自動氣象站的防雷與接地技術(shù)

張繼光

(陜西省漢中市氣象局技術(shù)保障中心，陜西漢中 723000)

自動氣象站，是一套自動化程度高、數(shù)據(jù)采集精度高的監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)從各種數(shù)據(jù)的采集到合成運算、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)傳速，大量運用了微電子技術(shù)。由于設(shè)備電路的精密集成度高，且工作于室外，甚至工作于惡劣的環(huán)境條件下。而近年來氣候環(huán)境惡化、天氣變化反復(fù)無常、雷電災(zāi)害也呈逐年上升趨勢。從而造成我國自動氣象站每年因雷擊、雷電電磁脈沖入侵、操作過電壓等因素的影響造成故障頻發(fā)，嚴(yán)重影響了各種氣象要素的正常采集。由于感應(yīng)雷電及雷電電磁脈沖的入侵易損壞相應(yīng)的電子設(shè)施，加之設(shè)備自身電纜饋線的裸露，感應(yīng)雷擊的危害明顯增加，僅靠避雷針已遠(yuǎn)不能滿足自動氣象站的防雷實際需求。因此，需做好系統(tǒng)接地工作和對臺站設(shè)備實施綜合防雷工程。

1 接地系統(tǒng)

用于自動氣象站的防雷工程務(wù)必做好系統(tǒng)接地，即:連線堅固、地網(wǎng)可靠、泄流暢通。總之，在一個工作區(qū)域內(nèi)，盡量將值班室內(nèi)的計算機(jī)、采集器、配電柜、通訊機(jī)柜及通信電纜等統(tǒng)籌考慮，按均壓、等電位的原理將工作地、保護(hù)地和防雷地組成一個聯(lián)合接地網(wǎng)，臺站內(nèi)各類接地線應(yīng)從接地匯集線或接地網(wǎng)上分別引入，擴(kuò)大地網(wǎng)范圍，增強整體防雷能力。

“接地”是避雷技術(shù)中的重要環(huán)節(jié)，無論直擊雷、感應(yīng)雷或其他形式的雷，都將通過接地裝置導(dǎo)入大地。因此，沒有合理而良好的接地裝置，就不能有效地進(jìn)行防雷。從避雷的角度講，把接閃器與大地做良好電氣連接的裝置稱為接地裝置。接地裝置的作用是把雷電對接閃器閃擊的電荷盡快泄放到大地，使其與大地的異種電荷中和。

1.1 地網(wǎng)的設(shè)計

對于室外氣象觀測場，地網(wǎng)采用閉合環(huán)形較好如圖1所示。氣象觀測場大小為25 m×25 m，考慮到施工方便，環(huán)行地網(wǎng)應(yīng)設(shè)計為26 m×26 m為宜。四角各設(shè)垂直接地體一根，四邊各增設(shè)4～5根，垂直接地體長度為2.0～2.5 m，垂直接地體的間距為自身長度的1.5～2倍。水平接地體與垂直接地體相交的焊接點應(yīng)做防腐處理。接地體埋設(shè)深度應(yīng)≥600 mm。觀測場接地電阻要求:公頻接地電阻應(yīng)≤4 Ω，對于采用組合單環(huán)水平接地方式仍不能滿足要求的場地，可采用多根環(huán)行水平接地體或增加輻射式延伸接地體，延伸接地體長度應(yīng)限制在10～30 m。在鋪設(shè)地網(wǎng)的同時，應(yīng)根據(jù)觀測場內(nèi)地面設(shè)備接地的位置，將引下線預(yù)先由地網(wǎng)引出。既要考慮設(shè)備就近接地，又要兼顧環(huán)行地網(wǎng)引下線的均勻分布。

圖1 綜合地網(wǎng)示圖

自動氣象站場、室宜采用共用接地系統(tǒng)。該接地系統(tǒng)由工作室地網(wǎng)與室外觀測場地網(wǎng)共同組成，如圖1所示，兩地網(wǎng)間的連接應(yīng)使用組合式接地體進(jìn)行連接。連接帶的埋設(shè)深度應(yīng)≥600 mm［1］。

