新型自動(dòng)氣象站觀測場室防雷工程設(shè)計(jì)

陳 剛， 楊小民

(湖南省氣象局，湖南長沙 410125)

0 引言

新型自動(dòng)氣象站是以自動(dòng)氣候站為基礎(chǔ)，采用穩(wěn)定的電子測量、數(shù)據(jù)傳輸和控制系統(tǒng)技術(shù)，基于現(xiàn)代總線技術(shù)和嵌入式系統(tǒng)技術(shù)構(gòu)建的自動(dòng)氣象站，滿足地面氣象觀測溫/濕度、氣壓、雨量、風(fēng)向、地表溫度，以及淺層地溫和深層地溫的觀測等要求，需要時(shí)可以擴(kuò)充能見度、稱重降水、日照、輻射等要素或傳感器。

新型自動(dòng)氣象站在硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上采用積木式結(jié)構(gòu)和CAN總線技術(shù)，利用雙絞線互連主采集器和各分采集器。數(shù)據(jù)采集器是自動(dòng)氣象站的核心，由硬件和嵌入式軟件組成。硬件包含高性能的嵌入式處理器、高精度的A/D電路、高精度的實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路、大容量的程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、傳感器接口、通信接口、CAN總線接口、外接存儲(chǔ)器接口、以太網(wǎng)接口、監(jiān)測電路、指示燈等。嵌入式軟件包含主采集系統(tǒng)、地溫采集系統(tǒng)、溫/濕度智能傳感器等。

從雷電防護(hù)的角度看，各傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分布在室外LPZ1區(qū)，額定工作電壓僅十幾伏，對電磁干擾極其敏感，而雷電的電壓可高達(dá)數(shù)十萬伏，瞬間電流可高達(dá)數(shù)十萬安培，對信息系統(tǒng)具有極大的破壞性。信息系統(tǒng)環(huán)節(jié)多、接口多、線路長，給雷電的耦合提供了條件，是雷電感應(yīng)脈沖過電壓容易入侵的原因，也是感應(yīng)脈沖過電壓入侵的主要通道。若防雷措施采取不當(dāng)，將嚴(yán)重影響新型自動(dòng)氣象站的正常業(yè)務(wù)運(yùn)行。要實(shí)現(xiàn)觀測業(yè)務(wù)自動(dòng)化，提高觀測數(shù)據(jù)的傳輸時(shí)效和數(shù)據(jù)質(zhì)量，保障自動(dòng)氣象站設(shè)備運(yùn)行環(huán)境至關(guān)重要。

本文針對新型自動(dòng)氣象觀測站場室雷電防護(hù)的特點(diǎn)及要求，采取切實(shí)有效的防護(hù)措施，對提高新型自動(dòng)氣象站場室的安全性、可靠性具有重要的意義。

1 雷電防護(hù)工程設(shè)計(jì)

雷電防護(hù)系統(tǒng)主要由外部雷電防護(hù)和內(nèi)部雷電防護(hù)組成。外部雷電防護(hù)措施包括接閃器、引下線、接地裝置等。內(nèi)部雷電措施有建筑物的自然屏蔽、電線電纜的屏蔽、儀表設(shè)備的屏蔽、接地、等電位聯(lián)結(jié)、合理布線、配備電涌保護(hù)器(Surge Protective Device，SPD)等。

1.1 外部雷電防護(hù)工程設(shè)計(jì)

新型自動(dòng)氣象站觀測場室一般由地面氣象觀測場和值班室機(jī)房組成。

觀測場采用接閃桿進(jìn)行直擊雷防護(hù)，所有觀測設(shè)備均應(yīng)處于LPZ0B區(qū)內(nèi)。當(dāng)采用風(fēng)向桿作為接閃桿的支撐件，尚有部分設(shè)備不在LPZ0B區(qū)內(nèi)時(shí)，應(yīng)在設(shè)備附近安裝接閃桿，并使其處于LPZ0B區(qū)內(nèi)。風(fēng)向桿高度一般為10～12 m，觀測場內(nèi)除風(fēng)向桿外相對較高的設(shè)備包括高度約為2.2 m的百葉箱、采樣區(qū)中心高度為2.8 m的能見度儀和高度約為1.5 m的稱重式降水傳感器。以10 m接閃桿為例，按照滾球法經(jīng)計(jì)算，高度分別為2.2 m、2.8 m，其保護(hù)半徑分別為17.068 m、15.051 m，一般情況均處于接閃桿的保護(hù)范圍內(nèi)。另外，接閃桿的接地體應(yīng)單獨(dú)接地。觀測場風(fēng)向桿宜采用金屬管作支撐件，應(yīng)在距風(fēng)桿頂端200～300 mm處設(shè)置接閃桿，接閃桿通過絕緣桿固定于風(fēng)桿上;接閃桿應(yīng)選用直徑≥16 mm、長度≥1 500 mm的銅管，與風(fēng)桿的水平絕緣距離不應(yīng)小于500 mm。避雷針引下線應(yīng)沿風(fēng)向桿上端拉線入地，應(yīng)通過絕緣等級(jí)為35 kV(1.2/50 μs)的拉線絕緣子與風(fēng)向桿絕緣，引下線宜采用屏蔽電纜(芯線的多股銅線的截面積≥50 mm2)。引下線入地點(diǎn)附近應(yīng)設(shè)置垂直接地體，并與觀測場共用地網(wǎng)作可靠電氣連接。風(fēng)向桿直擊雷防護(hù)如圖1所示。

