林奕峰,陳瀟
(廣州市黃埔區(qū)氣象局,廣東廣州 510730)
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自動(dòng)化觀測(cè)場(chǎng)防雷標(biāo)準(zhǔn)中亟需改進(jìn)的防雷措施
林奕峰,陳瀟
(廣州市黃埔區(qū)氣象局,廣東廣州 510730)
摘 要:通過(guò)對(duì)比《自動(dòng)氣象站場(chǎng)室防雷技術(shù)規(guī)范》(QX30 -2004)和《地面氣象觀測(cè)場(chǎng)(室)防雷技術(shù)規(guī)范》(GBT 31162 -2014)等與蘿崗氣象觀測(cè)場(chǎng)整改后現(xiàn)有防雷保護(hù)措施,采用分析計(jì)算技術(shù)手段進(jìn)行分析,指出《自動(dòng)氣象站場(chǎng)室防雷技術(shù)規(guī)范》(QX30 -2004)中“風(fēng)桿可作避雷針的條款”、“觀測(cè)場(chǎng)可不設(shè)單獨(dú)避雷針進(jìn)行保護(hù)的條款”、“防雷與設(shè)備共用地條款”存在的防雷隱患及風(fēng)險(xiǎn),提出了加強(qiáng)觀測(cè)場(chǎng)防雷保護(hù)的措施。
關(guān)鍵詞:雷電防御;自動(dòng)化觀測(cè)場(chǎng);綜合防雷
林奕峰,陳瀟.自動(dòng)化觀測(cè)場(chǎng)防雷標(biāo)準(zhǔn)中亟需改進(jìn)的防雷措施[J].廣東氣象,2016,38(3):58 -61.
目前廣東省氣象部門實(shí)現(xiàn)了基本氣象要素自動(dòng)采集和傳輸,一批自動(dòng)化觀測(cè)裝備和現(xiàn)代光纖、電纜應(yīng)用于觀測(cè)場(chǎng)。根據(jù)地面氣象觀測(cè)規(guī)范的要求,觀測(cè)場(chǎng)周圍的建筑物或構(gòu)筑物的高度有嚴(yán)格限制,觀測(cè)場(chǎng)的暴露性明顯,其受雷擊概率增加;另一方面自動(dòng)化觀測(cè)設(shè)備抗雷電干擾能力差,表現(xiàn)在采集器工作電壓低,其直流工作電壓在12 V左右,集成電路容易被雷電擊穿,脆弱性顯著。由于觀測(cè)場(chǎng)的暴露性和觀測(cè)設(shè)備抗雷電干擾的脆弱性,亟需提高觀測(cè)場(chǎng)的防雷保護(hù)措施,確保自動(dòng)化觀測(cè)設(shè)備正常采集氣象要素?cái)?shù)據(jù)。對(duì)一些觀測(cè)場(chǎng)已依照《自動(dòng)氣象站場(chǎng)室防雷技術(shù)規(guī)范》(QX30 - 2004)和《地面氣象觀測(cè)場(chǎng)(室)防雷技術(shù)規(guī)范》(GBT 31162 -2014)等進(jìn)行防雷,但在實(shí)際中又經(jīng)常遭受雷擊而損壞觀測(cè)設(shè)備的現(xiàn)象,可以檢查是否有風(fēng)桿作為接閃器、是否單設(shè)避雷針、是否防雷與設(shè)備共用接地等情況,并改進(jìn)防雷措施,避免或減少雷電活動(dòng)對(duì)觀測(cè)場(chǎng)造成損害。
蘿崗觀測(cè)場(chǎng)是國(guó)家基本站和一級(jí)輻射觀測(cè)站,遷建后于2010年1月1日開(kāi)始正式觀測(cè),代表廣州市進(jìn)行全球氣象數(shù)據(jù)交換,2013年初被確定為全國(guó)8個(gè)氣象觀測(cè)自動(dòng)化改革試點(diǎn)站之一,2013年8月開(kāi)始實(shí)現(xiàn)了包括云、能、天在內(nèi)的氣象要素觀測(cè)自動(dòng)化。2011年7月份遭受嚴(yán)重雷擊,觀測(cè)場(chǎng)所有電氣電子裝置受損,自動(dòng)采集停止,啟動(dòng)了人工觀測(cè)應(yīng)急。在損壞點(diǎn)排查和修復(fù)過(guò)程中,出現(xiàn)雷擊損壞點(diǎn)多、修理復(fù)雜且耗時(shí)長(zhǎng)等現(xiàn)象,嚴(yán)重影響測(cè)報(bào)質(zhì)量。觀測(cè)場(chǎng)雷擊后進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)勘查和事故分析,用現(xiàn)行氣象觀測(cè)場(chǎng)防雷技術(shù)規(guī)范進(jìn)行了比對(duì),發(fā)現(xiàn)與雷擊關(guān)聯(lián)的防雷保護(hù)措施仍有待改進(jìn),存在的主要問(wèn)題是:避雷針接地體與電氣接地體多處相接,即共用;風(fēng)桿作為接閃器;避雷針保護(hù)范圍不能覆蓋觀測(cè)場(chǎng);避雷針接地體與電氣接地體安全距離不符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求;浪涌保護(hù)器級(jí)間能量配合不佳及殘壓高等。通過(guò)對(duì)存在主要問(wèn)題的整改并于2011年底改造完成,雖然觀測(cè)場(chǎng)的避雷針每年都受幾次雷擊,但觀測(cè)場(chǎng)內(nèi)自動(dòng)化設(shè)備和人員沒(méi)有出現(xiàn)受害,防雷保護(hù)措施取得顯著效果。
