武漢國家基本氣象觀測站的雷電防護(hù)探討

王義琴，王凱峰，劉學(xué)春，金 敏 (湖北省武漢市氣象局，湖北武漢430040)

隨著氣象觀測站的自動(dòng)化進(jìn)程，越來越多的電子儀器設(shè)備投入使用，各種信息設(shè)備應(yīng)用的范圍之廣、品種之多、數(shù)量之大是前所未有的。然而以微電子技術(shù)為基礎(chǔ)的電子信息設(shè)備因其集成度高、工作電壓低、運(yùn)算速度快，其耐過電壓、過電流和抗雷擊電磁脈沖(1ightning Electromagnetic impulse，LEMP)的能力差，極易遭受雷電的危害。雷擊后產(chǎn)生的高電壓和電磁脈沖［1］所產(chǎn)生的熱效應(yīng)、電磁效應(yīng)會(huì)對系統(tǒng)和設(shè)備造成永久性損壞，造成設(shè)備損壞、數(shù)據(jù)缺失等。因此，電子信息系統(tǒng)的防雷是至關(guān)重要的［2－3］。

2014年5月16日、6月20～21日，某氣象衛(wèi)星地面站B站區(qū)連續(xù)遭受強(qiáng)雷電襲擊，造成風(fēng)云三號(hào)衛(wèi)星資料接收設(shè)備故障，業(yè)務(wù)運(yùn)行中斷，對汛期氣象服務(wù)保障造成了一定影響。中國氣象局對此高度重視，要求全國氣象部門深刻吸取事故教訓(xùn)，進(jìn)一步加強(qiáng)管理，嚴(yán)防重大事故發(fā)生。為了確保武漢國家基本氣象觀測站業(yè)務(wù)的正常運(yùn)行，筆者在此對其雷電防護(hù)狀況［3］進(jìn)行了全面的調(diào)查。

1 觀測站概況

1.1 基本情況 武漢國家基本氣象觀測站開展地面氣象要素和太陽輻射、酸雨觀測，探空氣象觀測，按時(shí)獲取準(zhǔn)確、真實(shí)的第一手氣象資料并進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸;根據(jù)綜合觀測體系建設(shè)的要求，承擔(dān)雷電、風(fēng)廓線、GPS水汽和風(fēng)等建設(shè)和監(jiān)測任務(wù);同時(shí)承擔(dān)了地面、高空等加密觀測任務(wù)，開展重大天氣聯(lián)防及暴雨等外場科學(xué)試驗(yàn)和新儀器的試驗(yàn)觀測。目前觀測站安裝的儀器包括自動(dòng)氣象站、L波段探空雷達(dá)、方艙式邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)、電離層測高儀、電離層閃爍儀、閃電定位儀、大氣電場儀、微波輻射計(jì)、激光雨滴譜儀、大氣負(fù)離子監(jiān)測儀、方艙式大氣成分站、便攜式自動(dòng)氣象站、自動(dòng)土壤水分觀測站、紫外線觀測儀等。武漢國家基本氣象觀測站是國內(nèi)為數(shù)不多的觀測范圍涵蓋了太空、高空及地面的氣象觀測站。

1.2 存在的風(fēng)險(xiǎn) 觀測站位于武漢市東西湖區(qū)慈惠農(nóng)場，南臨漢江，北靠107國道。武漢市東西湖區(qū)地處北半球中緯度地帶，屬北亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，光照充足，雨量充沛，水源豐富，四季分明。根據(jù)武漢市1961～2012年氣象觀測資料統(tǒng)計(jì)，年均雷暴日數(shù)為31.67 d，屬于中雷區(qū)，雷電活動(dòng)較為頻繁。同時(shí)觀測站所在地地勢開闊，周圍覆蓋農(nóng)田，地下水豐富，附近無高層建筑物。因此觀測站容易遭受雷擊，從而導(dǎo)致人員傷亡，造成儀器損壞，觀測業(yè)務(wù)不能正常運(yùn)行［4］。

