地面气象观测站场室防雷改造

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第 3期2O13年 9月气 象 水 文 海 洋 仪 器Meteorological，Hydrological and Marine InstrumentsNO．3Sep．2013地面气象观测站场室防雷改造李 进 ，阮志文(江西省大气探测技术中心，南昌 330046)摘 要：通过对江西省地面气象观测站场 室防雷现状进行分析 ，找出雷电侵入观测站场 室的主要途径和雷击造成 自动气象站及其他场 内设备损坏 的主要原 因。提出通过在采集器前端加入信号级浪涌保护器、系统供 电部分完善 三级 SPD 防护、自动站信号和电源线缆通过地沟桥架进行屏蔽敷设、避雷针维护改造、场室接地改造等具体措施 ，使观测站场 室防雷系统性能得到完善和加强，避免出现因雷击造成 自动气象站观测及其他业务中断带来的不利影响。

关键词：地面气象观测站；自动气象站；等电位连接 ；浪涌保护器中图分类号：TH765 文献标识码 ：A 文章编号：1006—009X(2013)03-0070-05Lightning protection reformation for observation room of surfacemeteorol0gical observation stationLi Jin，Ruan Zhiwen(Jiangxi Meteorological Observation Center，Nanchang 330046)Abstract：According to the present status of lightning protection on observation room in Jiangxi surfacemeteorologica1 observation station，this paper finds out the main approach of the lightning invadingobservation room and puts forward the main reason that caused the damage of automatic weatherstation and other field equipments by lightning stroke． The performance of lightning protectionsystem for observation room is improved and strengthened by the following measures such as addingsignal level surge protective devices(SPD)in front of the collector，equipping three level SPD to thepower supply system ，guarding and shielding the signal and power cable of automatic weather stationby metal crane span structure，maintaining and reforming the lightning rod and grounding theobservation room． The interruption of the observation and operation of automatic weather stationcaused by lightning stroke is avoided.

Key words：surface meteorological station； automatic weather station；equipotential connection；surgeprotective devices0 引言按照《地面气象观测规范》[ 要求，地面气象观测场大都选在能反映其周围较大范围气候特点的区域，观测场四周要求平坦空旷且能代表周围地形，观测场周围不能有高的建筑物或种植高杆作物，以保证观测视线不受遮挡。观测场的场地特点，一定程度上增加了其受雷击侵害的概率。

目前，江西省有国家级自动气象站 92个，地面气象观测站场室使用时间超过 10 a。各个地面气收稿 日期 ：2013—02—27.

作者简介：李进(1980一)，男，大学，工程师．从事气象装备保障工作.

第 3期 李 进 ，等 ：地面气象观测站场室防雷改造 · 71 ·象观测站场室在建设时都按当时的防雷要求进行了设计和施工，但是由于当时防雷规范的局限性、气候环境变化和防雷设施 日渐老化等客观原因影响，一些台站场室雷电防护能力有所下降，省内自动气象站的仪器设备因雷击损坏现象明显增多。

据江西 省 大探 中心调 查 统计 ，2006～2010年，全省国家级自动气象站共发生故障 472次，其中雷击故障次数 1l3次，占故障总数的 23．9 ；雷击造成自动气象站观测业务中断 3 h(一般为采集器损坏)以上次数为 60次，占故障总数的12．7 。5年间，该省国家级 自动气象站设备仅雷击故障损失 l16．34万元，大探中心因雷击故障下站次数达到 100余人次，自动站维护保障成本不断增大。雷击故障造成 自动站气象资料缺失和实时业务发报中断，使该省地面观测业务正常运行受到影响，自动气象站可用性在全国排名下降。

针对江西省地面气象观测站场室防雷系统存在的缺 陷和漏 洞，进行一 次全面整改十分 必要 。

省大探中心根据近年来 自动站保障工作经验，提出了一些有针对性的自动站防雷解决办法，经实验室和个别台站实际检验，结果表明能在一定程度上使台站自动站场室防雷现状得到改善。

本次地面气象观测站场室防雷改造项 目对象为全省所有现役业务台站[2 ]，改造重点为台站地面观测场和业务值班室两个 区域 。解决台站场室在电源防浪涌 SPD分级布设、自动站设备信号端防雷保护措施、信号线缆感应雷屏蔽保护、观测场避雷针保护范围等方面存在的问题[4]。