1.2 主要接地標(biāo)準(zhǔn)

由于雷電浪涌電流較大，頻譜較寬且持續(xù)時間短，避雷系統(tǒng)的接地電阻要求應(yīng)足夠小，工頻接地電阻應(yīng)≤4 Ω［2］。

為增大地表層的泄放面積，可采用埋設(shè)有一定間隔(3～5 m)的多根接地體，且相互焊接。接地體宜采用熱鍍鋅鋼材，其規(guī)格要求如下:鋼管Φ50 mm;壁厚≥3.5 mm;角鋼≥50 mm×50 mm×5 mm;扁鋼≥40 mm×4 mm。

2 接閃裝置和引下線

自動氣象站觀測場內(nèi)的所有觀測設(shè)備均在直擊雷范圍，必須用避雷針進(jìn)行保護(hù)，可利用風(fēng)桿或風(fēng)塔作為避雷針的引下線或使用獨立引下線［3］。

對于防直擊雷，一般主要采用避雷針、避雷帶、避雷網(wǎng)等傳統(tǒng)避雷裝置，只要設(shè)計規(guī)范，安裝合理，這些避雷設(shè)施便能對直擊雷進(jìn)行有效的防御，這種方法經(jīng)濟(jì)、簡單。但要注意，由于避雷針、帶接觸雷擊的強度較大、范圍較廣，首先要確保其具有良好的電流泄放通道。

避雷針應(yīng)選用直徑≥16 mm的圓鋼，針尖應(yīng)沾銅。其長度宜在1200～1500 mm，避雷針的引下線可利用風(fēng)桿或風(fēng)塔入地，也可采用獨立引下線。若使用獨立引下線，為增大引下線的集膚效應(yīng)，宜采用截面積≥50 mm2的多股銅線。使用風(fēng)桿做引下線的拉線應(yīng)通過絕緣等級為35 kV(1.2/50 μs)以上的絕緣子與風(fēng)桿絕緣。觀測場內(nèi)金屬圍欄，百葉箱支架、雨量器、蒸發(fā)、自動氣象站信號轉(zhuǎn)接箱金屬外殼等應(yīng)就近與觀測場地網(wǎng)連接［1］。

3 室內(nèi)設(shè)備要可靠接地

室內(nèi)設(shè)備接地要求必須有盡量小的電感量。引線不宜采用扁平編織線或絞合線，因為這種線電感量較大，不利于雷擊電流的泄放，且容易被腐蝕。要盡可能使用3 mm以上的實心導(dǎo)線，且最好是相同的金屬材料。禁止兩種不同金屬材料混用。

自動氣象站室內(nèi)設(shè)備主要有微機(jī)、打印機(jī)、UPS電源以及計算機(jī)通訊系統(tǒng)等組成。值班室本身應(yīng)具備有效的防直擊雷措施、良好的接地體，工頻接地電阻應(yīng)＜4 Ω［2］;觀測場探測器到室內(nèi)通訊線的感應(yīng)雷防護(hù)由接口防雷保護(hù)器擔(dān)任，并作可靠接地。在給自動氣象站設(shè)備供電的UPS之前，需至少加裝一級電源避雷器，并可靠接地。

進(jìn)入自動氣象站工作室的所有線纜應(yīng)使用屏蔽線纜，并穿金屬管埋地引入。線纜屏蔽層和金屬管應(yīng)在建筑物入口處進(jìn)行等電位連接［3］。

自動氣象站工作室內(nèi)應(yīng)作等電位處理。可采用星形連接，或網(wǎng)形連接。并應(yīng)與建筑物內(nèi)鋼筋或人工接地體作連接［2］。

