黃仁立，韋華紅

（防城港市氣象局，廣西防城港　538001）

新型自動氣象站雷電防護技術(shù)探討

黃仁立，韋華紅

（防城港市氣象局，廣西防城港538001）

對廣西防城港國家一般氣象站的新型自動氣象站建成投入運行至2014年6月期間的幾次雷擊事件進行分析，查找遭受雷擊的原因和雷電入侵途徑。并在保持原有防雷設(shè)計的基礎(chǔ)上，對觀測場及自動站儀器設(shè)備的防雷設(shè)施進行設(shè)計改造，經(jīng)過改造后雷電防護效果顯著。

新型自動站；雷電防護；獨立地網(wǎng)

本文以防城港國家一般氣象站為例，通過對新型自動氣象站遭受雷擊的原因進行分析，對觀測場及新型自動站設(shè)備的雷電防護進行研究，為在建或即將建設(shè)新型自動站的臺站提供借鑒和參考。

1　雷擊原因分析

廣西防城港國家一般氣象站位于北緯21°37′，東經(jīng)108°21′，距北部灣海面約3km；年平均雷暴日數(shù)達70d，屬地面氣象觀測場（室）防雷等級二級，年最高雷暴日數(shù)達90d，全年各月均有雷暴發(fā)生，閃電強度最高達200KA以上，屬南方沿海強雷暴區(qū)。新型自動氣象站觀測場位于小山頂，東面和南面空曠，故該觀測場是個容易落雷的地方。該站于2013年9月開始動工建設(shè)新型自動氣象站，在2013年11月建成投入運行至2014年6月期間，曾多次遭遇雷擊。其中2014年5月18日，新型自動站遭受直接雷擊，造成業(yè)務(wù)計算機串口隔離器損壞，無法收到所有采集器的所有數(shù)據(jù)，地溫數(shù)據(jù)采集處理集成板、主采集器損壞；同年6月5日雷擊時又造成計算機串口隔離器故障，業(yè)務(wù)計算機屏幕空白，6月9日地溫分采集器、溫濕分采集器再遭受雷擊損壞。每次遭受雷擊后，使用剩磁測試儀對避雷塔塔身進行測量，其剩磁量均為0.7mT以上，證明雷電流從獨立避雷塔引入，強大的雷電流引入后，由于避雷塔地網(wǎng)與觀測場地網(wǎng)共網(wǎng)，引起觀測場地電位瞬間抬升，導致觀測場內(nèi)的地溫分采集器、溫濕分采集器、地溫板、主采集器等設(shè)備遭受地電位反擊而損壞，這是由于共用地網(wǎng)在遭受直擊雷時地電位瞬間升高超過電子原件的耐壓水平而擊穿；另外雷擊感應(yīng)耦合產(chǎn)生的雷電波又通過信號線傳至值班室，造成計算機串口形成共態(tài)電壓發(fā)生閃絡(luò)而損壞。針對以上問題，本文在建筑物防雷設(shè)計規(guī)范基礎(chǔ)上著重對兩個地網(wǎng)的分開布局和信號線多重防護進行設(shè)計改造。

2　防雷設(shè)計思路和改造

2.1獨立接地網(wǎng)設(shè)計改選

2.1.1觀測場圍欄外側(cè)建立避雷塔獨立接地裝置

原設(shè)計方案是獨立接閃桿防直擊雷地網(wǎng)與觀測場地網(wǎng)應(yīng)在遠端進行至少兩處電氣連接，三處連接。

由上分析共用地網(wǎng)對觀測場內(nèi)的電子（弱電）系統(tǒng)不利，因此把原來直擊雷防護的避雷塔接地與觀測場地網(wǎng)斷開，另建獨立的接地網(wǎng)。由于觀測場南、北面和西面均削山為護坡作其它用途，山頂觀測場四周面積較小，分開地網(wǎng)后接地電阻值多少關(guān)系到兩個地網(wǎng)的耦合與干擾。

