新型自动气象站观测场室防雷系统设计(终稿)

新型自动气象站观测场室防雷系统设计

聂武夫，陈姣荣，曹向林

（湖南省岳阳市气象局，414000）

摘要：通过岳阳市新型自动气象站建设雷电防护的实践，在《自动气象站场室防雷技术规范》QX30-2004的基础上，借鉴一些其他行业相关性较强的规范条文，针对现阶段新型自动气象站场室雷电防护工程在设计、施工过程中的问题，全面的进行分析总结，探讨新型自动气象站的防雷技术问题。

关键词：新型自动气象站；借鉴；雷电防护

1、引言

随着气象业务改革的深化，观测自动化进程的稳步推进，新型自动气象站推广建设已有序铺开。至2013年5月底，湖南省气象部门在原有自动气象站基础上，已有26个台站（其中岳阳有岳阳观测站、湘阴、汨罗共3个站）完成新型自动气象站的建设并投入正常使用。

新型自动气象站是以自动气候站为基础，采用当今成熟的、稳定的、先进的电子测量、数据传输和控制系统技术，设计基于现代总线技术和嵌入式系统技术构建的自动气象站，满足地面气象观测温度、湿度、气压、雨量、风向、风速、蒸发、草面温度、地表温度以及浅层地温和深层地温的观测。

新型自动气象站主要由数据采集器、供电系统、传感器、通信系统组成。可以挂接的传感器分别有：风速传感器、风向传感器、湿度传感器、气压传感器、地温传感器、气温传感器、雨量传感器、蒸发传感器等。数据采集器是自动气象站的核心，由硬件和嵌入式软件组成。硬件包含高性能的嵌入式处理器、高精度的A/D电路、高精度的实时时钟电路、大容量的程序和数据存储器、传感器接口、通信接口、CAN 总线接口、外接存储器接口、以太网接口、监测电路、指示灯等，嵌入式软件包含主采集系统、地温采集系统、温湿度智能传感器等。

由于传感器、数据采集系统分布在室外LPZ0区，工作电压仅几伏，对电磁干扰极其敏感，而雷电的电压可高达数十万伏，瞬间电流可高达数十万安，对信息系统具有极大的破坏性。由于系统环节多、接口多、线路长等原因，给雷电的耦合提供了条件，是感应脉冲过电压容易侵入的原因，也是感应脉冲过电压侵入的主要通道。若防雷措施采取不当，将严重影响到新型自动气象站的正常工作运行。要实现观测业务自动化，提高观测数据的传输时效和数据质量，保障自动气象站设备运行环境至关重要。新型自动气象站设备环境对雷电防护均有严格的要求，针对新型自动气象站场室雷电防护的特点及要求，精心设计、施工，采取切实有效的防护措施，对于提高整个新型自动气象站场室的安全性、可靠性提供具有十分重要的意义。

2.雷电防护系统设计

雷电防护系统主要由外部雷电防护和内部雷电防护组成。外部雷电防护措施包括接闪器、引下线、接地装置等。内部雷电措施有建筑物的自然屏蔽、电线电缆的屏蔽、仪表设备的屏蔽、接地、等电位连接、合理布线、配备电涌保护器。

2.1外部雷电防护系统设计

新型自动气象站场室一般由室外观测场和工作室组成。

观测场采用避雷针进行直击雷防护，观测场内的所有观测设备均应处于LPZ0B区内，当采用风杆作为避雷针的支撑件，尚有部分设备不在LPZ0B区内时，应在该设备附近安装避雷针，使其处于LPZ0B 区内。风向杆高度一般为10米到12米，观测场内除风杆外相对较高的设备包括高度2.2米左右的百叶箱和采样区中心高度2.8米的能见度仪，以10米避雷针为例，按照滚球法经计算，其在2.2米高度和2.8米高度的保护半径分别为17.068米和15.051米，一般情况均能处于避雷针的保护范围内。避雷针的接地体应与共用接地装置电气连接。观测场风杆宜采用金属管作支撑件，应在距风杆顶端200～300mm 处设置避雷针，避雷针通过绝缘杆固定于风杆上；避雷针应选用直径不小于16mm的圆钢，其长度不小于1500mm，水平绝缘距离不应小于500mm。避雷针引下线应沿风杆上端拉线入地，该拉线应通过绝缘等级为35KV（1.2/50μs）的拉线绝缘子与风杆绝缘，引下线宜采用屏蔽电缆，其芯线的多股铜线的截面积不应小于50mm²。引下线入地点附近应设置不少于一根垂直接地体，并与观测场地网作可靠电气连接。（见图1）

