凤凰山气象观测站的雷电防护设计

凤凰山气象观测站的雷电防护设计
邢忆波;杨春明
【摘要】利用2006～ 2015年安徽省ADTD型闪电定位资料,分析了当涂县凤凰
山气象观测站5km范围内的雷电特征,按二类防雷要求,阐述了凤凰山气象观测站
及业务楼的综合雷电防护设计,详细介绍了防雷施工注意事项.实践运行表明,雷电防护措施在凤凰山气象观测站得到较好应用,观测站再未发生雷击事故.
【期刊名称】《现代建筑电气》
【年(卷),期】2016(007)007
【总页数】4页(P45-48)
【关键词】气象观测站;雷电防护;直击雷;业务楼
【作者】邢忆波;杨春明
【作者单位】安徽省马鞍山市气象局,安徽马鞍山243000;安徽省马鞍山市气象局,
安徽马鞍山243000
【正文语种】中文
【中图分类】TU856
目前,国内诸多气象观测站因受周边环境对数据采集的影响巨大,导致大部分气象观
测站都搬迁到视野空旷的环境[1-4]。

安徽省当涂县凤凰山气象观测站海拔高度60 m,2015年7～8月观测站连续遭受雷击4次,室内线路及部分设备被烧坏;且每逢
雷雨天气,室外闪电频发,雷击直接威胁人身和财产安全,同时也影响观测数据的采集、传送。

本文通过对凤凰山气象观测站5 km范围内的雷电特征环境分析,依据GB 50057—2010《建筑物防雷设计规范》[5]、GB 50343—2012《建筑物电子信息系统防雷技术规范》[6],探讨了凤凰山气象观测站的综合雷电防护设计,为高山型气象观测站的综合防雷提供参考。

1.1 资料来源
采用安徽省气象局ADTD型闪电定位系统监测的2006～2015年逐日闪电数据,提取出现在当涂凤凰山观测站5 km范围内的闪电资料作为统计分析对象。

1.2 分析方法
资料处理上选取地理范围118.51～118.61°E、31.50～32.60°N的矩形区域,按0.01°×0.01°的经纬度格点,统计每一个网格内正、负闪电总次数,用统计范围内的闪电总次数除以年次和网格面积,得到年平均雷击大地密度分布,将每一个网格内的闪电总强度除以年次和网格面积,得到年平均闪电强度分布。

凤凰山观测站半径5 km范围内雷电分布特征如图1所示。

由图1可知,观测站年平均地闪密度为4.49次/(km2·a),远高于马鞍山地区2.97次/(km2·a);年平均闪电强度48.09 kA/(km2·a),明显高于马鞍山地区44.5
kA/(km2·a),最大闪电强度达248.72 kA。

通过上述分析,该站点雷电活跃,雷电强度和雷闪密度均较高,因此需进行雷电防护设计。

3.1 外网接地
在观测场四个角分别采用沿山坡延伸30 m的辐射状接地,水平接地材料采用40 mm×4 mm热镀锌扁钢(埋深1 m),沿水平接地体每隔5 m采用50 mm×50 mm×5 mm×2 500 mm热镀锌角钢做垂直接地1次,其中垂直接地极钻孔采用灌装降阻剂技术,孔深6 m,孔径φ80 mm,共计24个孔,形成防雷外网结构,经实测外网接地电阻小于4 Ω。

3.2 内网接地
观测场内水平与垂直接地极材料规格同外网相同,在观测场内组成一个标准均压环(设置M型接地网,每隔5 m垂直接地1次,共需48个孔),采用φ16 mm2的铜芯
线将观测场内设备均接到地网上,同时引二路40 mm×4 mm热镀锌扁钢接至观测室,独立接地的外网应距离内网不少于3 m,经实测内网接地电阻小于1 Ω。

观测场
内外网接地示意如图2所示。

内、外网隔离技术处理:内网的两根40 mm×4 mm热镀锌扁钢在经过外网时,采用加装φ50 mm PVC绝缘套管,两端用沥青填充
封堵(≥6 m),交界处用60 mm×60 mm环氧树脂板隔离,确保内、外网绝缘。

因内、外网是均埋地,且交界处距离较近,能否保证二者间的不相互干扰,与地处环境的土壤性质有直接的关系,如土壤成分、湿度等,对内、外网接地材料有一定的腐蚀作用,采用沥青和环氧树脂材料目的是为了延长接地体被腐蚀、锈蚀的周期。

3.3 直击雷防护
在观测场内有1根10 m高的风向风速仪,在杆上装有2 m高的避雷针,根据GB 50057—2010《建筑物防雷设计规范》附录D中规定,保护半径为
式中: h——针高,取12 m;
r——滚球半径;
hx——被保护物高度,取2 m(观测场内最高设备)。

根据雷电环境分析结果该
地年预计雷击次数为4.49次/a,参照GB 50057—2010第3.0.3条,应划分为第二
类防雷建筑物(下同),因此滚球半径取45 m,经计算保护范围rx= 17.3 m。

由于观
测场为25 m×35 m,长宽均大于17.3 m,观测场内存在雷击风险。

解决方法是在观测场的四周设置4根独立接闪杆,且接闪杆采用接闪线相互连接,共同形成杆线混合的直击雷接闪设施,接闪线高度按图集03D501-1《防雷与接地安装》,利用GFW系列接闪线安装方法,采用φ7.8 mm 304不锈钢钢绞线,为防止接
闪线与风感应器之间的反击,安全距离不少于3 m,故接闪线的高度为15 m,观测场
内设备完全处在杆线接闪器的保护范围内。