2 觀測站的雷電防護(hù)措施

武漢國家基本氣象觀測站由兩層的綜合業(yè)務(wù)值班樓、地面觀測場、氫氣房等組成。其電源進(jìn)線電壓等級(jí)為220/380V，從室外變配電房直埋引入綜合業(yè)務(wù)值班樓的配電房。低壓進(jìn)線電纜、一般照明、插座支線及應(yīng)急照明支線均采用屏蔽導(dǎo)線穿鋼管敷設(shè)。綜合業(yè)務(wù)值班樓按照第三類防雷建筑物進(jìn)行設(shè)計(jì)，采取了防直擊雷和防閃電電涌侵入的措施，并設(shè)置總等電位聯(lián)結(jié)。值班樓的屋頂采用Φ10熱鍍鋅圓鋼作接閃帶沿女兒墻敷設(shè)并布設(shè)了接閃網(wǎng)，利用建筑物鋼筋混凝土柱內(nèi)主筋通長焊接作為引下線，利用建筑物基礎(chǔ)地梁上的上下兩層鋼筋中的主筋通長焊接形成基礎(chǔ)接地網(wǎng)。突出屋面的所有金屬構(gòu)件均與接閃帶可靠焊接。進(jìn)出建筑物的各種金屬管道、穿線鋼管、電纜的金屬外皮等在其進(jìn)出處與防雷接地裝置就近相連。低壓配電系統(tǒng)的接地型式為TN－C－S系統(tǒng)。PEN在進(jìn)戶處做重復(fù)接地，與防雷接地共用接地極。防雷接地、電氣設(shè)備的保護(hù)接地聯(lián)結(jié)接地共用基礎(chǔ)鋼筋。一切電氣設(shè)備金屬外殼均可靠接地。總等電位板設(shè)置在電纜及設(shè)備管道進(jìn)出建筑物等處，建筑物內(nèi)保護(hù)干線、設(shè)備進(jìn)線總管、各金屬構(gòu)件等進(jìn)行總等電位聯(lián)結(jié)。衛(wèi)生間采用局部等電位聯(lián)結(jié)。配電房內(nèi)設(shè)有I級(jí)電源浪涌保護(hù)器(SPD)，一樓機(jī)房的電源線路進(jìn)線處設(shè)有II級(jí)電源浪涌保護(hù)器(SPD)。

除了綜合業(yè)務(wù)值班內(nèi)的電子設(shè)備，其他室外觀測儀器遍布地面觀測場、綜合業(yè)務(wù)值班樓二樓屋面及觀測站內(nèi)室外空地，這些設(shè)備均采取防雷接地措施，分別與值班樓屋面接閃帶或觀測場地網(wǎng)可靠連接。目前觀測站內(nèi)共布設(shè)8根接閃桿，其中3根接閃桿布設(shè)在L波段探空雷達(dá)天線旁，3根接閃桿布設(shè)在電離層測高儀的天線塔頂部，還有2根接閃桿布設(shè)在2根風(fēng)桿上。L波段探空雷達(dá)位于綜合業(yè)務(wù)值班屋面，分布在其周圍的接閃桿用扁鋼就近連接接閃帶;電離層測高儀位于觀測站內(nèi)的空地上，置于天線塔頂部的接閃桿由獨(dú)立引下線引下接地;風(fēng)桿位于地面觀測場內(nèi)，風(fēng)桿上接閃桿引下線沿風(fēng)桿拉繩入地。目前，僅自動(dòng)土壤水分觀測站和便攜式自動(dòng)氣象站通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸，其他室外觀測儀器分別通過光纜和通信電纜穿管埋地引入綜合業(yè)務(wù)值班樓機(jī)房。

3 綜合業(yè)務(wù)值班樓的雷電防護(hù)等級(jí)

根據(jù)GB 50343－2012《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》中的方法，按觀測站綜合業(yè)務(wù)樓防雷裝置的攔截效率來確定其雷電防護(hù)等級(jí)［5］。計(jì)算綜合業(yè)務(wù)值班樓的防雷裝置攔截效率E，即 E=1 －NC/N、N=N1+N2，式中，N1為建筑物年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù);N2為建筑物入戶設(shè)施年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)，NC為建筑物電子信息系統(tǒng)設(shè)備因直接雷擊和雷電電磁脈沖可能造成損壞，可接受的年平均最大雷擊次數(shù);N為建筑物及入戶設(shè)施年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)。

綜合業(yè)務(wù)值班樓屬于曠野孤立的建筑物，電源線低壓埋地引入，信號(hào)線埋地引入。其主體結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土材料，樓內(nèi)信息系統(tǒng)按信息系統(tǒng)重要程度劃分為B類電子信息系統(tǒng)，設(shè)備耐沖擊類型和抗沖擊過電壓能力相當(dāng)弱，及所在地東西湖區(qū)的年平均雷暴日為31.67 d等。根據(jù)這些條件，可以計(jì)算出防雷裝置攔截效率E為0.99，電子信息系統(tǒng)雷電防護(hù)等級(jí)為A級(jí)。

4 地面觀測場的直接雷防護(hù)

地面觀測場為東西方向邊長25 m和南北方向邊長35 m的長方形，其內(nèi)最高物體為2根10 m高的風(fēng)桿。觀測場的直擊雷防護(hù)主要通過安裝在風(fēng)桿上的接閃桿來實(shí)現(xiàn)。觀測場的2根風(fēng)桿分別置于離觀測場北邊邊緣護(hù)欄3.5 m和東西邊邊緣護(hù)欄3.5 m處。在距風(fēng)桿頂端設(shè)置接閃桿，總高度為11 m。

