武汉国家基本气象观测站的雷电防护探讨

王义琴，王凯峰，刘学春，金 敏 (湖北省武汉市气象局，湖北武汉430040)

随着气象观测站的自动化进程，越来越多的电子仪器设备投入使用，各种信息设备应用的范围之广、品种之多、数量之大是前所未有的。然而以微电子技术为基础的电子信息设备因其集成度高、工作电压低、运算速度快，其耐过电压、过电流和抗雷击电磁脉冲(1ightning Electromagnetic impulse，LEMP)的能力差，极易遭受雷电的危害。雷击后产生的高电压和电磁脉冲［1］所产生的热效应、电磁效应会对系统和设备造成永久性损坏，造成设备损坏、数据缺失等。因此，电子信息系统的防雷是至关重要的［2－3］。

2014年5月16日、6月20～21日，某气象卫星地面站B站区连续遭受强雷电袭击，造成风云三号卫星资料接收设备故障，业务运行中断，对汛期气象服务保障造成了一定影响。中国气象局对此高度重视，要求全国气象部门深刻吸取事故教训，进一步加强管理，严防重大事故发生。为了确保武汉国家基本气象观测站业务的正常运行，笔者在此对其雷电防护状况［3］进行了全面的调查。

1 观测站概况

1.1 基本情况 武汉国家基本气象观测站开展地面气象要素和太阳辐射、酸雨观测，探空气象观测，按时获取准确、真实的第一手气象资料并进行数据传输;根据综合观测体系建设的要求，承担雷电、风廓线、GPS水汽和风等建设和监测任务;同时承担了地面、高空等加密观测任务，开展重大天气联防及暴雨等外场科学试验和新仪器的试验观测。目前观测站安装的仪器包括自动气象站、L波段探空雷达、方舱式边界层风廓线雷达、电离层测高仪、电离层闪烁仪、闪电定位仪、大气电场仪、微波辐射计、激光雨滴谱仪、大气负离子监测仪、方舱式大气成分站、便携式自动气象站、自动土壤水分观测站、紫外线观测仪等。武汉国家基本气象观测站是国内为数不多的观测范围涵盖了太空、高空及地面的气象观测站。

1.2 存在的风险 观测站位于武汉市东西湖区慈惠农场，南临汉江，北靠107国道。武汉市东西湖区地处北半球中纬度地带，属北亚热带季风气候区，光照充足，雨量充沛，水源丰富，四季分明。根据武汉市1961～2012年气象观测资料统计，年均雷暴日数为31.67 d，属于中雷区，雷电活动较为频繁。同时观测站所在地地势开阔，周围覆盖农田，地下水丰富，附近无高层建筑物。因此观测站容易遭受雷击，从而导致人员伤亡，造成仪器损坏，观测业务不能正常运行［4］。

2 观测站的雷电防护措施

武汉国家基本气象观测站由两层的综合业务值班楼、地面观测场、氢气房等组成。其电源进线电压等级为220/380V，从室外变配电房直埋引入综合业务值班楼的配电房。低压进线电缆、一般照明、插座支线及应急照明支线均采用屏蔽导线穿钢管敷设。综合业务值班楼按照第三类防雷建筑物进行设计，采取了防直击雷和防闪电电涌侵入的措施，并设置总等电位联结。值班楼的屋顶采用Φ10热镀锌圆钢作接闪带沿女儿墙敷设并布设了接闪网，利用建筑物钢筋混凝土柱内主筋通长焊接作为引下线，利用建筑物基础地梁上的上下两层钢筋中的主筋通长焊接形成基础接地网。突出屋面的所有金属构件均与接闪带可靠焊接。进出建筑物的各种金属管道、穿线钢管、电缆的金属外皮等在其进出处与防雷接地装置就近相连。低压配电系统的接地型式为TN－C－S系统。PEN在进户处做重复接地，与防雷接地共用接地极。防雷接地、电气设备的保护接地联结接地共用基础钢筋。一切电气设备金属外壳均可靠接地。总等电位板设置在电缆及设备管道进出建筑物等处，建筑物内保护干线、设备进线总管、各金属构件等进行总等电位联结。卫生间采用局部等电位联结。配电房内设有I级电源浪涌保护器(SPD)，一楼机房的电源线路进线处设有II级电源浪涌保护器(SPD)。

除了综合业务值班内的电子设备，其他室外观测仪器遍布地面观测场、综合业务值班楼二楼屋面及观测站内室外空地，这些设备均采取防雷接地措施，分别与值班楼屋面接闪带或观测场地网可靠连接。目前观测站内共布设8根接闪杆，其中3根接闪杆布设在L波段探空雷达天线旁，3根接闪杆布设在电离层测高仪的天线塔顶部，还有2根接闪杆布设在2根风杆上。L波段探空雷达位于综合业务值班屋面，分布在其周围的接闪杆用扁钢就近连接接闪带;电离层测高仪位于观测站内的空地上，置于天线塔顶部的接闪杆由独立引下线引下接地;风杆位于地面观测场内，风杆上接闪杆引下线沿风杆拉绳入地。目前，仅自动土壤水分观测站和便携式自动气象站通过无线网络传输，其他室外观测仪器分别通过光缆和通信电缆穿管埋地引入综合业务值班楼机房。