新型自動(dòng)氣象站工作值班室對安全程度要求較高，其遭受直擊雷損害的幾率較電磁干擾損害更小，在直擊雷防護(hù)上，不建議采用避雷針進(jìn)行防護(hù)，宜采用接閃網(wǎng)進(jìn)行防護(hù);值班室的規(guī)模較小，投資差別不大。接閃器宜采用明敷接閃帶和暗敷避雷網(wǎng)相結(jié)合的方式，網(wǎng)格尺寸≤5 m×5 m或6 m×4 m，明敷接閃帶可保證女兒墻不受損傷。值班室一般不高，在允許屋頂遭雷擊時(shí)混凝土?xí)幸恍┧槠撻_以及小塊防水、保溫層遭破壞，可利用值班室屋頂鋼筋作為暗敷避雷網(wǎng)，具有安全、可靠、使用周期長、維修費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)。由于防雷裝置全部或大部分埋設(shè)在建筑結(jié)構(gòu)件內(nèi)或利用建筑本身的金屬構(gòu)件，因此防雷及接地裝置的使用壽命與建筑物的使用壽命是相同的，契合自動(dòng)氣象站長期存在的特點(diǎn)。

圖1 風(fēng)向桿直擊雷防護(hù)

接閃網(wǎng)應(yīng)設(shè)置多根間距≤12 m的專用引下線，引下線宜設(shè)置在觀測場室的外墻四角。圍繞觀測場室應(yīng)設(shè)置環(huán)形接地裝置，接閃網(wǎng)引下線應(yīng)就近直接接入接地裝置。觀測場室建筑物的鋼筋等金屬體不宜作為防直擊雷裝置的引下線。接閃帶與專用引下線的材質(zhì)可采用傳統(tǒng)的圓鋼。由于新型自動(dòng)氣象站相對封閉，故專用引下線接觸電壓的風(fēng)險(xiǎn)可忽略不計(jì)。

觀測場室的防雷接地、防靜電接地、電氣設(shè)備的保護(hù)接地、儀表系統(tǒng)的工作接地、屏蔽接地、SPD接地等應(yīng)共用接地裝置。共用接地系統(tǒng)由工作室地網(wǎng)、室外觀測場地網(wǎng)組成，兩地網(wǎng)間的連接帶不應(yīng)少于2條，應(yīng)選用不小于φ16 mm的鍍鋅圓鋼進(jìn)行連接，連接帶的埋設(shè)深度不宜小于500 mm。根據(jù)QX 30—2004《自動(dòng)氣象站場室防雷技術(shù)規(guī)范》，共用接地系統(tǒng)的接地電阻不宜大于4 Ω，但在土壤電阻率＞1 000 Ω·m的地區(qū)，可適當(dāng)放寬其接地電阻值要求。這是因?yàn)樵诘入娢辉淼姆览桌碚撝校鼐W(wǎng)只是總的電位基準(zhǔn)點(diǎn)，并不是絕對的零電位點(diǎn)。一般情況下，新型自動(dòng)氣象站的地網(wǎng)面積不大，接地電阻要達(dá)到小于4 Ω并不容易，建議借鑒YD 5098—2005《通信局(站)防雷接地工程設(shè)計(jì)規(guī)范》第6.2.7條規(guī)定:所在地區(qū)土壤電阻率≤700 Ω·m時(shí)，地網(wǎng)的工頻接地電阻宜控制在10 Ω以內(nèi);當(dāng)土壤電阻率＞700 Ω·m時(shí)，可不對地網(wǎng)的工頻接地電阻予以限制。同時(shí)，考慮到自動(dòng)氣象站全天候工作的特點(diǎn)，須注意跨步電壓的防護(hù)，風(fēng)向桿3 m范圍內(nèi)應(yīng)采取均壓措施、鋪設(shè)卵石或?yàn)r青地面。

