淺談氣象觀測(cè)站設(shè)備的防雷問(wèn)題

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摘 要：近幾年，自動(dòng)氣象站正逐漸在城鄉(xiāng)布設(shè)，因觀測(cè)環(huán)境條件的要求，自動(dòng)氣象站大多建于野外空曠地帶，其供電線和通信線又大多是架空線路，測(cè)風(fēng)桿（塔）成為孤立高聳物，容易遭受雷擊。所以，搞好自動(dòng)氣象站的防雷，確保自動(dòng)站的設(shè)備和附近人員的安全，保障自動(dòng)站設(shè)備的正常業(yè)務(wù)運(yùn)行很重要。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)氣象觀測(cè)站；防雷；防護(hù)

雷電是一種氣象災(zāi)害，它分為直接雷擊和雷擊電磁脈沖（LEMP）干擾兩大部分。直擊雷（云地閃）的危害主要是會(huì)造成建筑物的損壞燃燒和人員傷亡。而云地放電和云間放電產(chǎn)生的雷擊電磁脈沖輻射將在一定范圍內(nèi)使得地面上的一些導(dǎo)體、半導(dǎo)體產(chǎn)生高達(dá)上千伏感應(yīng)電壓，它們通過(guò)各類導(dǎo)線和金屬導(dǎo)體侵入造成事故。各類避雷針（帶）只能防直擊雷，對(duì)感應(yīng)雷擊則無(wú)能為力。雷擊電磁脈沖的防護(hù)只能通過(guò)等電位連接、屏蔽、合理布線、正確可靠的接地和安裝各類浪涌保護(hù)器件來(lái)進(jìn)行有效的防護(hù)隨著科技的進(jìn)步和氣象現(xiàn)代化建設(shè)的發(fā)展，近幾年，自動(dòng)氣象站正逐漸在城鄉(xiāng)布設(shè)，因觀測(cè)環(huán)境條件的要求，自動(dòng)氣象站大多建于野外空曠地帶，其供電線和通信線又大多是架空線路，測(cè)風(fēng)桿（塔）成為孤立高聳物，容易遭受雷擊。我省有的站甚至一年內(nèi)多次遭受到雷電侵襲。

一、雷電的成因及主要形式

根據(jù)大量科學(xué)測(cè)試可知，地球上空存在一個(gè)帶正電的電離層，與大地之間形成一個(gè)已充電的電容器，場(chǎng)強(qiáng)為上正下負(fù)。當(dāng)?shù)孛婧羝目諝馐艿降孛婧婵臼軣嵘仙?，或者溫暖潮濕的空氣與冷空氣相遇而被墊高都會(huì)產(chǎn)生向上的氣流。上升氣流溫度逐漸下降形成水成物（雨滴、冰雹），并由于地球靜電場(chǎng)的作用而被極化，負(fù)電荷在上，正電荷在下，它們受重力作用落下與云粒子發(fā)生碰撞，其結(jié)果是云粒子帶走了水成物前端的部分正電荷，從而使水成物帶上負(fù)電。持續(xù)碰撞的結(jié)果使帶正電的云粒子在云的上部，而帶負(fù)電荷的水成物在云的下部。

當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到足夠高（25～30kV/cm）時(shí)將引起雷云間的強(qiáng)烈放電，或是雷云中的內(nèi)部放電，或是雷云對(duì)地放電，即所謂的雷電。雷電按其作用形式主要分為直擊雷和感應(yīng)雷。直擊雷所造成的危害很直觀，一般會(huì)引起火災(zāi)、燃燒等。主要靠加裝避雷針、避雷線、避雷帶、避雷網(wǎng)等來(lái)防護(hù)。感應(yīng)雷沒(méi)有直擊雷那么猛烈，但它發(fā)生的幾率比直擊雷高得多。不論是雷云間閃擊或雷云對(duì)地閃擊，都有可能發(fā)生感應(yīng)雷而形成電磁場(chǎng)，當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度到達(dá)一定水平將會(huì)對(duì)電氣設(shè)備的集成電路造成暫時(shí)的、甚至永久性的損壞，影響電子設(shè)備的穩(wěn)定性，令通訊設(shè)備的傳輸信號(hào)失真等。因此對(duì)于自動(dòng)控制系統(tǒng)而言，更應(yīng)該關(guān)注如何有效防止感應(yīng)雷，避免（減少）感應(yīng)雷引起的損害。

二、防雷措施

（一）防直擊雷措

施觀測(cè)站（含觀測(cè)場(chǎng)）地處南方多雷區(qū)，觀測(cè)場(chǎng)又屬于露天作業(yè)場(chǎng)所，參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50057-1994（2000版）的要求，將該觀測(cè)站提高一個(gè)等級(jí)來(lái)安裝防直擊雷設(shè)施，所有防直擊措施參照第二類防雷建筑物的要求設(shè)計(jì)。

在觀測(cè)場(chǎng)兩旁離開(kāi)3m處設(shè)置雙支等高避雷針，針高為20.0m，對(duì)觀測(cè)場(chǎng)露天作業(yè)場(chǎng)所區(qū)域作防直擊雷防護(hù)。按照滾球法，保護(hù)高度按4m計(jì)算，得出避雷針在4m高處的的保護(hù)范圍。

辦公樓為一層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)建筑，根據(jù)規(guī)范要求設(shè)置避雷帶（網(wǎng)）、引下線和接地裝置，施工工藝、接地電阻達(dá)到規(guī)范要求。