1 改造技术分析1．1 雷电侵入途径及设备损坏主要原因分析1．1．1 雷电侵入站场的主要途径直击雷方面：直击雷直接击中场室避雷针、带或架空线缆，雷电波沿避雷针、带或架空线缆侵入自动站场室；直击雷在场室附近入地时 ，场室接地系统不符合要求，造成地电位反击现象发生；直击雷发生时 ，台站 电源三级 SPD防护不到位 ，雷 电波沿室外供 电线路侵入 自动站场室。

感应雷方面：场室附近雷击产生的静电感应或电磁感应，通过供电线路或信号线侵入自动站场室；自动站场室接地系统不符合要求，信号线缆没有屏蔽接地措施，感应雷通过信号线侵入自动站场室。

1．1．2 自动气象站设备损坏主要原 因分析从掌握的江西省台站防雷设施调研资料分析，虽然多数台站按规定进行了自动站防雷的工程建设。但从运行情况看，普遍存在以下几个问题：基本防雷工程施工不到位，如室内没有安装SPD或安装不到位、风传感器与风塔避雷针或引下线安装不规范、地下线缆未使用防雷金属管道、观测场到值班室等电位连接不规范、场室存在架空飞线等；此外，一些台站未设独立避雷针、分流地网不合理、原观测场室防雷设计不规范也是造成 自动气象站设备损坏的主要原因。

资料分析感应雷造成 的损害数量较多 ，而直击雷一次性破坏范 围较大。

(1)感应雷损失雷击放电泄流时，场室周 围产生较大的电磁场变化，如站场等电位连接不到位或者接地系统达不到要求，处在电磁场变化中的设备将造成损坏。此类故障现象较多，容易造成站场内传感器损坏，由于自动气象站线缆和传感器信号电缆敷设时屏蔽接地措施不到位，加上通信线缆串口部分缺乏防雷设施，造成感应雷发生时 自动站故障发生，此类故障较易造成 自动站采集器、传感器和计算机等自动站设备损坏，此类故障占目前雷击故障比例最高。

(2)直击雷损失雷电直接击中台站场室，造成设备损坏或业务中断，目前我省因此类现象造成台站设备损坏或业务中断的情况较少。直击雷击中场室避雷针、带或架空线缆，雷电波沿着避雷针、带或架空线缆侵入 自动站场室，由于台站三级电源 SPD防护缺失、安装不规范或产品质量等 问题造成场室设备损坏，此类故障在东乡站出现，但发生率不高。直击雷在场室附近通过地网人地，在地网上产生高电位，因地电位反击造成台站设备损坏和业务中断，此类故障发生不多但单次损失较大，如安福站、永丰站、新余站等。

分析得出，自动站场室防雷改造工作应侧重在加强场室感应雷防护能力方面。如重点做好场室内信号和电源线缆 的屏蔽接地、做好 自动站通信端口的防雷保护、做好场室内设备等电位连接等。同时做好站场内防直击雷设施的全面维护和改造，如做好场室电源系统三级 SPD装置的安装工作、场室避雷针、地网性能等防雷设施的检查维护和改造等 。

1．2 自动站场室防雷等级划分按照《自动站气象站场室防雷技术规 范》· 72 · 气 象 水 文 海 洋 仪 器QX 30—2O04第 6条规定 ，台站 的防雷等级需要从 台站平均雷暴 日参数进行确定 。按照江西省气象信息中心提供 的近 5年平均雷暴 日数据来看 ，江西省内各地气象站平均雷暴日都大于 40 d／a且小于 8O d／a，其中最大为 2010年 的 60．5 d，最小为 2009年的 44．5 d，建议所有台站防雷等级全部划分为二级。

2 具体改造措施参照国家质量监督检验检疫总局发布的《地面观测场雷电防护技术规范(草案)》与国家标准GB 557—1994《建筑物防雷设计规范92000版的要求 ，采用分流、接地 、屏蔽 、等电位和过电压保护等方法对台站防雷系统进行改造 。