2.1風(fēng)桿接閃后的危害
地面氣象觀測(cè)規(guī)范中規(guī)定觀測(cè)場(chǎng)面積為25 000 mm×25 000 mm,接地網(wǎng)沿著電纜溝(排水溝)布設(shè),《自動(dòng)氣象站場(chǎng)室防雷技術(shù)規(guī)范》(QX30 -2004)和《地面氣象觀測(cè)場(chǎng)(室)防雷技術(shù)規(guī)范》(GBT 31162 -2014)允許風(fēng)桿作為接閃器并與觀測(cè)場(chǎng)接地網(wǎng)共用地。風(fēng)桿接閃后的電位差公式為:
UR= UR+ UL= I·Ri+ L0·di/ dt[1]
其中I為雷電流幅值(kA);Ri接地電阻(Ω);L0為引下線單位長(zhǎng)度電感(H/ m);di/ dt為雷電流陡度(kA/μs)。由于一方面接地網(wǎng)格間距大,分流和均壓效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于建筑物的鋼筋地網(wǎng),另一方面雷電脈沖頻普多樣性,會(huì)在環(huán)路地網(wǎng)產(chǎn)生其開(kāi)路最大感應(yīng)電壓[1]。風(fēng)桿電位差產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)瞬間引起接地網(wǎng)地電位急升并疊加上電感電壓,這樣會(huì)很容易傳導(dǎo)至設(shè)備的接地線造成反擊而損害設(shè)備[2](圖1),這也是防雷與設(shè)備共用地在格柵大的人工接地體或小面積建筑物鋼筋接地體的弊病,因此,風(fēng)桿可作為接閃器的防雷保護(hù)措施是較為危險(xiǎn)的。
圖1 地電位升高示意圖
以蘿崗觀測(cè)場(chǎng)雷電活動(dòng)情況作進(jìn)一步分析:蘿崗觀測(cè)場(chǎng)位于丘陵地區(qū)的一個(gè)小山坡上,利用廣東省閃電定位系統(tǒng)對(duì)觀測(cè)場(chǎng)位置進(jìn)行定點(diǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),2011年觀測(cè)場(chǎng)周邊半徑1 000 m范圍內(nèi)合計(jì)發(fā)生云地閃83個(gè),主要集中在4 -10月,尤其以5—8月為盛[3],其中6月半徑1 000 m范圍內(nèi)錄得32次云地閃,雷電強(qiáng)度極值出現(xiàn)在7月10日,雷電流強(qiáng)度達(dá)到75.8 kA。2011年7月16日18:00—20:00觀測(cè)場(chǎng)雷電流強(qiáng)度為- 5.3 kA(圖2)。以雷電流I = -5.3 kA代入電位差公式得出當(dāng)時(shí)地網(wǎng)瞬間的高電位U = UR+ U∝/ max≥5 300 RiV(Ri>0),高電位通過(guò)接地線足以擊穿或燒毀觀測(cè)場(chǎng)設(shè)備的電路,事實(shí)也證明這一點(diǎn)。2.2 防雷接地體與設(shè)備接地裝置共地的問(wèn)題
圖2 2011年7月16日蘿崗區(qū)云地閃分布
防雷接地體與設(shè)備接地裝置共地是保障2個(gè)接地體之間不產(chǎn)生電位差,防止反擊現(xiàn)象的發(fā)生,簡(jiǎn)單用導(dǎo)體連接就完成了共地,這是片面理解共地技術(shù)應(yīng)用的含義。觀測(cè)場(chǎng)地網(wǎng)是沿排水溝(電纜溝)進(jìn)行敷設(shè),地網(wǎng)網(wǎng)格尺寸大且面積小,因此地網(wǎng)的分流和均壓效果不明顯,雷電流容易在地網(wǎng)形成瞬間高電位,當(dāng)觀測(cè)場(chǎng)接地體有雷電流進(jìn)入,共地技術(shù)雖然消除了防雷地與設(shè)備地之間的電位差,但此時(shí)設(shè)備或電源接地線所連接的電子集成模塊的電子電路瞬間的電位差無(wú)法消除,由于集成模塊電子電路的間隙非常小,接地線瞬間的高電位很容易擊穿電子電路間隙而損壞設(shè)備。同樣道理,觀測(cè)場(chǎng)的電子監(jiān)控設(shè)備也受損壞。
