云南省县级气象台站防雷技术浅析

杨 波，王 宝

(玉溪市气象局，云南 玉溪 653100)

0 引言

随着云南省气象现代化建设的飞速发展，特别是近年来云南省各地州的基层气象台站建成以来，其建(构)筑物和设备遭受雷击危害的事故时有发生，这给气象台站的正常业务工作造成了极大的影响。为有效保障气象现代化业务的顺利开展，通过分析各基层台站防雷设施的设置是否合理，浅析了对县级新建台站的防雷装置设计安装，供各基层台站参考。

1 县级气象台站易遭受的雷击形式

通过对实地雷击事故的调查及查询云南省闪电定位系统数据，云南省气象台站雷击形式可分为直击雷和感应雷，其中以感应雷为主。如2013年元江县气象台站遭雷击，其业务楼网络瘫痪、大气电场仪损毁、观测场设备不同程度受损，致使正常的气象业务、气象预报、气象信息、大气象电场数据不能正常传输。又如，2010华宁县象局因遭受雷击，其人影指挥系统处于瘫痪状态，严重影响了华宁县当日的人工防雹工作。根据雷灾勘察鉴定结果，引起基层台站雷灾的原因主要有直击雷击和感应雷击两类型式[1,2]。

1.1 直击雷击

带电的云层对大地上的某一点发生猛烈的放电现象，称为直击雷。直击雷的破坏力十分巨大，若不能迅速将其泄放入大地，将导致放电通道内的物体、建筑物、设施、人畜遭受严重的破坏或损害——火灾、建筑物损坏、电子电气系统摧毁，甚至危及人畜的生命安全。由于观测场周边存在一定范围的保护距离，观测场相对于其它的建(构)筑物来说是“空旷、孤立”，因此极易引起直击雷击。

1.2 感应雷击

在雷击强电场的作用下，处在电场下的地表、建(构)筑物或进出建(构)筑物的金属管、线因静电感应而带上与雷云极性相反的电荷，在短时间内形成局部感应高电压，从而对电子、电器设备产生损坏。感应雷不仅会损坏电子、电器设备，而且如有易燃易爆物品存在，则极易造成火灾或引起爆炸。

1.3 地电位反击

如果雷电直接击中具有避雷装置的建筑物或设施，接地网的地电位会在数微秒之内被抬高数万或数十万伏。高度破坏性的雷电流将从各种装置的接地部分流向供电系统或各种网络信号系统，或者击穿大地绝缘而流向另一设施的供电系统或各种网络信号系统，从而反击破坏或损害电子设备。同时，在未实行等电位连接的导线回路中，可能诱发高电位而产生火花放电的危险。

2 进入县级气象台站的雷击途径

根据几次雷击勘察结果综合分析，县级气象台站遭受雷击的途径主要有以下几条。

2.1 直击雷

由于雷击的随机性和偶然性，加之近年由于城市的不断发展，很多县级基层台站在搬迁后相对的“孤立”，成为了雷电袭击的首选目标。

2.2 进入气象台站的各类管、线及安装于建(构)筑物顶端的天馈线

进入气象台站的各类金属管如水管，屏蔽穿线管等金属管，当附近产生雷击，使其感应到雷电高电压，如其接地不良，则会使其高电压与处于低电位的电子设备之间存在电压差，从而使电子设备损坏；进出气象台站的电源线、信号线等金属架空线，当雷击产生在它们附近时，在这些金属导线上感应的雷电随之进入到电子电器设备和用电设备上，造成用电设备和微电子设备的毁坏；处于建(构)筑物顶端的天馈线，在雷击感应高电压后，高电压顺其传输线进入接收器或发射器造成这些设备的损毁。

2.3 地电位反击

地电位反击的雷击途径在基层台站建设过程中极易被忽视。由于建设过程中没考虑地电位反击的影响，当雷电流峰值极大时，雷电流通过接地装置导入大地，其接地装置上就会产生高达100KV以上的反击电压，从而击穿大地绝缘而向低电位设备放电，致使低电位用电设备损坏。

3 县级气象台站雷击防护方法

通过以上分析，县级气象台站雷击防护主要考虑直击雷防护和感应雷的防护[3-6]。

3.1 直击雷防护

3.1.1 业务楼直击雷防护

县级气象台站业务楼在建设过程中，多采用框架结构主体，在建设过程中利用主体本身的基础钢筋作为防雷接地体，并预留水平接地体外接钢筋，基础施工完毕后经实测如不能达到规范要求则应加设人工接地体直至满足规范要求；引下线采用柱内两条对角主筋(钢筋直径≥16mm)，引下线间距须满足规范要求，并与基础钢筋进行可靠电气连接[1,7]；屋顶接闪器宜采用避雷带，避雷带与引下线进行可靠电气连接；屋顶所有外露金属物应与避雷带可靠电气连接[8]。

3.1.2 观测场直击雷防护

观测场地势较高，相对独立，场内有风杆、观测设备等仪器，因此，场内风杆、设备应做好接地处理。同时，由于风杆高度不能完全保护观测场其它设备，还需安装一座避雷塔(针)以完善观测场整体直击雷防护。为了防止跨步电压对观测人员产生伤害，观测场内的所有金属设施、设备均进行等电位连接，并保证接地电阻值达到规范要求[6-8]。