2．1 气象观测场防护措施2．1．1 气象观测场直击雷防护目前 ，该省室外观测场直击雷防护一般采用避雷针进行保护 ，避雷针的支撑体为风杆或风塔 ，避雷针引下线沿风杆或塔体拉线人地，并与观测场地网作可靠 电气连接 。

江西省室外气象观测场防雷设备大都使用了近 10 a时间甚至更长，避雷针及观测场地网都是钢铁材料，由于普通碳钢表面基本不能产生保护的氧化膜层，它 的额定 电位为 一0．44 V，经不住酸、碱、盐、水、空气的腐蚀，年失重率为2．2 ，若按接地金属材料失重 4O 9／6为极限寿命 ，普通碳钢在地下的寿命最大为 18 a左右 ，所 以对有些塔身或引下线损坏较严重的台站 ，建议对室外观测场的避雷针及观测场地网进行更换 。同时，参照《自动气象站场室防雷技术规范》要求，对有在风杆或风塔上安装避雷针作为直击雷 防护的 台站，建议对风杆或风塔及其 防雷设 施进行认真检查 和维护 。]。检查内容为避雷针老化情况 、塔体结构、引下线与地网连接状况、拉线和绝缘端子检查等，如发现异常必须进行维护和更换。建议使用滚球法对台站避雷针保护范围进行重新测算，如果发现场内气象设备没有得到有效的直击雷防护，建议有场地条件的台站在观测场外增加一个独立避雷针或者增加场 内避雷针高度 ，实现观测场内设备全 面保护。

2．1．2 气象观测场 内重点观测设备防雷保护以华云 CAWS系列 自动站为例 ：(1)数据采集器 DT50(5OO)将数据传至值班室，在 采集 器 RS232串 口端 和 自动 站用 计 算机C0M1口处加装信号级浪涌保护器 SPD，SPD参数选择范围为 L>5 kA(8／20~s)，分别安装在气象观测室及数据采集器两端，预防电磁脉冲或感应雷击。

(2)主机箱内电源控制板 DY01输 出端加装直流 12 V直流电源专用避雷器 ，预防电磁脉冲或感 应雷 击 。

(3)检查观测场内各 自动站传感器、常规气象观测设备、金属围栏、设备外壳等与地网电气等电位连接情况，对已经腐蚀的等电位连接线进行更换。

2．1．3 观 测场地 网改造由于部分台站室外气象观测场地网存在老化情况 ，按照国家质量监督检验检疫总局发布的地面观测场雷电防护技术规范 (草案)与 国家标准GB 5O057—1994《建筑物防雷设计规范92000版的要求 ，增设地网，使地网接地电阻≤4 Q。

(1)地面气象观测场室共用接地系统 由室外地面气象观测场地网、值班室地网共同组成。两地 网间的连接带不少于两条 ，使用 O16的镀锌 圆钢进行连接 ，连接带的埋设深度为 0．5 m。

(2)室外观测场采用人工垂直接地体与水平接地体结合 的方式埋设人工接地体 ，人工水平接地体 的埋设深度为 500 mm；人工垂直接地体沿水平接地体均匀埋设 ，其长度为 2 500 mm，垂直接地体的间距大于其长度的两倍。施工过程中，在室外观测场 电缆沟下埋设人工接地体 。

(3)人工垂直接地体采用角钢；人工水平接地体采用扁钢；扁钢截面为 100 mm。，其厚度为4 mm；角钢厚度为 4 mm；钢管壁厚为 3．5 mm。

(4)室 内工作室优先利用建筑物基础接地体作为共用接地系统 的接地装置。当建筑物没有基础接地体可利用或建筑物基础钢筋达不到地网要求时，在建筑物 四周增设闭合环型接地网。在需作接地的设备附近，预留接地端子。

(5)地面气象观测场室所有设备共用同一接地系统，其工频接地电阻<4 n。

2．1．4 地沟内线缆管网改造和场内设备等电位连接对原有观测场内 PVC线管全部进行更换 ，把地沟内所有 PVC线管更换为桥架扁槽进行敷设 。

室外观测场的等电位接地端子与观测场地网作电气连接，观测场内采集器箱、地温传感器、雨量器、金属围栏等自动气象站设备金属外壳应就近与等电位接地端子进行电气连接，其连接部件做好防腐处理。图 1是观测场地沟桥架敷设示意图。