自動(dòng)觀測(cè)場(chǎng)是置于露天的一個(gè)集許多電子設(shè)備于一體的探測(cè)場(chǎng)所,在防御雷電損害方面表現(xiàn)出很強(qiáng)的暴露性和脆弱性弱點(diǎn),防雷保護(hù)措施必須可靠、科學(xué)、安全,這樣才能保證探測(cè)設(shè)備正常采集氣象數(shù)據(jù),任何一點(diǎn)漏洞都可能是雷擊隱患,故建議氣象觀測(cè)場(chǎng)無(wú)論是位于雷暴活動(dòng)強(qiáng)烈地區(qū)還是一般地區(qū),都不應(yīng)當(dāng)采用防雷與設(shè)備共地技術(shù),而是要使防雷接地體與觀測(cè)場(chǎng)設(shè)備接地體安全分開(kāi),甚至兩地之間要采用屏蔽隔離措施。例如蘿崗觀測(cè)場(chǎng)特種氣象觀測(cè)設(shè)備接地體與避雷針相距3 m左右,原來(lái)設(shè)計(jì)是共用接地體,經(jīng)過(guò)多次雷擊事故后,采取了設(shè)備接地體與防雷接地體斷開(kāi)措施[4],并且在2個(gè)接地體之間采取隔離和屏蔽措施(圖3),效果好。圖3具體處理方法示意圖:避雷針距設(shè)備地網(wǎng)為3 m,為實(shí)現(xiàn)有效地隔離和屏蔽地電位反擊,在避雷針西北側(cè)50 cm處敷設(shè)長(zhǎng)度為8 600 mm、高度為600 mm、寬度為150 mm的瀝青隔離層(含長(zhǎng)度為8 600 mm、高度為600 mm、厚度1 mm屏蔽鋼板的電磁屏蔽層)。同時(shí)更換風(fēng)廓線雷達(dá)周邊35 m鍍鋅鋼管,進(jìn)行電源、信號(hào)線屏蔽處理。
圖3 防雷接地體屏蔽示意圖
2.3觀測(cè)場(chǎng)不設(shè)單獨(dú)避雷針的危害
《自動(dòng)氣象站場(chǎng)室防雷技術(shù)規(guī)范》中對(duì)觀測(cè)場(chǎng)進(jìn)行分級(jí)防雷保護(hù),允許風(fēng)桿作為接閃器來(lái)作防雷保護(hù),在風(fēng)桿防雷覆蓋范圍內(nèi)可不設(shè)單獨(dú)避雷針進(jìn)行保護(hù),這一條款的弊端上述已經(jīng)進(jìn)行了介紹,在觀測(cè)場(chǎng)防雷等級(jí)劃分方面,直接雷防護(hù)不適宜分級(jí),并且風(fēng)桿也不適宜直接作為接閃器,觀測(cè)場(chǎng)不論屬于哪個(gè)級(jí)別,都應(yīng)當(dāng)設(shè)置單獨(dú)避雷針進(jìn)行保護(hù),而且避雷針與觀測(cè)場(chǎng)應(yīng)該分設(shè)接地網(wǎng),兩者在地中需有足夠的安全距離S≥0.4Ri(Ri為防雷接地網(wǎng)沖擊接地電阻),且不得<3 m,有條件最好達(dá)到15~20 m安全距離。
雷電對(duì)丘陵地區(qū),特別是空曠地區(qū)的氣象探測(cè)設(shè)備的損害途徑是多方面的。本研究主要對(duì)地處丘陵地帶的自動(dòng)氣象站場(chǎng)遭受雷擊損害可能的侵入途徑作了初步的分析,同時(shí)對(duì)自動(dòng)氣象站場(chǎng)的防雷保護(hù)技術(shù)進(jìn)行了相應(yīng)的介紹,提出現(xiàn)行自動(dòng)化觀測(cè)場(chǎng)防雷標(biāo)準(zhǔn)中亟需改進(jìn)措施。需要說(shuō)明的是,防雷保護(hù)是一個(gè)比較復(fù)雜的問(wèn)題,自動(dòng)觀測(cè)場(chǎng)是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)應(yīng)用的電子場(chǎng)所,《自動(dòng)氣象站場(chǎng)室防雷技術(shù)規(guī)范》是一個(gè)最基本的防護(hù)標(biāo)準(zhǔn),也不是一成不變,應(yīng)該根據(jù)自動(dòng)觀測(cè)場(chǎng)出現(xiàn)的雷擊事故,認(rèn)真分析,科學(xué)糾正標(biāo)準(zhǔn)中的錯(cuò)誤措施,使自動(dòng)觀測(cè)場(chǎng)在安全下運(yùn)作。
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中圖分類號(hào):P48
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A
doi:10.3868/ j.issn.1007 -6180.2016.03.015
收稿日期:2015 -07 -28
作者簡(jiǎn)介:林奕峰(1868年生),男,學(xué)士,工程師,主要從事防雷減災(zāi)工作。E - mail:qxlinyifeng@126.com