由水平接地極接地電阻公式

理論計算觀測場外側(cè)地網(wǎng)接地電阻，式中，ρ為土壤電阻率（Ω·m），觀測場及四周測得平均土壤電阻率為200Ω·m，ρ=200；l為水平接地體的總長度（m），從觀測場東面、南面和西面建設(shè)地網(wǎng)，用50× 5mm的熱鍍鋅扁鋼共80m作水平敷設(shè)，l=80；d為水平接地體的等值直徑（m），采用50×5mm的扁鋼，等值直徑取d=0.025m；h為水平接地體埋設(shè)深度（m），深埋為0.8m，h=0.8，A為水平接地體的形狀系數(shù)。

由于地網(wǎng)結(jié)構(gòu)形狀為L型的不閉合地網(wǎng)，故A取0.378，由以上數(shù)據(jù)理論計算得出觀測場外側(cè)的水平敷設(shè)接地網(wǎng)接地電阻可達R=5.16Ω，達不到低于4Ω的要求，因此，復(fù)合地網(wǎng)用50×5mm的熱鍍鋅扁鋼80m作水平敷設(shè)的同時，加以約每5m用50×50× 5×2000mm熱鍍鋅角鋼輔以人工垂直接地，再在地溝中施放長效降阻劑，地網(wǎng)竣工后實測觀測場外側(cè)地網(wǎng)接地電阻為3.4Ω，達到設(shè)計目標。

2.1.2設(shè)置觀測場圍欄內(nèi)地網(wǎng)

觀測場內(nèi)地網(wǎng)與新型自動站建設(shè)同步進行，地網(wǎng)除按地溝布設(shè)外，在觀測場內(nèi)環(huán)型地網(wǎng)距圍欄邊0.8m處布設(shè)，以便與觀測場金屬圍欄連接。垂直接地體采用熱鍍鋅角鋼，角鋼規(guī)格50×50×5×2000mm，間距為4～5m。水平接地體采用熱鍍鋅圓鋼，采用直徑不小于Φ12的國標熱鍍鋅圓鋼，地網(wǎng)水平接地體埋設(shè)深度為0.6-0.7m，經(jīng)過回土夯實，觀測場接地電阻為2.9Ω。觀測場內(nèi)地網(wǎng)與獨立塔地網(wǎng)分開通過實踐證明是必要的，雖然兩個地網(wǎng)相距較近，由接地體電位梯度，當電流從接地體流向土壤向各方面擴散時，當電流流至無窮遠時，電流密度為零，電位梯度也為零，在工程上只要離接地體20m遠的地方，電流密度已足夠小，電位梯度已接近零，本方案雖沒有做到兩地網(wǎng)相距20m遠，但由于在設(shè)計及施工時兩地網(wǎng)的接地電阻均達到4Ω以下且數(shù)值接近，雷擊時兩地網(wǎng)的耦合干擾就很小。

此外，根據(jù)觀測場儀器設(shè)備布局的要求，在所有安裝自動氣象站設(shè)備的位置預(yù)留接地引上線，接地引出端與設(shè)備就近連結(jié)接地，將接地端預(yù)先引出并焊有銅排二十多套，銅排與Φ12圓鋼的連接采用兩面氧焊，焊接長度≥70mm，銅排規(guī)格為30×3× 150mm，銅排預(yù)先留有3個Φ10的連接孔，以便就近與設(shè)備連接。