1.2 內(nèi)部雷電防護(hù)工程設(shè)計(jì)

內(nèi)部雷電防護(hù)工程應(yīng)做好屏蔽、接地、等電位聯(lián)結(jié)、配裝SPD和合理布線等。

1.2.1 屏蔽

(1)建筑物的自然屏蔽。新型自動(dòng)氣象站觀測場室一般為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，根據(jù)QX 2—2000《新一代天氣雷達(dá)站防雷技術(shù)規(guī)范》第9.2條規(guī)定，在窗上加設(shè)網(wǎng)孔≤200 mm×200 mm的金屬網(wǎng)，建筑物的金屬構(gòu)件、金屬門窗、網(wǎng)及建筑鋼筋等應(yīng)進(jìn)行等電位聯(lián)結(jié)，形成一個(gè)完整的法拉第籠(對雷電空間磁場起初級(jí)屏蔽保護(hù)作用)。

(2)電線電纜的屏蔽。觀測設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸線應(yīng)選用帶屏蔽層的電纜，并宜穿金屬管埋地敷設(shè)。金屬管和數(shù)據(jù)傳輸線的外屏蔽層在進(jìn)入電纜溝處和外轉(zhuǎn)接盒處應(yīng)就近接入觀測場地網(wǎng)，金屬管首尾應(yīng)電氣貫通。風(fēng)向、風(fēng)速數(shù)據(jù)傳輸線應(yīng)采用帶屏蔽層的線纜，經(jīng)金屬風(fēng)向桿內(nèi)敷設(shè)，傳輸線的外屏蔽層首尾兩端應(yīng)與風(fēng)向桿電氣連接。

(3)儀表設(shè)備的屏蔽?，F(xiàn)場儀表的金屬外殼、金屬保護(hù)器應(yīng)為全封閉式，需要進(jìn)行雷電防護(hù)的非金屬外殼儀表應(yīng)裝在鋼材材質(zhì)的儀表保護(hù)箱內(nèi)。調(diào)整交換機(jī)的擺放位置，盡量遠(yuǎn)離建筑物的結(jié)構(gòu)柱和外墻，減少雷電脈沖對設(shè)備的損壞。接地機(jī)柜是很好的屏蔽體，機(jī)柜或儀表箱應(yīng)采用鋼板材料，機(jī)柜的門、頂、底等活動(dòng)部件應(yīng)采用4 mm2絕緣多股銅芯電線連接。

為了降低雷擊時(shí)計(jì)算機(jī)的工作實(shí)效概率和元器件損壞概率，通常將計(jì)算機(jī)設(shè)備的金屬外殼進(jìn)行有效接地，使其發(fā)揮一定的屏蔽作用。

1.2.2 接地

觀測場內(nèi)風(fēng)向桿、金屬圍欄、百葉箱支架、雨量器、遙測雨量計(jì)、小型蒸發(fā)皿、信號(hào)轉(zhuǎn)接盒等金屬外殼，應(yīng)就近與觀測場地網(wǎng)進(jìn)行電氣連接。

1.2.3 等電位聯(lián)結(jié)

儀表系統(tǒng)屬于低頻小信號(hào)系統(tǒng)，采用單點(diǎn)接地方式，接地連接宜采用S型網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)形式。觀測場室內(nèi)的機(jī)柜、電器和電子設(shè)備的外殼和機(jī)架、計(jì)算機(jī)直流地(邏輯地)、防靜電接地、金屬屏蔽線的線外屏蔽層、交流地(PE線)和對供電系統(tǒng)的相線和中性線進(jìn)行保護(hù)的SPD接地端等，均應(yīng)進(jìn)行等電位聯(lián)結(jié)，并直接與接地連接導(dǎo)體連接，或?qū)w與接地連接導(dǎo)體連接。連接導(dǎo)線應(yīng)采用截面積≥4 mm2、長度≤0.5 m的多股絞合絕緣銅線，接地連接導(dǎo)體應(yīng)采用4 mm×40 mm的熱鍍鋅扁鋼。