图1 风杆直击雷防护图示

新型自动气象站工作室作为气象部门的重要核心建筑之一，对安全程度要求较高，而其遭受直击雷损害的几率较之电磁干扰损害更小，在直击雷防护上宜“低调”处理，不建议采用避雷针进行防护，宜采用接闪网进行防护；其次，考虑到新型自动气象站工作室的规模较小，不同的防雷工程类别，投资差别很小，可参照SH/T3164-2012《石油化工仪表系统防雷设计规范》中第4.1款，将新型自动气象站场室按第一类防雷建筑物的规定，采取防雷措施，这样既安全可靠，又便于设计，防雷工程增加的投资也较少。接闪器宜采用明敷接闪带和暗敷避雷网相结合的方式，网格尺寸不大于5m×5m或6m×4m。明敷接闪带可保证女儿墙不受损伤。工作室一般不高，在允许屋顶遭雷击时混凝土会有一些碎片脱开以及小块防水、保温层遭破坏的前提下，利用工作室屋顶钢筋作为暗敷避雷网。利用建筑物的金属体做防雷装置的优点是安全、可靠、使用周期长、维修费用低。由于防雷装置全部或大部分埋设在建筑结构件内或是利用建筑本身的金属构件，因此利用建筑物金属体做防雷及接地装置可以看作该装置的使用寿命与建筑物本身是相同的，契合自动气象站长期存在的特点。

接闪网应设置多根专用引下线，间距不大于12m。接闪网引下线宜设置在新型自动气象站场室的外墙四角。应围绕新型自动气象站场室设置环形接地装置，接闪网引下线应就近直接接入接地装置。新型自动气象站场室建筑物的钢筋等金属体不宜作为防直击雷装置的引下线。由于新型自动气象站的相对封闭的特性，专用引下线接触电压的风险可忽略不计。

考虑到气象站的面积一般不大，接闪带与专用引下线的材质除了可采用传统的圆钢，亦可用铜绞线作为女儿墙上的接闪带，虽然造价比圆钢大得多，但对把雷电流引入到地下是有利的，除了铜导线的电阻比圆钢电阻小之外，还有以下优点：

a. 从趋肤效益考虑，用铜绞线有利。雷电流是瞬时的大电流，其趋肤效应应是极其明显的，铜绞线的表面积远大于圆钢的表面积，因此有利于雷电流的流动。

b. 从接头多少考虑，用铜绞线有利。圆钢长度是受运输条件限制的，屋顶避雷带必须用许多根圆钢接起来，增加了接头。铜绞线的长度几乎不受限制，从避雷效果考虑，当然接头越少越好。对铜绞线的连接应采用化学熔焊法。

需要注意的是，当采用上述方法时，接地装置不应使用自然接地体及镀锌角钢、镀锌扁钢。由于不同金属之间的电化学反应，较活泼的金属更快被腐蚀，导致铜与铁的焊接点的腐蚀速度加快，造成接触点接触不良，泄流的作用就会大大地降低。因此，人工接地体也应采取铜包钢辅助接地极和铜包钢绞线，从而延长接地装置的使用寿命。这种方法对于酸性较强的土壤较为适用，用铜接地体的目的在于防腐蚀，如果纯粹为了降低接地电阻，那是没有意义的，因为接地体的电阻一般只占总接地电阻的2%左右。在非酸性特别强的土壤里用镀锌钢管接地电极，只要施工工艺合理，通常可以安全运行30年左右。

气象站场室的防雷接地、防静电接地、电气设备的保护接地、仪表系统的工作接地、屏蔽接地、电