2.2感應(yīng)雷防護

表1　水平接地體形狀系數(shù)A值

2.2.1電源進線防護

由于雷擊的能量非常巨大的，對于電源進線需要通過分級泄放，將雷擊能量逐步泄放到大地。該新型自動氣象站的值班室位于五層大樓的第四層，在大樓的總配電處開關(guān)并聯(lián)接入一套KBTAD100X/380Ⅰ級試驗電源浪涌保護器，最大放電電流Iimp：25KA（10/350us），保護電壓UP：1.5KV，作為第一級防護。在值班室樓層那第四層安裝一組標稱放電電流In為40KA（8/20us），保護電壓UP：2.0KV的電源避雷器（KBT-220AJ/40）作為第二級防護，在值班室內(nèi)安裝一組標稱放電電流In為20KA（8/20us），保護電壓UP：1.5KV電源避雷器（KBT-220AJ/20）作為第三級防護；在UPS前安裝多組標稱放電電流In為10KA（8/20us），保護電壓UP：0.9KV的插座式電源防浪涌保護器（KBT-220E/6），作為值班室電腦等設(shè)備的精密防護，通過多級電涌保護措施，確保電源浪涌得以防護。由于新型站多采用國產(chǎn)設(shè)備，直流輸入12V，耐壓水平比較低，極易受到雷電過電壓的沖擊而損壞，為此在采集體處理箱輸出12V的直流電源并聯(lián)額定工作電壓12V，額定電流5KA，電壓保護水平≦30V的工業(yè)控制系統(tǒng)電涌保護器。

2.2.2信號進線防護

對于觀測場采集的氣溫、地溫、風向、風速等要素的傳輸信號線用工業(yè)控制信號防雷器KBT-C485/ 4P/12V與之串聯(lián)達到對最初信號線的過電壓防護，其通流容量為10KA，工作電壓12V，在各要素信號匯總到分采箱的串口隔離器串聯(lián)一套與串口隔離器接口對應(yīng)的多接口信號避雷器KBT-C100，其通流容量為10KA，傳輸速率為10Mbps，插入損耗0.2dB，總信號線傳輸?shù)街蛋嗍以俅?lián)一套信號避雷器KBT-C100，這樣總信號線的兩端加裝信號避雷器達到多重保護。值班室與外線連接的計算機安裝接口為RJ45的網(wǎng)絡(luò)信號避雷器（KBT-C100），電話進線安裝接口為RJ11的音頻線路防雷器（KBTA60B）。由于氣象要素只是數(shù)字信號，信號有部份衰減也能傳輸正常，因此多級保護對信號衰減沒有造成影響。

2.2.3等電位連接

從值班室到觀測場和電源線和信號線分別單獨穿鋼管和屏蔽管，由于信號線纜埋地敷設(shè)距離較長，鋼管和屏蔽管兩端接地，實現(xiàn)良好的電磁屏蔽效果，觀測場內(nèi)的所有金屬設(shè)備、電源線管和信號傳輸線屏蔽管都與觀測場地網(wǎng)預(yù)先預(yù)留的接地銅排作可靠連接，包括觀測場圍欄多點與預(yù)留的接地銅排作可靠連接，傳輸線屏蔽管多點作可靠接地，與圓鋼焊接要達6倍圓鋼直徑的要求，用螺栓連接的要擰緊并作防腐處理。防城港市下屬某縣新型自動站曾由于疏忽電線屏蔽管、信號屏敝槽未作好接地，屏蔽管屏敝槽接地電阻值達數(shù)百歐姆以上，分采箱接地線松動造成接地不良，當測站附近出現(xiàn)打雷或閃電時，各氣象要素數(shù)據(jù)就因電磁干擾無法傳到計算機，而雷暴天氣結(jié)束時又恢復(fù)正常，通過對數(shù)據(jù)傳輸線屏蔽槽進行接地和各段跨接，保證電氣連通和可靠接地，消除感應(yīng)靜電，排除電磁干擾后，雷雨天氣氣象數(shù)據(jù)傳輸恢復(fù)正常。因值班室雖只有約12m2，值班室內(nèi)各電腦、控制箱和設(shè)備與接地線母線作M型連接，金屬窗也需與接地母排連接，做好等電位連接以平衡電位、排泄雷電能量和靜電入地。

3　直擊雷防護

3.1觀測場氣象儀器設(shè)施安裝布局

防城港國家一般氣象站的新型自動站建設(shè)在現(xiàn)址觀測場內(nèi)，儀器設(shè)施安裝按照中國氣象局的統(tǒng)一標準進行布局（圖略），其中新型自動氣象站風桿位于觀測場東北部，CAW600自動氣象站風桿位于觀測場西北部，中間有能見度儀；觀測場中間部分布有雨量筒、百葉箱和數(shù)據(jù)采集傳送箱等，南面部分為淺層地溫場、日照計、深層地溫場，數(shù)據(jù)采集箱。

