典型海岛自动气象站观测场雷电灾害防御对策

梁兴文，陈景荣，关漫军

（1.上川岛气象站，广东江门 529264；2.广东省气象公共安全技术支持中心，广东广州 510640；3.开平市气象局，广东开平 529300）

地面气象观测场（简称观测场）的雷电防护一直作为观测场安全保障的重要组成部分。作为观测场综合防雷系统重要组成部分的直击雷防护，其设计有相应的防雷技术规范可以遵循。但实际情况是，即使严格按照规范进行设计和施工，仍时常会有发生雷击的情况，除了规范的技术层面问题外，这可能与广东省自动气象站观测场雷电环境比较恶劣也有一定的关系［1］，如山东省滨州市海岛站就因为雷电环境恶劣而常有雷电发生［2］。针对观测场直击雷的防护措施很多，如敖振浪等［3］提出了迂回策略；王惠芳［4］提出了利用风杆拉线分流，数据线、控制器电路板屏蔽，以及“爪型”接地的方法；姚建春等［5］采用距离风塔3 m安装一避雷针及采用共用接地网的方法；仇健等［6］提出采用独立接闪杆保护观测场内的所有设施的方法。另外，陈绍东等［7］利用位于广州市从化区的中国气象局雷电野外科学试验基地人工引雷试验场所开展的地电位抬升冲击SPD试验；颜旭等［8］在同一场地上基于人工触发闪电研究了共地和非共地情况下主动地网以及邻近被动地网上地电位抬升特征，结果均表明接闪时主动地网上会产生很高的地电位抬升，极易产生反击造成危险，被动地网与主动地网共地比非共地情况下地电位抬升更高，威胁更大。

本研究根据上川岛气象站观测场的特殊条件，介绍其雷电灾害具体防御对策，特别是一种与前述不一样的“塔网”分离直击雷保护系统。

1 观测场及其原防雷情况

该地面气象观测场位于广东省上川岛，属于国家基准气象站，南北长35.0 m，东西宽25.0 m。观测场通过四周的挡土墙构筑平台而成，观测场平台外四周地势较陡（图1）。

图1 改造前的观测场

观测场防雷情况：观测场的直击雷防护仅利用设置在风塔顶部的接闪杆进行保护，接闪杆净高1.0 m，利用塔身作为引下线，地网为共用接地网，现场测试其工频接地电阻为8.0Ω；观测场的感应雷防护措施：观测场线缆沟槽内两侧分别设置有强、弱不锈钢金属线槽，金属线槽节间有接地跨接线，间隔18.0 m重复接地1次；所有设备安装基座处均预留有接地端子，设备金属支座以及设备金属外壳均通过接地铜缆与接地端子连接接地；观测值班室供观测场的总配电箱及观测场配电箱、采集器机箱供电开关处均设置有相应的SPD，供至观测场总配电箱的供电电缆为套金属管埋地敷设；观测场与值班室之间的通讯光缆采用套PVC管埋地敷设［9］，其加强金属芯在进入值班大楼处和观测场分别进行接地；各气象要素传感器与采集器之间屏蔽信号电缆通过金属弱电线槽敷设，屏蔽层首尾接地。

2 直击雷防护系统改造

2.1 改造原则

改造本着直击雷防护系统和观测场设备接地系统相互独立设置的原则，尽可能减小当直击雷系统发生接闪时其地网地电位抬升对设备地网（设备地网和感应雷地网为同一地网，以下称为设备地网）的反击［10］，同时结合气象站的环境升级改造，尽可能降低防雷改造的工程费用。

2.2 改造措施

1）接闪塔的设置。

如图2所示，观测场直击雷防护按第二类防雷进行设计［11］。

图2 观测场接闪塔布置及保护示意图

由于观测场地形和现场条件的限制，观测场外没有合适的位置设置接闪塔，若将接闪塔设置在观测场平台外的陡坡处，则需要大大增加接闪塔的高度，结合抗台风的考虑，建设成本会大幅增加，因此在综合考虑接闪塔的高度、数量和有效的保护范围的关系后，采取了在观测场平台设置3座接闪塔联合保护的方法，分别是设置在西北的1号18 m接闪塔、设置在东面的2号13 m接闪塔和设置在正南面的3号13 m接闪塔，3座接闪塔顶部的接闪器均采取与塔身绝缘，如图3所示。根据规范要求，观测场的直击雷保护需要对场地内的所有观测设备和人员进行有效保护，具体是在12.5和2.5 m［12］高度的保护范围要覆盖风塔和整个观测场。通过天正电气软件所作的接闪杆保护范围图（图略）可知，本措施满足要求。