3 综合业务值班楼的雷电防护等级

根据GB 50343－2012《建筑物电子信息系统防雷技术规范》中的方法，按观测站综合业务楼防雷装置的拦截效率来确定其雷电防护等级［5］。计算综合业务值班楼的防雷装置拦截效率E，即 E=1 －NC/N、N=N1+N2，式中，N1为建筑物年预计雷击次数;N2为建筑物入户设施年预计雷击次数，NC为建筑物电子信息系统设备因直接雷击和雷电电磁脉冲可能造成损坏，可接受的年平均最大雷击次数;N为建筑物及入户设施年预计雷击次数。

综合业务值班楼属于旷野孤立的建筑物，电源线低压埋地引入，信号线埋地引入。其主体结构为钢筋混凝土材料，楼内信息系统按信息系统重要程度划分为B类电子信息系统，设备耐冲击类型和抗冲击过电压能力相当弱，及所在地东西湖区的年平均雷暴日为31.67 d等。根据这些条件，可以计算出防雷装置拦截效率E为0.99，电子信息系统雷电防护等级为A级。

4 地面观测场的直接雷防护

地面观测场为东西方向边长25 m和南北方向边长35 m的长方形，其内最高物体为2根10 m高的风杆。观测场的直击雷防护主要通过安装在风杆上的接闪杆来实现。观测场的2根风杆分别置于离观测场北边边缘护栏3.5 m和东西边边缘护栏3.5 m处。在距风杆顶端设置接闪杆，总高度为11 m。

根据GB 50057－2010《建筑物防雷设计规范》中的方法，两支等高接闪杆的保护范围，在接闪杆高度h＜hr的情况下，当两支接闪杆距离D＜2［h(2hr－h)］1/2时，在地面每侧的最小保护宽度为:b0=［h(2hr－h)－(D/2)2］1/2，式中，h为接闪杆高度;hr为滚球半径。按照二类建筑物防雷设计标准，计算得到的接闪杆最小保护宽度为28 m。由于仪器距观测场边缘护栏有不小于3 m的布置要求，所以整个观测场内的所有仪器均处于风杆上接闪杆有效保护范围内［6］。

5 观测站的雷电防护建议

根据武汉国家基本气象观测站自身特性，其危害主要分为直击雷的危害和雷击电磁脉冲的危害。根据QX 30－2004《自动气象站场室防雷技术规范》的自动气象站场室防雷等级划分，武汉国家基本气象观测站的防雷等级为一级，综合业务值班楼的防雷设计应符合第二类防雷建筑物的要求。雷电防护等级为A级时，应在电源系统采用4级浪涌保护器(SPD)保护，在信号系统采用3级浪涌保护器(SPD)保护。在自动气象观测站，经常被直击雷击中的主要是突出物，如风杆。目前整个观测场内的已安装仪器均处于风杆上接闪杆有效保护范围内，未来观测场所需安装的仪器也应置于风杆接闪杆最小保护宽度内。

6 结论

武汉国家基本气象观测站内的建筑物及室外仪器设备，虽然已采取了一些防雷安全措施，但与现行的国家、行业相关标准规范、当地实际雷击环境和设备的要求仍有差距，存在雷击安全隐患。综合业务值班楼目前按照第三类防雷建筑物采取防雷措施，应将其防雷措施提升为符合第二类防雷建筑物的设计要求。综合业务值班楼目前仅在电源系统采用2级浪涌保护器(SPD)保护，应采取4级电源浪涌保护器(SPD)保护，并增设信号浪涌保护器(SPD)。确保地面观测场内所有新增的仪器置于风杆接闪杆最小保护范围内。

观测站的防雷建设是一项比较复杂的系统工程，综合保护技术与措施仍需加强，从而实现全方位阻止雷电的入侵，把雷击造成的损失降到最低，保障观测站业务的正常运行。

［1］中国机械工业联合会.建筑物防雷设计规范 GB 50057－2010［S］.北京:中国计划出版社，2010.

［2］建设部标准定额研究所.建筑物电子信息系统防雷技术规范GB 50343－2012［S］.北京:中国建筑工业出版社，2012.

［3］王立，张建忠，冯海霞.电子信息系统的雷电防护［J］.青海气象，2005(S1):46 －49.

［4］云利利，罗天福.浅谈自动气象观测站的雷电防护［J］.气象研究与应用，2012，33(S1):351 －352.

［5］王学良，颜海.电子信息系统雷击风险评估及其防护措施［J/OL］.中国雷电与防护(网络版)http://www.docin.com/p_46342519.html.

［6］中国气象局.自动气象站场室防雷技术规范QX 30－2004［S］.北京:中国标准出版社，2004.