观测场直击雷防护示意如图3所示。

4根独立接闪杆采用针线两两对拉,不仅对观测场形成了全保护,同时也增加接闪杆的稳定性,顶部高效避雷针不至于产生摆动。

在防雷工程中遇到顶部高效避雷针脱落现象,主要是厂家在产品设计上将高效避雷针(上面部分)和避雷针杆(下面部分)采用了螺丝拧接方式,由于这种设计缺陷的存在,在风长时间吹动作用下导致顶部针尖脱落,故采取针线组合方式很好地解决了这种设计上的缺陷。

3.4 屏蔽和电涌保护措施
在观测场地沟内采用100 mm×50 mm×1.2 mm热镀锌金属线槽设置带有隔离层金属桥架,线槽每隔5 m与地网相接一次,桥架之间全部跨接。

电源和信号线全部放置在带隔离层的金属线槽中,在桥架的首尾端加装电涌保护器(Surge Protective Device,SPD)保护。

4.1 直击雷防护
按二类防雷标准设计,采用φ10 mm热镀锌圆钢在业务楼屋面明敷成≤10 m×10 m(或8 m×12 m)的接闪网格,利用柱筋做引下线,引下线间距≤18 m,利用水平和垂直柱筋做接地装置,设置外延环形接地极并与观测场、配电房共用一组接地,经实测接地电阻≤1 Ω[7-8]。

4.2 供配电线路
进入工作室的电源和信号线路全部进入金属线槽(100 mm×50 mm×1.2 mm热镀锌带隔离层),线槽每隔5 m与地网接地一次,桥架之间全部跨接,由供电部门在变压器杆加装大通量的高压避雷器,在业务楼总配安装In=60 kA(8/20 μs)电源SPD1,在进入观测室分配安装In=40 kA(8/20 μs)电源SPD2,在工作室UPS配电柜的进出端分别安装In=20 kA(8/20 μs)电源SPD3,在设备端分别加装In=10 kA(8/20 μs)防雷插座。

网络、信号、控制线路全部采用热镀锌金属线槽保护,首尾接地,中间跨接,并加装信
号SPD,且信号的光纤金属加强芯应接地。

4.3 等电位联结与接地
在工作室内铺设30 mm×3 mm×1.2 mm的M型等电位联结铜排,将工作室内所有设备的金属外壳、防静电接地、信号地、PE线和SPD接地线、屏蔽金属管和屏蔽线的金属外护层均与铜排连接。

5.1 安全保证
坚持“安全第一,预防为主”的思想,施工前进行安全思想教育和培训,与施工人员签订安全责任书;防雷施工时应持有防雷施工资格证;对进入工地的用电设备须做绝缘测定,符合安全要求方可使用;对高空作业人员还需牢记安全帽、安全带和安全绳,做好安全防护措施。

5.2 质量保证
所有防雷工程材料应采用国标,接闪器及接地装置应采用热镀锌材料,防雷装置的各种焊接应双面满焊。

5.3 技术保证
(1) 机房和机柜位置的确定。

为减少雷击电磁脉冲,机房不要设置在建筑物的两侧、顶层、地面,最好放在中间。

机柜设置位置不应紧贴外墙(有条件的按距墙≥3 m),以防止遭受雷电感应。

(2) 接地。

机房接地(或均压环)尽量不用避雷引下线,不要将附近的针、(带、网)引入户内做等电位,否则会引雷入室。

(3) 浪涌保护。

线路安装应尽可能降低线路感抗,防止相互反击。

电源SPD的各级选型应根据各地综合环境评价确定,安装时应考虑其等级间的配合,同时注意线径,进出SPD电源线不应在同端口和并排设置,最好采用双绞线。

(4) 防雷电波侵入及等电位联结。

电力、信号、金属管道、金属构架、电缆等,在入户时应与等电位排相连接。

工作室机房应在四个不同方向设置局部等电位联结带,
尽量不要使用引下线作为等电位联结。

当涂凤凰山气象观测站的防雷设计和施工是一项非常复杂的综合性防雷工程,任何一个环节的疏忽,都可能导致雷击安全事故的发生,因此只有严格按照技术规范要求,采用现代防雷技术的躲、拦截、接闪、屏蔽、分流、接地、布线、等电位、加装SPD等有效手段,才能取得最佳的防雷效果。

[1] 陈秀华,曾贤圣.气象观测站的防雷方案[J].科技资讯,2009(20):180.
[2] 德庆措姆,白玛措姆,更增尼玛,等.自动气象站防雷技术初探[J].西藏科
技,2009(5):62-66.
[3] 郑西,李如强,岑剑.山区自动气象站防雷探讨[J].贵州气象,2009(2):44-45.
[4] 梁邦全.多要素自动气象站防雷防护初探[J].气象水文海洋仪器,2010(2):91-96.
[5] 建筑物防雷设计规范:GB 50057—2010[S].
[6] 建筑物电子信息系统防雷技术规范:GB 50343—2012[S].
[7] 虞昊.现代防雷技术基础[M].北京:清华大学出版社,2005.
[8] 潘忠林.现代防雷技术[M].成都:电子科技大学出版社,1997.。