雷擊電磁脈沖對氣象臺站業(yè)務平臺的影響分析及對策

吳 晶

(貴州省習水縣氣象局，貴州 習水 564600)

1 引言

近年來，隨著氣象現(xiàn)代化的深入推進，以計算機及其網(wǎng)絡(luò)設(shè)備為主要依托的集綜合觀測、監(jiān)測預警、預報服務于一體的綜合氣象業(yè)務平臺(簡稱業(yè)務平臺)正在建設(shè)中。我省氣象臺站依據(jù)國家、行業(yè)制定的有關(guān)防雷設(shè)計規(guī)范開展防雷設(shè)計、安裝，業(yè)務平臺防御直接雷擊和雷擊電磁脈沖的措施進一步完善，但是業(yè)務平臺防御雷擊電磁脈沖措施主要集中在等電位連接和共用接地、線纜敷設(shè)等方面，而屏蔽措施重視不夠。該文通過對氣象臺站附近發(fā)生雷擊和直接遭受雷擊時雷擊電磁脈沖的影響分析，提出防御雷擊電磁脈沖的屏蔽措施對策建議。

2 臺站附近發(fā)生雷擊時磁場強度的計算

貴州省氣象臺站建筑物一般為3～4 層，按照QX4－2000《氣象臺(站)防雷技術(shù)規(guī)范》，氣象臺站建筑物應為第二或第三類防雷建筑物，由于氣象臺站業(yè)務平臺在防災減災中的重要性，為防雷安全考慮，可以提升為第二類防雷建筑。根據(jù)GB50057－2010《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》條文說明，雷閃電氣－幾何模型整理后為:I =(hr/10)1.54(hr—滾球半徑，I—與hr相對應的得到保護的最小雷電流幅值)。若將氣象臺站業(yè)務平臺用房作為第二類防雷建筑，則hr=45 m，I=10.1≈10 kA。即雷電流小于10 kA時，在距離氣象臺站業(yè)務用房小于等于45 m 處發(fā)生閃擊時，將會擊在建筑物上;閃電有可能穿過接閃器擊于被保護物上，等于和大于10 kA 時，閃電將擊于接閃器(直擊雷擊)。

根據(jù)GB50057－2010《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》，當發(fā)生雷擊時，距離雷擊通道Sa遠處的某點的電磁場按下式計算:

H0:距離雷擊通道Sa(m)遠處的磁場強度(A/m)

I:雷電流強度(KA))

Sa:計算點與距離雷擊通道的距離(m)

以臺站附近50 m、100 m、200 m 處分別發(fā)生50 kA、100 kA、150 kA、200 kA 雷電閃擊為例，根據(jù)(1)式計算雷擊電磁脈沖結(jié)果如表1。由表1 可見，即使臺站附近50 m 處發(fā)生250 kA 雷擊，對應的H0均小于800 A/m。根據(jù)貴州雷電監(jiān)測網(wǎng)監(jiān)測資料，貴州最大正閃強度、最大負閃強度一般不超過250 kA，而大于200 kA 的百分率一般在1%以內(nèi)。因此，可以認為，在不考慮臺站附近雷擊對進入業(yè)務平臺管線的影響下，附近雷擊產(chǎn)生的電磁脈沖不會對其業(yè)務平臺電子設(shè)備造成影響。

表1 附近雷擊電磁脈沖計算

3 雷電擊中建筑物時內(nèi)部磁場強度的計算

3.1 引下線雷電分流系數(shù)

當氣象臺站(一般為3～4 層)遭受直接雷擊時，雷電流將經(jīng)引下線分流入地，考慮引下線均與各樓層圈梁鏈接，則各樓層引下線的分流系數(shù)不同。以貴州兩種典型氣象臺站業(yè)務用房(框架結(jié)構(gòu):引下線數(shù)12 根，間距6 m，層高3 m;磚混結(jié)構(gòu):引下線數(shù)6 根，間距12 m，層高3 m)為例，按照GB50057－2010《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》附錄5 計算各樓層引下線的分流系數(shù)Kc如表2:

表2 兩種典型的業(yè)務用房各樓層引下線的分流系數(shù)

3.2 內(nèi)部無屏蔽條件下的磁場強度

以100 kA 雷電流擊中臺站業(yè)務用房為例，根據(jù)公式(1)計算兩種典型的業(yè)務用房(框架結(jié)構(gòu)、磚混結(jié)構(gòu))內(nèi)距離引下線Sa遠處的內(nèi)部磁場強度如表3。

表3 100 KA 雷電流擊中業(yè)務用房(框架結(jié)構(gòu)、磚混結(jié)構(gòu))內(nèi)部磁場強度

表3 計算結(jié)果表明:框架結(jié)構(gòu)業(yè)務用房頂1 層距離引下線4 m 遠處、頂2 層距離引下線2 m 遠處、頂3 層距離引下線1 m 遠處的內(nèi)部磁場強度均大于800 A/m，電子設(shè)備只能安裝在頂4 層距離引下線1 m 以外、頂4 層距離引下線2 m 以外、頂2 層距離引下線3 m 以外才安全;而磚混結(jié)構(gòu)業(yè)務用房只有頂3 和頂4 層距離引下線4 m 遠處的內(nèi)部磁場強度才小于800 A/m，電子設(shè)備只能安裝在頂3 和頂4 層距離引下線4 m 以外才安全。顯然，無論框架結(jié)構(gòu)、磚混結(jié)構(gòu)的臺站，可供電子設(shè)備安裝的安全空間均不能滿足業(yè)務的需要，并且，當雷電流超過100 kA時(注:根據(jù)貴州雷電監(jiān)測網(wǎng)監(jiān)測，貴州超過100 kA的地閃概率在1%以上。如普安縣年平均雷暴日為72.8 d，100 kA 地閃強度概率1.66%，德江縣年平均雷暴日為47.5 d，100 kA 地閃強度概率2.8%)，情況更不樂觀。

3.3 采取屏蔽措施條件下，雷擊磁場強度的衰減及室內(nèi)設(shè)備安全距離

當臺站業(yè)務用房采取屏蔽措施時，業(yè)務用房磁場強度從H0衰減為H1，其值按下式計算:

式中:SF—屏蔽系數(shù)(dB)，按表4 的公式計算。w─格柵形屏蔽的網(wǎng)格寬(m)。

電子設(shè)備的安全距離ds/1(m )按下列公式計算。

當SF ＜10 時 ds/1 = w

式中，安全距離ds/1(m )—LPZ 區(qū)內(nèi)距屏蔽層的距離，室內(nèi)大于該距離的空間為電子設(shè)備放置的安全空間。

表4 格柵型大空間屏蔽的屏蔽系數(shù)計算

如某臺站業(yè)務平臺用房采用銅或鋁安裝屏蔽措施，以分別安裝1.0 m ×1.0 m、0.5 m ×0.5 m、0.2 m×0.2 m 屏蔽網(wǎng)格為例，根據(jù)表4 中SF(dB)=20·log(8.5/w)計算，屏蔽系數(shù)分別為18.6 dB、24.6 dB、32.5 dB，根據(jù)(3)式計算，業(yè)務平臺用房安全距離分別為1.86 m、1.22 m、0.65 m，根據(jù)(2)式計算，安全空間內(nèi)磁場強度分別為H0/8.5、H0/16.7、H0/44.7，即分別為原來的12%、6%、2%。表5 是使用銅或鋁不同屏蔽網(wǎng)格w 條件下SF、H1/H0、ds/1 計算結(jié)果，由表5 可見:屏蔽網(wǎng)格越密，屏蔽效果越好，此時，表3 中的計算結(jié)果均將小于800 A/m，而無論框架結(jié)構(gòu)、磚混結(jié)構(gòu)的臺站，電子設(shè)備安裝的安全空間就得到了擴展。臺站可以根據(jù)當?shù)乩纂娏鞣植记闆r，結(jié)合業(yè)務用房的具體實際，適當選擇屏蔽措施，以擴大電子設(shè)備安全空間。