當(dāng)室內(nèi)等電位采用S型連接時，設(shè)備之間、設(shè)備至等電位連接板的各連接導(dǎo)線之間應(yīng)有＞10 kV(1.2/50 μs)的絕緣。工作室內(nèi)所有設(shè)備的金屬外殼、防靜電接地、信號地、PE線和SPD接地線、屏蔽金屬管和屏蔽線纜的金屬外護(hù)層均應(yīng)就近與等電位連接板進(jìn)行電氣連接。

當(dāng)室內(nèi)等電位采用網(wǎng)形連接時，等電位連接帶宜每隔≤5 m與建筑物內(nèi)主鋼筋連接。當(dāng)建筑物無鋼筋或建筑物內(nèi)鋼筋截面達(dá)不到地網(wǎng)要求時，網(wǎng)形等電位連接帶應(yīng)有不少于兩處與人工地網(wǎng)可靠連接。

網(wǎng)形和星形等電位連接的基本方法如圖2所示。

4 走出共用接地的誤區(qū)

圖2 室內(nèi)等電位連接的基本方法示例

目前，關(guān)于共用接地有一種誤解，認(rèn)為將設(shè)備的接地引線無論怎樣連接，最終只要接在同一個接地體上就算是共用接地，如圖3所示。將“共引線”也誤認(rèn)為是“共地”。其實不然，所謂“共用接地”就是把許多不同性質(zhì)的接地裝置如電氣安全接地、交流電源工作地、通信及計算機(jī)直流地等匯集于一個等電位連接箱，使之成為一個等電位體，然后直接與接地體連接，而防雷地則通過另一條引下線與接地體連接。而不是將室內(nèi)設(shè)備接地與室外防直擊雷接地通過同一根引下線與地相連。更不允許將室內(nèi)接地引線與室外防直擊雷引線匯集與一個所謂的等電位連接箱，然后再與接地體相連。室內(nèi)接地引線要遠(yuǎn)離室外防雷引下線，如圖4所示。否則，遇雷擊時，強大的雷電流在通過引線向大地泄放的同時，室內(nèi)引線及所有設(shè)備上瞬間便會產(chǎn)生很高的電位差，設(shè)備難免遭到破壞。另外，假設(shè)與接地體相連的引線因銹蝕斷開或等電位連接端子接觸不良，一旦發(fā)生雷擊，強大的雷電流便會直擊至值班室設(shè)備上，這是非常危險的。

圖3 錯誤的連接方法

圖4 正確的連接方法

5 做好等電位連接

等電位連接是把值班室內(nèi)所有設(shè)備如采集器、計算機(jī)、打印機(jī)、UPS電源、通信機(jī)柜及附近的所有金屬物，如混凝土內(nèi)的鋼筋，金屬柜、金屬門窗及其他金屬管道、電力系統(tǒng)的零線等用電氣連接的方法連接，使整座建筑物成為一個良好的等電位體。當(dāng)雷電襲來時，由于建筑物內(nèi)部及其附近基本上做到等電位，因而不會發(fā)生建筑物內(nèi)部的設(shè)備被高電位反擊和人被雷擊的事故。由于采用了等電位連接，對建筑物接地電阻的要求可適當(dāng)放寬。這一點對于土壤電阻率較高的臺站尤為重要［3］。

6 結(jié)束語

自動氣象站在氣象測報業(yè)務(wù)工作中占有重要的位置。能否正常而穩(wěn)定的運行，不但要求在平時除認(rèn)真做好日常維護(hù)工作外，而且要避免雷電等的危害。

［1］ 中國氣象局.地面氣象觀測規(guī)范［M］.北京:氣象出版社，2003.

［2］ 國家技術(shù)監(jiān)督局.電子計算機(jī)機(jī)房設(shè)計規(guī)范(GB50174－93)［S］.北京:國家技術(shù)監(jiān)督局，1993.

［3］ 國家技術(shù)監(jiān)督局.建筑物防雷設(shè)計規(guī)范(GB50057－94)［S］.北京:國家技術(shù)監(jiān)督局，1994.