1.2.4 合理布線

在建筑物內(nèi)進(jìn)行電子系統(tǒng)布線時(shí)，要避免出現(xiàn)較大的線路回路。

1.2.5 配裝SPD

新型自動(dòng)氣象站觀測場室低壓配電應(yīng)采用TN-C-S系統(tǒng)，供電系統(tǒng)按照業(yè)務(wù)用設(shè)備、輔助設(shè)備、照明三個(gè)獨(dú)立的部分設(shè)計(jì)，采用三相五線制，電源線的規(guī)格、大小應(yīng)滿足最大負(fù)荷要求，并留有裕量。所有工作設(shè)備必須從進(jìn)戶配電盤單獨(dú)使用一相專線供電，不得與其他電器混用;進(jìn)值班室前功率負(fù)荷 ＞2.0 kVA(含原有設(shè)備)，電源為AC 220 V。供電線路宜采用金屬護(hù)套或絕緣護(hù)套電纜，穿金屬管埋地引入，埋地長度最短不應(yīng)小于15 m。另外，金屬管及電纜金屬護(hù)套兩端應(yīng)就近可靠接地。

觀測場室的供電系統(tǒng)由蓄電池、充電電源模塊、萬能式斷路器、防雷模塊組成。12 V蓄電池(100 Ah)在斷電的情況下，安全運(yùn)行≥7 d;充電電源模塊將AC 220 V轉(zhuǎn)換為直流電輸出，一路直接為系統(tǒng)供電，另一路給蓄電池充電。萬能式斷路器和防雷模塊對過壓、過流保護(hù)，當(dāng)電壓或電流超出范圍時(shí)，萬能式斷路器會(huì)自動(dòng)關(guān)閉;當(dāng)有雷電過電壓對系統(tǒng)產(chǎn)生危害時(shí)，防雷模塊將發(fā)揮保護(hù)作用。

根據(jù)QX 30—2004，氣象站的防雷類別為一級(jí)，應(yīng)安裝三級(jí)電源SPD進(jìn)行防護(hù)。

(1)第一級(jí)SPD安裝在總配電柜上，標(biāo)稱放電電流In≥80 kA，電壓保護(hù)水平≤2.5 kV。

(2)第二級(jí)SPD安裝在分配電盤上，每條相線和中性線上的標(biāo)稱放電電流In≥15 kA，電壓保護(hù)水平≤1.5 kV。

(3)第三級(jí)SPD安裝在設(shè)備前端，每條相線和中性線上標(biāo)稱放電電流In≥5 kA，電壓保護(hù)水平≤0.9 kV。

使用直流電源供電的新型自動(dòng)氣象站設(shè)備，應(yīng)在直流電源線路上安裝與設(shè)備額定電壓相適應(yīng)的SPD。

對于新型自動(dòng)氣象站觀測場室照明及其他輔助設(shè)備系統(tǒng)，宜在電源線輸出裝置處安裝標(biāo)稱放電電流 In≥40 kA(8/20 μs)的 SPD。

在數(shù)據(jù)傳輸線端口安裝防雷器，可有效地防止過電壓對設(shè)備造成的破壞。觀測室調(diào)制解調(diào)器前端應(yīng)加裝符合其接口型式(RJ11、RJ45)的信號(hào)SPD;在計(jì)算機(jī)前端的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)線上安裝符合接口型式(RS-232、RJ45)的信號(hào)SPD。信號(hào)SPD的最大持續(xù)工作電壓應(yīng)大于1.5Uc，其中Uc為SPD最大交流電壓有效值，在設(shè)備前端加裝標(biāo)稱放電電流In＞5 kA(8/20 μs)的信號(hào)SPD，其他參數(shù)應(yīng)符合系統(tǒng)要求。

2 工程維護(hù)與管理

新型自動(dòng)氣象站在每年雷雨季節(jié)前應(yīng)對接地系統(tǒng)進(jìn)行檢查和維護(hù)。主要對接地電阻進(jìn)行復(fù)測，檢查連接處是否銹蝕，避雷器是否運(yùn)行正常。必要時(shí)應(yīng)開挖基礎(chǔ)抽查地網(wǎng)銹蝕情況，如發(fā)現(xiàn)問題，應(yīng)及時(shí)處理。

3 結(jié)語

新型自動(dòng)氣象站觀測場室的防雷工程是一項(xiàng)比較復(fù)雜的系統(tǒng)工作，必須綜合應(yīng)用現(xiàn)有的防雷技術(shù)，而不局限于QX 30—2004的條款要求，不斷完善，采取有效的防雷措施，保障新型自動(dòng)氣象站的正常運(yùn)行。

［1］ GB 50057—2010 建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［2］ QX 30—2004 自動(dòng)氣象站場室防雷技術(shù)規(guī)范［S］.

［3］ SH/T 3164—2012 石油化工儀表系統(tǒng)防雷設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［4］ YD 5098—2005 通信局(站)防雷接地工程設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［5］ QX 2—2000 新一代天氣雷達(dá)站防雷技術(shù)規(guī)范［S］.