地面气象观测场雷电防护及其防雷装置检测

2024-01-02陈景荣周嘉健邓健威李文飞

气象水文海洋仪器 2023年4期

陈景荣,周嘉健,邓健威,李文飞

(1.广东天文防雷工程有限公司,广州 510080;2.广东省气象探测数据中心,广州 510080;3.广东省气候中心,广州 510641)

0 引言

国家级地面气象观测场(简称“观测场”)是国家级地面气象观测站的载体,作为气象精密观测的重要组成部分,是精准预报的基础数据来源。确保雷雨季节观测场观测设备的防雷安全是基础建设中的重要工作,除了使防雷设计和施工符合规范要求,每年汛期来临前的防雷检测也是十分重要的环节。但在实际情况中,即使防雷检测合格,也会出现雷击损坏设备的情况,这在一定程度上和防雷质量有关[1-5]。文章介绍广东省国家级地面气象观测场防雷的主要措施和经验,以及相应的防雷装置检测方法。

1 观测场及其设备介绍

观测场布局为南北—东西走向,场内面积25 m×25 m(无辐射传感器)或25 m×35 m(有辐射传感器)。观测场内部南北走向和东西走向均设置有电缆沟,其同时也作为观测场内的小路,并且其内两侧分别设置有强电和弱电金属线槽。各观测设备按“北高南低”“东西成行,南北成列”的原则布设,以广东省国家级地面气象观测场为例,安装的观测设备布局如图1所示。

图1 广东省国家级地面气象观测场观测设备布局示意图

观测场的供电由值班机房UPS专供,通过电缆沟强电金属线槽或套金属管埋地敷设引入。配电箱放在主采集器机箱背面,与主采集器机箱构成一个整体。各观测设备(采集器#1、采集器#2、天气现象仪、能见度仪1#、能见度仪2#、串口服务器、天气现象视频仪、云观测仪、闪电定位仪、酸雨观测仪、自动日照计等)配有独立电源开关[6-7]。观测数据经串口服务器通过光缆传输,闪电定位仪直接通过光缆传输数据,观测场工作原理如图2所示[8-9]。

图2 广东省国家级地面气象观测场工作原理图

2 观测场的雷电防护

2.1 直击雷防护

广东省国家级地面气象观测站的防雷类别为二类。从2012年开始,广东省有关要求规定国家级地面气象观测场的防雷工作需在观测场外安装独立接闪塔(杆)及独立接地网,观测场内所有观测设备均处于直击雷保护LPZ0B区,要求直击雷接地电阻≤10 Ω,直击雷保护系统和设备接地系统地中距离>3 m,条件允许时>5 m,以防止接闪塔(杆)接闪时,雷电流通过直击雷地网泄放时形成的高电位通过土壤反击至设备地网,沿各设备的接地线反击造成设备损坏。严禁通过任何导体将直击雷地网和设备地网直接或间接连接[10]。

2.2 感应雷防护

2.2.1 地网

感应雷地网和设备地网共用,沿观测场地沟底部建设,要求接地电阻≤4 Ω,在每个观测设备基座对应位置预留接地端子排,当仅沿地沟敷设的地网电阻达不到要求时,根据与直击雷系统地中距离>3 m或>5 m的原则在观测场周边增加接地网,在高土壤电阻率地区,采用深井接地极、施放接地降阻剂等措施,当采用深井接地极时,建议设置在观测场四角,且考虑其技术经济性,深度宜不大于25 m。

2.2.2 供配电

2.2.3 通信

广东省国家级地面气象观测场对外的通信均要求采用光缆,光缆通过电缆沟弱电金属线槽敷设,光缆金属加强芯等金属部件在进入观测场时与该处的专设接地预留端子排进行接地,该接地端子排与观测场内地网的连接点,要求与各观测仪器的接地预留接地排与地网连接点地中距离>5 m。

2.2.4 屏蔽及综合布线

观测场内地沟两侧分别设置有金属强、弱电线槽,沿地沟敷设接地母线,观测场内的所有观测设备线缆均通过强、弱线槽分槽敷设。各传感器和采集器之间的连接线缆均为带屏蔽层的电缆,线缆屏蔽层两端接地。部分观测设备与串口服务器通过RS-232或RS-485进行连接,如图2所示,连接线缆为屏蔽电缆,线缆屏蔽层两端接地。与串口服务器通信的观测设备建议采用RS-485进行连接,因为平行传输的RS-485抗干扰能力较RS-232强。