2）地网设置。

如图3所示，观测场分别设置相互独立的直击雷地网与设备地网，二者在地中的距离≥3 m，接地电阻值要求分别≤10Ω和≤4Ω［12］；在观测场南面扩充处增加设备附加地网，并与观测场内原有接地网连接；1号接闪塔接地网设置在观测场西面和北面山坡空地处，与观测场围栏水平距离为5 m，直线距离大约5.7 m，2号接闪塔接地网设置在观测场东面的陡坡处，与挡土墙水平距离为3 m，直线距离约4.2 m，与观测场围栏水平距离为5 m。3号接闪塔接地网和1号接闪塔共用一个地网。

图3 观测场地网布置示意图

3）塔顶接闪器及其独立引下线设置。

为了解决设置在观测场平台内接闪塔接闪时雷电流不通过塔身在观测场内泄放，在接闪塔顶部安装与接闪塔绝缘的接闪器，如图3所示。接闪器通过绝缘铜缆套PVC-U塑料管沿塔身敷设至地下0.5 m再埋地敷设至相应的直击雷接地网，这样可以减少接闪时直击雷地网的地电位抬升对观测场设备接地的影响。接闪器与塔身的绝缘采用一段高强度玻璃钢管［13］进行固定，高强度玻璃钢管上端连接接闪器，下端插入固定在铁搭顶部的热镀锌钢管。独立引下线采用铜芯聚氯乙烯绝缘电线ZR-BVV50［13］，参考GB50057-2010《建筑物防雷设计规范》关于直击雷引下线采取防接触电压的措施：外露引下线，其距地面2.7 m以下的导体用耐1.2/50μs冲击电压100 kV的绝缘层隔离，或用至少3 mm厚的交联聚乙烯层隔离。增加套Φ50×3.7 PVC-U塑料管［14］，确保引下线与塔身的绝缘性能。

3 观测设备感应雷防护

在第2章直击雷防护、地电位抬升防护、强弱电线路分槽屏蔽敷设的基础上，对观测设备的供电线路重新设置多级适配的SPD进行保护，分别在观测场总配电箱装设二级SPD保护，其中In＝20 kA，Up≤1.8 kV；在主采集器、串口服务器、天气现象仪、能见度仪、云观测设备、闪电定位仪、自动日照计处设置三级SPD保护，其中In＝20 kA，Up≤1.5 kV［15］，如图4所示。在各观测设备信号端口防护方面，与主采集器连接的有风向风速仪、能见度仪、温度湿度传感器、雨量传感器、蒸发传感器、地温分采集器（草温传感器、浅层地温传感器、深层地温传感器与地温分采集器连接）［9］，由于在以上信号端口安装信号SPD会影响采集数据的准确性，仅采取线路双层屏蔽的措施，即屏蔽电缆沿金属线槽屏蔽敷设；与串口服务器连接的分别有主采集器、天气现象仪、云观测仪、闪电定位仪、自动日照计，在相应的端口安装RS485或RS232串口SPD。各SPD的接地均短而直就近与预留接地端子连接。

图4 观测场供电线路SPD安装示意图

4 改造后的情况

该防雷改造工程，于2013年5月份进行现场勘察和设计，同年12月份改造施工完毕，改造后的观测场如图5所示。经过7年多的雷雨季节运行，实践证明改造后的观测场防雷效果显著。

图5 改造后的观测场

本研究根据上川岛气象站观测场所处环境、地形、地貌等的具体情况，综合考虑接闪塔与观测场的距离、接闪塔所需的高度和数量，以及工程改造费用等因素，采取了在观测场平台内设置接闪塔并采用接闪器与塔身绝缘的方法，通过独立引下线将接闪器与观测场平台外的独立接地网连接，更好地解决了直击雷接闪时地电位抬升对设备接地反击的影响。同时具体分析所有的观测设备供电及信号传输的具体形式，有针对性地配置适配的SPD。由于地网具体设计计算不是本研究关注的重点，因此在地网设计介绍时并没有给出详细的计算及计算结果。本研究所介绍设置独立直击雷防护系统的方法及观测设备雷电防护措施，对于类似条件的观测场雷电灾害防御具有一定的参考价值。