3.2獨立塔保護

觀測場的防直擊雷之原則是能保護觀測場內(nèi)工作人員和儀器免遭雷電直接雷擊。由于原西北面已建有高度為19m的避雷塔，所以在東北面同一緯度觀測場外約4m處新增設(shè)另一座高度為高出地面19m的避雷塔，在觀測場南邊外約4m處增設(shè)另一支高度為高出地面10m的獨立避雷針，更有效地保護地溫場及其數(shù)據(jù)采集箱等設(shè)備，如此整個觀測場均落入保護范圍。

4　小結(jié)

（1）獨立地網(wǎng)的設(shè)計避免了觀測場地網(wǎng)在避雷塔遭受強雷擊時地電位升高而對設(shè)備和信號的反擊，也避免了二次感應(yīng)雷擊效應(yīng)，雷電電流經(jīng)過避雷針入地時感應(yīng)到傳輸線上使值班室業(yè)務(wù)計算機等設(shè)備被雷擊。

（2）信號線的多層防護，電源進線的多級保護，值班室所有接地線的星連接法為防雷電波的過電壓和消除靜電干擾起到重要的防護作用。

（3）在觀測場東北面和西北面設(shè)立19m高的雙塔等高避雷針保護了觀測場大部份的主要設(shè)備，對于在離雙塔避雷針較遠的地溫場和地溫分采集箱，再增加一支10m高的避雷針，達到了滾球半徑為60m的地面氣象觀測場（室）防雷等級二級直擊雷的防護。

［1］黃健征，田小芳.百色雙套自動氣象站雷擊故障維修的方法［J］.氣象研究與應(yīng)用，2014，35（1）：97-98.

［2］覃崢嶸.南寧雷暴日數(shù)減少的氣候特征及成因分析［J］.廣西氣象，1999，20（2）：38-40.

［3］鄭小波，羅宇翔，周成霞，等.近45年來貴州省雷暴日數(shù)的變化特征［J］.氣象研究與應(yīng)用，2007，28（S2）：2-4.

［4］王義耕，韋卓運，黃文高，等.2006～2010年廣西雷電災(zāi)害特征［J］.氣象研究與應(yīng)用，2011，32（4）：77-79.

［5］李宏景，趙建吉.百色城區(qū)近51年雷暴氣候變化特征及分析［J］.氣象研究與應(yīng)用，2013，34（1）：83-85，90.

［6］麥柳霞，郭亮.防城30年雷暴日數(shù)變化特征及相關(guān)因子［J］.氣象研究與應(yīng)用，2013，34（2）：60-64.

［7］黃芳.近60年南寧市雷暴日數(shù)特征分析［J］.氣象研究與應(yīng)用，2011，32（4）：63-67.

［8］盧葳，陳明惠.玉林市雷暴活動特征及規(guī)律分析［J］.氣象研究與應(yīng)用，2012，33（4）：66-69.

［9］鄭羨儀，唐兵兵.梧州近30年雷暴特征分析［J］.氣象研究與應(yīng)用，2012，33（2）：59-63.

［10］黃健征，盧雪勤.地面自動站數(shù)據(jù)無法下載的常見原因及檢修［J］.氣象研究與應(yīng)用，2015，36（1）：112-113.

Discussion on lightning protection technology of new type automatic weather station

Huang Ren-li，Wei Hua-hong
（Fangchenggang Municipal Meteorological Service，F(xiàn)angchenggang Guangxi 538001）

Based on the analysis of several lightning events in June 2014 after putting new type automatic national meteorological station into operation in Fangchenggang of Guangxi，the cause of the lightning strike and lightning invasion pathways were found out.The lightning protection facilities of the observation field and automatic station instrument were redesigned and modified of on the basis of keeping the original design of lightning protection，and after the modification，the lightning protection effect is obvious.

new type automatic weather station；lighting protection；independent earth

P49

A

1673-8411（2016）02-0106-02

2015-12-10

黃仁立，（1963-），男，高級工程師，廣西平果人，從事雷電防護研究工作。