表5 不同屏蔽條件下附近雷擊電磁場衰減計算及設(shè)備安全距離

4 臺站業(yè)務平臺用房屏蔽措施

4.1 新建業(yè)務平臺用房屏蔽措施

新建業(yè)務用房應在設(shè)計階段考慮采用框架結(jié)構(gòu)，所有結(jié)構(gòu)柱鋼筋均應作為引下線，并與圈梁的鋼筋連接為一整體，有利于雷電流分流，減少雷電流流經(jīng)引下線產(chǎn)生的內(nèi)部磁場強度。同時應考慮在業(yè)務平臺機房的頂部、底部及外墻內(nèi)側(cè)四壁及窗戶安裝至少0.5 m×0.5 m 的屏蔽網(wǎng)格，增大有效利用空間。

4.2 做好重要設(shè)備接地

電子設(shè)備的機箱(機殼)用金屬板加工而成，除了防靜電外，機箱本身就是一個很好的屏蔽體，要求機箱應可靠接地。實踐中很多臺站往往忽視這一規(guī)定，沒有進行接地。另外，屏蔽體應有導電連續(xù)性，即整個屏蔽體必須是一個完整的、連續(xù)的導電體，要求屏蔽體盡可能少留開口、縫隙等。因此，自動站所有設(shè)備的機箱，必須保持完整，不得在上任意開孔、開槽，箱門必須保持關(guān)閉。

4.3 調(diào)整電子設(shè)備安裝位置

對于已建的建筑物，由于難以實施屏蔽網(wǎng)格改造，可通過調(diào)整電子設(shè)備布局降低雷擊電磁脈沖的影響。一是將設(shè)備盡可能放置在遠離外墻的房間中部或者靠近內(nèi)墻(圖1);二是盡可能避免將重要電子設(shè)備安裝在頂1 層、頂2 層。

5 結(jié)束語

①當氣象臺站附近50 m 以外發(fā)生強雷擊時，在不考慮臺站附近雷擊對進入業(yè)務平臺管線的影響下，附近雷擊產(chǎn)生的電磁脈沖不會對其業(yè)務平臺電子設(shè)備造成影響。

圖1 設(shè)備放置安全距離內(nèi)的情形

②臺站業(yè)務平臺用房外部防雷裝置直接接閃雷電流時，較強的雷電流經(jīng)引下線產(chǎn)生的電磁脈沖對業(yè)務用房的影響很大，框架結(jié)構(gòu)業(yè)務平臺用房電子設(shè)備可利用的安全空間很小，磚混結(jié)構(gòu)業(yè)務平臺用房電子設(shè)備幾乎沒有可利用的安全空間。更強的雷電流(如200 kA 以上)擊中臺站業(yè)務平臺用房時，電磁脈沖對業(yè)務用房的影響將成倍增強，對此，臺站應充分重視。

③通過對雷電直接擊中氣象臺站業(yè)務用房時產(chǎn)生的電磁脈沖影響進行分析，采取必要的屏蔽措施對降低雷擊電磁脈沖有很好的效果，臺站可根據(jù)當?shù)乩纂娏鞣植记闆r，結(jié)合業(yè)務用房的具體實際，適當選擇屏蔽措施，擴大電子設(shè)備安全空間。

［1］GB50057－2010. 建筑物防雷設(shè)計規(guī)范［S］. 北京:計劃出版社，2011.

［2］QX3－2000. 氣象信息系統(tǒng)雷擊電磁脈沖防護規(guī)范［S］.防雷規(guī)范標準匯編. 中國氣象氣象學會雷電防護委員會，2005，7.

［3］QX4－2000. 氣象臺(站)防雷技術(shù)規(guī)范［S］. 防雷規(guī)范標準匯編，中國氣象氣象學會雷電防護委員會，2005.7.