2.2.5 等电位及接地

地沟的强、弱金属线槽要求首尾接地,间隔18 m接地;线槽每两段之间进行电气跨接,线槽盖与线槽进行电气跨接。观测场内的所有设备金属支架、设备金属外壳等不带电的金属体均要求接地,特别注意,一般观测设备均设置有接地端子,需要用接地线直接与预留接地端子排连接。广东地区各传感器屏蔽电缆的屏蔽层进入采集器时接地,采用通过采集器穿线孔的金属锁扣锁紧,使屏蔽层通过导电胶布与金属机箱连接接地的方式。

3 观测场防雷检测要点

3.1 直击雷装置检测

观测场直击雷防护装置的接闪塔(杆)及其接地网的检测要点包括核算接闪塔(杆)的高度及其保护范围;检查接闪塔(杆)的锈蚀情况和垂直度;检测地网接地电阻,若测得阻值大于1 Ω,则可以判定各自为独立接地;检查接闪塔(杆)与地网的接地线的连接是否为跨接;焊接以及焊接面是否符合要求。地网测试值应满足≤10 Ω要求。

3.2 感应雷装置检测

3.2.1 地网

在保持直击雷地网检测时接地电阻仪表的C极和P极不动的条件下,检测观测场内设备地网的电阻值,将其测试值与直击雷地网的值进行比较,应有明显的差别,并且在测试条件相同的情况下,测试值应与历史的测试值差异不大。地网测试值应满足≤4 Ω要求。

3.2.2 供配电

重点检查供电线路进入观测站的方式和站区内的敷设方式,各级SPD设置的位置、型号、参数、SPD的工作状态指示、级间距离是否满足能量配合、连接导线的材质、截面、连接方式及其牢固情况、连接线的长度是否小于0.5 m;SPD接地线与就近的接地预留端子的连接过渡电阻是否小于0.2 Ω。注意检查(天气现象仪、能见度仪、串口服务器、闪电定位仪、云观测仪、自动日照计、天气现象视频仪、酸雨等)设备出厂时是否配置了电源SPD,因此应重点检测设备配置的电源SPD是否符合末级防雷器的技术参数要求,检查其接地线是否直接与接地预留端子排连接。

3.2.3 通信

重点检查光缆金属加强芯等金属部件是否在进入观测场处与独立设置的接地排进行连接,该独立接地排与地网的接入点和观测场其他设备接地端子的接入点地中距离大于5 m,禁止在光端盒和采集器处接地。

3.2.4 屏蔽及综合布线

检查风向、风速、温度、湿度、地温、气压、蒸发、雨量等传感器与采集器连接的信号线缆是否采用屏蔽线缆,是否敷设在电缆沟的弱电金属线槽内;检查天气现象仪、能见度仪、串口服务器、闪电定位仪、云观测仪、自动日照计、天气现象视频仪、酸雨检测仪的配电线缆是否敷设在电缆沟的强电金属线槽内;检查采集器、天气现象仪、云观测仪、酸雨检测仪、自动日照计、天气现象视频仪与串口服务器连接的通信线缆是否采用屏蔽线缆,是否敷设在电缆沟的弱电金属线槽内。

3.2.5 等电位及接地

检查地沟的强、弱金属线槽的电气导通性和连接牢固情况;检查观测场内所有设备金属支架和金属外壳(大部分设备设置有接地端子)等不带电的金属体接地情况;检查广东地区的主采集器和备采集器、地温分采集器、温湿分采集器与各传感器连接线缆的屏蔽层接地情况,以及接地电气导通性和连接牢固情况;检查风横臂和接线盒是否设置与风塔底座处接地预留端子排连接的接地线,广东地区目前风传感器的安装金属支架与风塔塔身采取绝缘安装方式。

在信号防雷器方面,重点检查观测设备出厂时是否配置有串口信号SPD,如有,则检查其接地是否通过接地线与接地端子连接。与串口服务器通信的观测设备一般通过RS-232或RS-485进行通信,除检查线缆两端屏蔽层接地情况外,应检查所设置的信号SPD是否适配。