陆态网络嘉祥基准站防雷避雷的设计实施

刘作华 冯志军

【摘要】本文对陆态网络嘉祥基准站的所采取的避雷措施进行了详细的说明。对有类似地质情况的基站、微波站、电视差转台等做好防雷避雷能够起到一定的借鉴作用。

【关键词】防雷避雷;接地体;降阻剂

一、前言

雷电是一种自然现象，当雷电击中陆地上的人或物时就变成了是一种自然灾害，这就是雷击灾害。

雷电是指两种带不同的电荷云层之间或者是带电的云层向大地快速放电的现象。一般来说，雷电发生主要有三种形式：一种是直击雷，直击雷是带电的云层直接向大地快速放电现象。直击雷能直接击中地面的物品，当我们的仪器设备处在直击雷的雷击范围时，就会造成我们的仪器设备被击坏，甚至报废。第二种是感应雷，感应雷是直击雷在快速放电过程中所形成的强大的电磁脉冲电流对所发生的雷击范围内的金属物质或者金属导线产生电磁感应，而出现的高压闪击现象。感应雷通过供电缆线、仪器信号线缆线、仪器天线等感应出非常高的瞬间电压窜入仪器设备中，极易造成仪器设备的损坏。第三种是球形雷，这种雷较为少见。我们地震台站大部分处于山区高地，是极易受到雷击的地区。据统计数据显示，我们地震台站的仪器设备遭受雷击损坏85%以上都是由感应雷引起的。感应雷直接通过仪器的供电线路、信号线路或者网络线路经过地震仪器设备进入大地，造成仪器设备的损坏。由于雷击而造成地震仪器损坏，严重影响了地震观测数据的连续率，也极大降低了地震观测资料的质量，能给我们的防震减灾工作造成了很大的损失。因此，做好避雷接地网是十分重要的。防雷避雷的目的就是将雷电流引入大地，无论是防直击雷还是防感应雷，最终都是将雷电所产生的巨大电流导入大地，作为能顺利引导电流进入大地的避雷网在防雷避雷中的作用显而易见。

中国大陆构造环境监测网络（简称“陆态网络”即GNSS）是国家发改委在“十一五”期间列入国家高技术产业发展项目计划的12个国家重大科技基础设施建设项目之一，是由中国地震局牵头组织实施的国家六部（委）的重大科技项目。中国大陆构造环境监测网络嘉祥基准站是陆态网络系统在山东的4个基准站之一，它位于山东省嘉祥县城北3公里的簸箕山上，地理坐标为东经116°21.1'北纬25°06'海拔高程102.9米。该台为山地，没有土层覆盖。基岩系奥陶系石灰岩，岩石完整（如图1所示）。因该基准站位于山顶，易于发生雷击现象，因此做好防雷工作十分重要。我们首先想到的是把避雷网这个基础做好。

图1 地质构造图

二、防雷的设计实施

1.做好接地网。做好接地网是防雷工作的一个非常重要的环节，也是其他避雷措施如：接闪、等电位均压、下引、分流的基础。没有有效的接地网，其他的避雷防雷措施都等于零。嘉祥GNSS基准站坐落在山顶上，原来设计的避雷接地网在山下200米处。根据避雷实践，被避雷设施离避雷网超出140米就达不到避雷效果了。要想做好避雷工作，首先必须做好避雷接地网的施工工作。GNSS观测室位于山顶岩石基础上，无土层，风化壳厚度0.5m。观测室建筑面积19.64m2，采用砖混结构，地上一层，建筑高度4.35m。因山上全是岩石根本没有土层，这就给做避雷网造成了很大的困难。我们在山顶根据实际情况有设计了做避雷接地网用的填土池，填土池内填充优质土，土层的厚度不小于500mm（如图2所示）。这样的岩石山地仅仅靠人工覆盖有土层也不太可能。

图2 观测室院内避雷填土池图

达到避雷接地体小于4欧姆的技术要求。为了减少阻抗，使接地体周围形成一个理想的低电阻区，我们又从青岛安达防雷科技有限公司购买了8吨AD-02型长效防腐物理降阻剂。这8吨降阻剂用来包裹水平及垂直接地体和掺在土壤中用以降低土壤的阻值。这种降阻剂是纯物理性的，没有腐蚀性的电解质，其导电性不受酸、碱、盐、温度、湿度等的影响。降阻剂是一种很好的导体，它的使用既能使接地体和土壤之间能够紧密地形成足够大的电流流通面，也可以向周围土层渗透，降低接地体周围的的电阻阻值。

