接地极，如图4所示，并与配电接地、观测场内地网、站房内等电位连接带等形成共用接地系统。经检测共用接地电阻为0.9 Ω。

图4 观测站房的直击雷防护

2.5 屏蔽技术

为了防止强弱电相互干扰，将强弱电桥架分开安装。在双线路桥架内，为了防止进出线路与UPS线路相互干扰，同一种桥架加装了隔离层。

观测场内桥架、观测场与工作室之间桥架采用的是热镀锌分隔层桥架，其规格是10 mm×12 mm×1.2 mm。

桥架内设置水平接地极和垂直接地极，主要保证气象设备具有基准电位，如图5所示。

图5 观测场桥架、接地施工安装图

2.6 均压环

在一楼3.0 m×5.4 m配电房和二楼10.2 m×5.4 m业务室，采用M形等电位连接[7]排和桥架工程，并将二楼和一楼进行等电位连接。此时，强弱电桥架分开，强电和弱电进出分开，图略。

2.7 防浪涌保护

供电采用TN-S系统，在观测站室外配电柜装设Ⅰ级试验的电涌保护器，其冲击电流值大于25 kA（10/350 us）；在一楼机房配电柜装设Ⅱ级试验的电涌保护器，其冲击电流值大于60 kA（8/20 us）；在设备前端配电箱（二楼机房）装设Ⅲ级试验的电涌保护器，其冲击电流值大于40 kA（8/20 us）。SPD接地以最短距离接至等电位连接带。

弱电线路是采用金属线引入的，在进线箱安装B2类慢上升率试验类型的电涌保护器；屏蔽电缆的屏蔽层在雷电防护区交界处做等电位连接并接地；采用光缆时，所有金属接头、金属护层、金属挡潮层、金属加强芯等在进入建筑物处直接接地，对数据信号线路上侵入的感应雷[8]和雷电波进行防护[9]。

3 结束语

由于当涂国家气象观测站独特的地形地貌及内部结构，防雷工程技术复杂，施工难度比较大。观测场采取接闪杆、接闪线组合防护直击雷；站房直击雷防护采取接闪带加短针方法；观测场内地网、外地网严格分离；利用延长接地极、钻孔灌装接地降阻剂技术降低接地电阻值，并有针对性地设计室内与室外、强电与弱电等雷电防护方案，结合施工质量安全管控，以有效降低雷电灾害风险。由于防雷系统较全面，后期维护简单，因此适合山地气象观测站防雷工程设计安装时参考。