3.2 感应雷防护

县级气象台站主要可靠的接地系统、屏蔽、等电位连接、过电压保护、防地电位反击几方面来进行感应雷的防护[8]。

3.2.1 接地系统

为保证气象观测设备的正常运行，气象台站的接地电阻值在满足小于规范要求的前提下，尽可能小于1Ω，同时做好防雷接地、交流工作接地、直流工作接地和安全保护接地[7]，并优先考虑采用联合接地[9,10]。

第一，防雷接地，将建(构)筑物的外露金属全部进行可靠电气连接以便雷电流第一时间进行泄放。

第二，交流工作接地，做好进入气象台站变压器的中性接地、零线接地和重复接地工作，确保对用电设备的保护和供电线路的保护。

第三，直流工作接地，对于用电设备，要做好设备的直流电工作接地，以防漏电产生的危险。

第四，安全保护接地，进出气象台站的电缆金属外皮、穿线金属管道、用电设备的金属外壳等均要有良好接地，以防设备与大地之间产生电位差，保护使用人员和用电设备的安全。

对以上4个接地进行联合接地处理，共用同一个接地网，有利于各接地间的电位差接进于零，防止地电位反击。由于各设备的性质不同，相互间会因高频干扰使设备不能正常运行，对有特殊要求的设备还应采取独立接地，独立接地与其它接地网之间的距离应大于5m，且越大越好。

3.2.2 屏蔽

为预防雷电感应电磁脉冲和电磁干扰，最有效的方法就是屏蔽[8]。县级基层台站，可将建(构)筑物的结构钢筋和外露金属(避雷针、天馈线等)进行可靠电气连接，将结构钢筋做好接地，使建(构)筑物自身成为第一层屏蔽体，防止雷电电磁脉冲和电磁干扰的影响；再将建(构)筑物内的金属管道及金属门窗进行接地，同时，进出台站的电缆金属外皮及设备金属外壳也要进行可靠接地，作为台站用电设备内电子器件的又一层屏蔽[6,11]。

3.2.3 等电位连接

等电位连接分外部等电位连接和内部等电位连接。气象台站外露的避雷针(带)、风杆、卫星接收机等一切金属物进行可靠的电气连接为外部等电位连接；台站内部的用电设备、电缆金属外皮、防静电地板、SPD等进行等电位连接为内部等电位连接[11]。进行等电位连接的目的是降低电位差，使各用电设备和金属物电位接近或相等，防止地电位反击，保护设备免受雷击[8]。

3.2.4 过电压保护

过电压保护分信号线过压保护和电源系统过压保护两类[3,9,10,12]。

3.2.4.1 信号线过压保护

在进入台站交换机处的信号输入线上安装一级信号SPD；在信号线进入设备处安装二级SPD。综合多年工作经验，信号SPD选用时应注意其插入损耗≤0.3dB，传输速率要高于设备要求最低速率，启动电压为信号电压峰值的1.5倍。

3.2.4.2 电源系统过压保护

通过多年来云南省县级气象台站遭受雷击实例分析，对于县级气象台站的雷电过电压保护应安装3级SPD保护设备(见图1)。

图1 3级SPD保护设备示意图

Fig.1Three-levelSPDprotectequipmentdiagram

在进行电源SPD设计、安装时应注意以下问题：

第一，SPD的选型及3级SPD间的参数要相互配合。第二，为有效保护气象观测设备的正常运行，SPD的通流量(I)必须满足：IⅠ≤IⅡ≤IⅢ≤IⅣ；启动电压(U)必须满足：UI≤UⅡ=UⅢ=UⅣ；残压(V)必须满足VⅠ≤VⅡ≤VⅢ≤IⅣ。第三，SPD的安装要严格按照规范施工、验收，各级SPD间的间距应不小于10m，以达到分级泄流的目的，SPD的连接线不宜过长，最好在0.5m以内，以便分流。

3.2.5 地电位反击

通过多年来的雷灾调查统计，地电位反击也是造成基层台站雷灾的重要因素之一[13]。结合气象台站的特点，可通过以下几个方法来防止雷电地电位反击：一是将进出台站的电缆金属外皮接电线、电源线、信号线及天馈线SPD的接地线与接地体相连接，以减小金属导线与防雷接地线之间的电压差；二是将防雷接地、交流工作接地、直流工作接地及安全保护接地相互连接，形成联合接地，降低或消除接地网间的电压差；三是台站内如存在两个以上独立接地网时，独立接地网间的距离要大于10m以上，以减小雷电反击电压。

4 结语

县级基层气象台站的雷电防护是一项综合性的专业防雷工程。在进行台站雷电防护工程的设计、施工时，要充分考虑台站附近的雷电活动特点、所处地理位置及环境、土壤电阻及气候要素等因素，并查询台站的气象历史资料，统计出年平均雷暴日数，根据实际情况进行可靠的雷电防护工程设计，并采用质量过硬的防雷产品进行施工，施工完毕后要进行严格的验收备档，避免因雷击导致气象装备受损，造成不必要的经济损失，影响气象业务的正常运行。

参考文献：

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