（二）防雷電感應(yīng)及雷電波侵入措施

1.機(jī)房防雷電感應(yīng)及雷電波侵入措施：機(jī)房地板采用防靜電地板，并于地板下面采用-25×4扁銅設(shè)置不大于1m×1m的等電位連接帶，機(jī)房?jī)?nèi)的設(shè)備、機(jī)架和機(jī)柜等就近與等電位連接帶連通接地。等電位連接的目的在于減少設(shè)備和各種系統(tǒng)間的電位差。

2.電源線路：電源線路的防護(hù)措施主要是在電源線路上安裝電源電涌保護(hù)器（SPD），當(dāng)有雷擊發(fā)生時(shí)將雷電流泄放入地，并將線路上的瞬間過(guò)電壓限制在一個(gè)安全的水平。根據(jù)歷史資料統(tǒng)計(jì)，在雷擊損壞設(shè)備的事故中，有70%以上是從供電線路侵入的。因此，對(duì)電源線路實(shí)施多級(jí)防雷保護(hù)是觀測(cè)站防雷措施中的重要環(huán)節(jié)。電源系統(tǒng)的防雷措施并非簡(jiǎn)單地應(yīng)用SPD保護(hù)器件，而是要根據(jù)電磁兼容（EMC）原理，根據(jù)雷電保護(hù)區(qū)的劃分，對(duì)一個(gè)需要保護(hù)的電源系統(tǒng)進(jìn)行綜合的多級(jí)保護(hù)。觀測(cè)站的電源線路安裝三級(jí)SPD，將因雷擊產(chǎn)生的高電壓、強(qiáng)電流泄放入地，對(duì)后端的用電設(shè)備進(jìn)行保護(hù)。

3.信號(hào)線路：應(yīng)建設(shè)單位要求，考慮觀測(cè)站的特殊情況，在數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和精確度方面要求很高，因此信號(hào)線路上的防雷措施主要采用屏蔽和接地的方式，對(duì)信號(hào)線路作防雷保護(hù)。

具體做法為：主機(jī)服務(wù)器與室外遙測(cè)站終端之間的信號(hào)線路全程采用屏蔽電纜，電纜兩端接地，并全程套鋼管埋地敷設(shè)，鋼管的兩端和中間接頭部位也要做接地處理。觀測(cè)站主機(jī)服務(wù)器與氣象臺(tái)計(jì)算機(jī)機(jī)房的通信由于采用的是光纖通信，只需要對(duì)觀測(cè)站主機(jī)服務(wù)器端的光端機(jī)做接地處理。

4.接地處理：接地問(wèn)題是建筑物強(qiáng)電和弱電系統(tǒng)的普遍性問(wèn)題，接地按其作用可分為功能性接地和保護(hù)性接地兩大類，而接地方式可分為獨(dú)立接地和聯(lián)合接地兩種。現(xiàn)今電子設(shè)備獨(dú)立接地的做法已經(jīng)不被先進(jìn)的國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)及國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織所推薦。如美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《IEEE Std-1100-1992》中明確指出，“不建議采用分開(kāi)的、獨(dú)立的、干凈的、計(jì)算機(jī)的、電子設(shè)備這類不正確的大地接地體”。因此，觀測(cè)站的接地方式應(yīng)除獨(dú)立避雷針外，采用綜合接地系統(tǒng)，即聯(lián)合接地，與防直擊雷接地系統(tǒng)共用，其接地電阻應(yīng)≤1Ω。若達(dá)不到要求，必須采用其它降阻措施，使接地電阻≤1Ω。

觀測(cè)場(chǎng)的避雷針設(shè)置單獨(dú)的接地裝置。

觀測(cè)場(chǎng)內(nèi)設(shè)置接地網(wǎng)，并與辦公樓接地裝置連通，觀測(cè)場(chǎng)各設(shè)備的外殼、信號(hào)線路的電纜屏蔽層就近與接地網(wǎng)連通。

辦公樓設(shè)置周圈式地網(wǎng)，并引至室內(nèi)電源電涌保護(hù)器（SPD）的安裝位置和計(jì)算機(jī)機(jī)房?jī)?nèi)的等電位連接帶，并在電源電涌保護(hù)器（SPD）的安裝位置設(shè)置接地匯流排，供SPD接地。

接地裝置的材料采用-40×4鍍鋅扁鋼和∠50×50×5鍍鋅角鋼，在有行人行走、通過(guò)的地方，應(yīng)采取防跨步電壓的措施。

三、結(jié)論

自動(dòng)氣象站的防雷措施應(yīng)采取綜合防雷措施，就是對(duì)自動(dòng)站系統(tǒng)進(jìn)行層層設(shè)防，綜合治理，堅(jiān)持用“接閃、屏蔽、等電位連接、均壓、分流、限壓、接地”等措施進(jìn)行綜合防雷。應(yīng)用上述綜合防雷方法，經(jīng)業(yè)務(wù)運(yùn)行，設(shè)備運(yùn)行情況良好，沒(méi)有再出現(xiàn)設(shè)備遭雷擊損壞，造成自動(dòng)站觀測(cè)中斷的事故。這表明對(duì)自動(dòng)站采取綜合防雷方法是有效可行的，可以收到良好的防雷效果。

參考文獻(xiàn)：

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