第 3期 李 进 ，等 ：地面气象观测站场室防雷改造 · 73 ·图 1 观测场地 沟桥 架敷设 示意图2．2 气象观测室雷电防护措施按照地面观测场雷电防护技术规范(草案)与国家标 准 GB 5OO57～1994《建筑物防雷设计规范)2OO0版 的要求 ，并根据气象观测 室设 备安全运行的重要性对观测室按照二类防雷建筑物进行如下防雷设计 。

2．2．1 气象观测室雷电防护(1)在气象观测室大楼配电室的电源输入端安装防雷箱 I台，作为大楼 电源 的第一级防雷保护。防雷器最大放电电流为 120 kA(8／20)。

(2)气象观测室所在楼层配电系统输入端安装 电源 防雷器 l套，作为 电源第 二级防雷保 护。

防雷器标称放 电电流 为 40 kA，防雷器最 大放 电电流 80 kA(8／20)。

(3)气象观测室配电系统输入端安装电源防雷器 1套，作为电源第三级防雷保护。防雷器标称放 电 电 流 为 20 kA，防雷 器 最 大 放 电 电 流40 kA(8／2o)。

(4)气象观测室 UPS电源输入端安装电源防雷器 1套 ，作为电源第 四级防雷保护。防雷器标称放 电电流 为 10 kA，防雷 器 最大 放 电 电流20 kA(8／20)。

(5)气象观测室电脑等电子设备电源输入端安装机架式 PDU一套，作为电源精细防护。

2．2．2 气象观测室等电位连接与大楼接地体连接当采用 S型等电位连接网络时，值班室内信息系统的所有金属组件 ，除等电位连接点外 ，应与共用接地系统的各组件有足够的绝缘(>10 kV1．2／50~s)。同时，各设备之间的所有线路和电缆应按照星形结构与各等 电位连接线平行敷设 ，以避免产生感应环路。如果采用 M 型等电位连接网络，则该信息系统的各金属组件不应与共用接地系统各组件绝缘。M 型等电位连接网络应通过多点组合到共用接地系统 中去 ，如图 2所示。

S湿型结构 M网型结构基本的等 l①l l 屯位连接网
接至共用I 盔盥 接地系统 的等电位连接
图 2 等 电位连接方法示意 图(1)等电位连接具体措施在值班室敷设一组接地等电位均压环，形状为网状结构，其材料采用30 mm×3 mm铜排，用 稍绝缘子作支撑，绝缘子连接支撑点间距不大于1 000 ram；网格尺寸不大于 3 000 mmX 3 000 mm，如图 3所示。

(2)与大楼接地体连接具体措施均压环与建筑物的共用等电位排接地排端子就近连接，在距离设备问最近的建筑物内墙立柱主钢筋开凿，利用铜铁接头与柱主筋焊接后，与均压环连接；连接端点采用栓接或焊接，连接到均压· 74 · 气 象 水 文 海 洋 仪 器 Sep．2013环的端点为对边或对角，严禁连接点使用大楼避雷带(网)防雷引下线立柱钢筋。另外将机房内的所有信号屏蔽 线 、电源 PE线 、机 房 内的设 备外壳 、机架 、静电地板的支撑架等可导电金属构件就近与均压环进行电气连接 ，如图 4所示。连接线采用 10 mm 黄绿双色接地多股铜芯线 。

均压网制作水意图热镀锌扁钢图 3 接地排安装示意 图!接地铜缆图 4 建筑物主筋与接地 铜缆 连接示意 图3 结束语做好台站场室业务系统的雷电防护是确保自动气象站可靠运行的关键点之一。在完成科学合理的防雷设计和施工后还应 当完善防雷设施检测和维护制度，并针对发现的问题不断地进行整改完善 ，才能更好地保证 自动气象站 的正常运行 ，以发挥其应有的作用。由于雷电的不确定性，雷击事故无法完全避免，因此 ，业务人员在加强对自动站设备维护知识学习的同时 ，应有对应的应急处理方案，以确保在事故发生后尽可能快的使自动气象站观测系统恢复正常运行，最大限度地减少气象探测资料的缺失。

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