根據(jù)GB 50057－2010《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》中的方法，兩支等高接閃桿的保護(hù)范圍，在接閃桿高度h＜hr的情況下，當(dāng)兩支接閃桿距離D＜2［h(2hr－h(huán))］1/2時(shí)，在地面每側(cè)的最小保護(hù)寬度為:b0=［h(2hr－h(huán))－(D/2)2］1/2，式中，h為接閃桿高度;hr為滾球半徑。按照二類建筑物防雷設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算得到的接閃桿最小保護(hù)寬度為28 m。由于儀器距觀測場邊緣護(hù)欄有不小于3 m的布置要求，所以整個(gè)觀測場內(nèi)的所有儀器均處于風(fēng)桿上接閃桿有效保護(hù)范圍內(nèi)［6］。

5 觀測站的雷電防護(hù)建議

根據(jù)武漢國家基本氣象觀測站自身特性，其危害主要分為直擊雷的危害和雷擊電磁脈沖的危害。根據(jù)QX 30－2004《自動(dòng)氣象站場室防雷技術(shù)規(guī)范》的自動(dòng)氣象站場室防雷等級(jí)劃分，武漢國家基本氣象觀測站的防雷等級(jí)為一級(jí)，綜合業(yè)務(wù)值班樓的防雷設(shè)計(jì)應(yīng)符合第二類防雷建筑物的要求。雷電防護(hù)等級(jí)為A級(jí)時(shí)，應(yīng)在電源系統(tǒng)采用4級(jí)浪涌保護(hù)器(SPD)保護(hù)，在信號(hào)系統(tǒng)采用3級(jí)浪涌保護(hù)器(SPD)保護(hù)。在自動(dòng)氣象觀測站，經(jīng)常被直擊雷擊中的主要是突出物，如風(fēng)桿。目前整個(gè)觀測場內(nèi)的已安裝儀器均處于風(fēng)桿上接閃桿有效保護(hù)范圍內(nèi)，未來觀測場所需安裝的儀器也應(yīng)置于風(fēng)桿接閃桿最小保護(hù)寬度內(nèi)。

6 結(jié)論

武漢國家基本氣象觀測站內(nèi)的建筑物及室外儀器設(shè)備，雖然已采取了一些防雷安全措施，但與現(xiàn)行的國家、行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、當(dāng)?shù)貙?shí)際雷擊環(huán)境和設(shè)備的要求仍有差距，存在雷擊安全隱患。綜合業(yè)務(wù)值班樓目前按照第三類防雷建筑物采取防雷措施，應(yīng)將其防雷措施提升為符合第二類防雷建筑物的設(shè)計(jì)要求。綜合業(yè)務(wù)值班樓目前僅在電源系統(tǒng)采用2級(jí)浪涌保護(hù)器(SPD)保護(hù)，應(yīng)采取4級(jí)電源浪涌保護(hù)器(SPD)保護(hù)，并增設(shè)信號(hào)浪涌保護(hù)器(SPD)。確保地面觀測場內(nèi)所有新增的儀器置于風(fēng)桿接閃桿最小保護(hù)范圍內(nèi)。

觀測站的防雷建設(shè)是一項(xiàng)比較復(fù)雜的系統(tǒng)工程，綜合保護(hù)技術(shù)與措施仍需加強(qiáng)，從而實(shí)現(xiàn)全方位阻止雷電的入侵，把雷擊造成的損失降到最低，保障觀測站業(yè)務(wù)的正常運(yùn)行。

［1］中國機(jī)械工業(yè)聯(lián)合會(huì).建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范 GB 50057－2010［S］.北京:中國計(jì)劃出版社，2010.

［2］建設(shè)部標(biāo)準(zhǔn)定額研究所.建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范GB 50343－2012［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2012.

［3］王立，張建忠，馮海霞.電子信息系統(tǒng)的雷電防護(hù)［J］.青海氣象，2005(S1):46 －49.

［4］云利利，羅天福.淺談自動(dòng)氣象觀測站的雷電防護(hù)［J］.氣象研究與應(yīng)用，2012，33(S1):351 －352.

［5］王學(xué)良，顏海.電子信息系統(tǒng)雷擊風(fēng)險(xiǎn)評估及其防護(hù)措施［J/OL］.中國雷電與防護(hù)(網(wǎng)絡(luò)版)http://www.docin.com/p_46342519.html.

［6］中國氣象局.自動(dòng)氣象站場室防雷技術(shù)規(guī)范QX 30－2004［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2004.