图3 观测室网型地网示意图

我们设计的接地装置设计为网型地网（如图3所示），接地线和水平接地体采用40×4mm热镀锌扁钢，垂直接地体采用L50×5×150MM热镀锌角钢。在填土前我们用钻井机为垂直接地体钻了20个直径为10cm，深1500mm孔。我们将垂直接地体植入岩石钻孔当中，孔的空隙用调制好的降阻剂填充。水平接地体的直接铺在调制好的候厚20厘米的降阻剂上，周围也用调制好的降阻剂包裹。然后我们在填土池内填充添加了降阻剂的优质土，并分层夯实。在接地体、埋地接地线经过路面或者人员可能停留的区域，我们在接地体3m的范围内铺设了5cm沥青层，以保证安全需要。我们施工要求在焊接时扁钢与扁钢搭接长度为不小于8cm，进行三面焊接。扁钢与与角钢焊接时，我们采用四面焊接，焊接的部位并做了防腐处理。在降阻剂的使用上，我们严格按照水和降阻剂0.4-0.6：1.0的比例进行调制，以保证降阻剂和接地体能最佳状态结合。施工完成后，我们对接地体进行了电阻测量，其电阻值为2.8欧姆，效果十分理想，完全符合我们的技术要求。

2.安装接闪器。接闪，就是为防止雷电击毁仪器设备，而为雷电设计一个通道让闪电能量按照人为设计的通道释放到大地中去。我们通过安装避雷设施来实现接闪，当山顶的观测室上面发生雷电时，则雷电通过避雷针进入地面避雷网接闪泄入大地，达到保护观测室及室内仪器目的。由于观测室屋顶安装卫星定位天线和气象三要素自动监测仪，为防直击雷雷击，我们在观测室上面安装了避雷带和避雷针。避雷带采用直径为10mm镀锌圆钢，用支架固定高于女儿墙15cm处，固定支架间隔1m，避雷带拐弯处弯曲度大于90度。避雷针设计安装了两根，高度是1.5m，在GNSS观测室顶成对称分布。避雷针的总高度为5.58m，利用滚球法（滚球半径取45m）计算双针的保护范围：两避雷针轴线上最低保护高度为5.82m，在女儿墙高度4.35米水平面的保护范围最小宽度为2.84m，最小宽度位置在双针轴线中点的垂线上。卫星定位天线在观测室屋顶两避雷针附近，仅高出女儿墙0.5m，在两避雷针的保护范围之内（如图4所示）。避雷针与观测室的构造柱主筋焊接，构造柱主筋和避雷带进行焊接，利用构造柱的四根主筋作为防雷下引线连接到避雷地网。这样能保证观测室顶部避雷带、钢筋、圈梁内钢筋、地面避雷网格等进行有效地电气连通。当观测室上空发生雷电时，避雷针、避雷带接闪将雷电引入大地，对观测室起到一定的保护作用。

图4 避雷针、避雷带位置示意图

图5 电源防雷器的工作原理示意

3.实行分流。分流就是把（下转第21页）（上接第17页）避雷器和从室外进户的电源线缆、信号线缆、天线等导电体线与接地之间并联。当感应雷或直击雷在这些金属线缆上产生大的电压并沿着这些导线即将进入室内设备时避雷器起作用，电阻值则瞬间降到接近零值，形成短路状态，将电流分流泄入地，从而避免对仪器造成损害（分流器工作原理如图5所示）。我们在总电源的配电箱和山上配电箱供电开关前以及仪器电源前安装了德国产的DEHN防雷器，对GNSS基准站进行了B、C、D三级防雷，并对信号线也安装了DEHN防雷器。DEHN防雷器有一个高压放电管，当遇到雷击时，高压放电管纳米级时间反应形成对地短路，从而达到保护仪器的目的。实际上，这就是避雷中的一种分流。

4.进行等电位连接。当雷击发生时，接闪装置的下引线电压会瞬间升高，对防雷避雷整个系统周围处于地电位的导体产生闪络，使其电压急剧升高，对仪器设备或者人员造成危害。避免闪络最简单的处理方法是将处于地电位的导体等电位连接起来，然后很好地接地。我们采用了以下办法：（1）我们将观测室房顶的避雷针、避雷带与构造柱进行了有效的电气连接。（2）我们将房顶的GNSS天线金属底座及气象三要素监测仪的金属底座与房顶的避雷带进行了有效等电位连接。（3）构造柱内的主筋以及圈梁主筋进行了焊接，形成了一个法拉第笼。（4）GNSS观测墩的主筋与观测室底的圈梁内主筋进行了有效的等电位连接。（5）防盗金属门窗也通过16MM铜线与与主筋相连的等电位连接端子做了有效的等电位连接。

三、结束语

避雷是一项复杂的工程，由于各地所处的气象与自然环境不同，避雷工程的设计与实施也不尽相同。嘉祥陆态网络基准站的避雷设计与实施是根据嘉祥基准站的实际情况来实施的，对于其他有类似地质情况的基站、微波站、电视差转台等的避雷防雷工作有一定的借鉴作用。

参考文献

[1]台站公用技术[M].地震出版社，2007（10）.

[2]高守全等温泉地震台十五防雷建设[J].防灾科技学院学报，2006（2）.

作者简介：

刘作华（1968—），男，山东嘉祥人，大学本科，工程师，研究方向：地震观测与研究。

冯志军（1968—），男，山东济南人，博士，高级工程师，研究方向：地震观测与研究。