摘要：本文对位于海边高山的气象观测场坪进行了防雷设计，重点讨论了直击雷防护、雷电感应和电磁脉冲防护。
关键字：防雷 直击雷 接地
0 引言
气象观测场坪是气象台站获取气象资料的主要场所，我台拟建设的观测场地处海边高山广阔地区，均处于雷电活动频繁地带。气象观测场坪的自动气象观测设备所有的数据采集是通过传感器获得，由于数据是微电流信号，对电磁环境十分敏感，自动气象观测设备的采集器到机房传输数据较远，因此气象观测场坪的防雷措施十分重要。
1 观测场及观测设备
1.1 观测场坪
观测场坪为10×10米的正方形观测场，四周为观测围网，场坪中有风杆基础、风杆拉线基础、主设备基础、云高仪基础、百叶箱基础、雨量筒基础和围栏基础等，各设备基础间有电缆沟连接，观测场坪地质多为岩石，土壤电阻率高，容易遭受雷击。
1.2 观测设备
观测设备包括采集系统及组件、通信单元、温湿度传感器、雨量传感器、风速风向传感器、气压传感器、能见度传感器、云高仪传感器和供电系统。
能见度仪、北斗终端、2块太阳能板、采集系统机箱、电源系统机箱安装于主设备立杆上，温湿度传感器安装于玻璃钢百叶箱内，风速风向传感器安装在风杆上。
风杆高度为10m，主设备立杆高度为3.5m，云高仪高为1.7m，百叶箱高为2m，雨量筒高为0.5m。
2 雷电分类及防护
2.1 直击雷
直击雷，雷暴活动区内，雷云直接通过人体、建筑物或设备等对地所产生的放电现象，称之为直接雷。此时雷电的主要破坏力在于电流特性而不在于放电产生的高电位，雷电击中人体建筑物或设备时，强大的电流转变成热能，瞬间可释放强大能量，直接雷具有强大的破坏力。闪电击中管道或导线时，雷电流可以沿线传送到很远的地方，其巨大的电热效应不仅对设备的机械结构和电气结构产生破坏作用，并可危及有关操作人员的安全。
防直击雷的避雷装置有避雷针、避雷带、避雷网和避雷线等。
2.2 雷电侧击
防雷电侧击的措施，通常沿建筑物四周设水平避雷带（均压环）。
2.3 雷电反击
防止雷电反击的措施是将建筑物的金属物体与防雷装置的接闪器、引下线分隔开保持一定距离。
2.4 雷电感应
雷电感应，当雷云来临时，在其所覆盖的地表面和各种物体上尤其是导体上将感生出大量与雷云底部电荷符号相反的电荷，形成静电场，当这种静电场强度不足以击穿空气产生中和效应，而雷云对另一雷云或带电体放电后，云中电荷消失，此时地面物体尤其是导体上聚集的电荷却产生了很高的电势，串入用电设施同样会造成对电子器件的损坏。
防止雷静电感应产生火花，建筑物内的金属物和突出屋面的金属物均应接到防雷电感应的接地装置上（即实现等电位联结）。
2.5 雷电波侵入
对电缆进出线，应在进出端将电缆金属外皮、钢管等与电气设备接地连接。
2.6 雷电电磁脉冲
雷电电磁感应，闪电电流在闪电通道周围的空间产生磁场，这种磁场将随时间而变化，并在附近的各类金属导体上激发出感应电动势或感生电流，在闪电电流入地过程中，变化磁场在附近金属导体上产生的感应电动势或感生电流也会造成电气设备的损坏。
为减少电磁干扰的感应效应，宜采取基本的屏蔽措施。
3 设计方案
为了很好的解决海边自动气象观测场坪的防雷措施，首先考虑在自动气象场坪内架设单独的避雷针，尽可能的让雷击点远离设备及线缆，让设备及线缆的闪电感应降到最低；由于采集器内安装了防雷板，所以要充分考虑站内的电源进线、接地、等电位、屏蔽措施。
3.1 观测场直击雷防护
由于观测场设备架设在海边山上，所以设计观测场内安装1根独立的避雷针，以减少雷击点与主设备的距离，降低设备雷电感应概率和减小设备雷电感应。在观测场内安装1根14m的避雷针，根据《建筑物防雷设计规范》GB50057-2012附录D规定，避雷针与风杆、主设备立杆、云高仪、百叶箱和雨量筒的最大距离，可以根据下列公式计算：
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式中：避雷针在高度的平面保护半径；
避雷针的高度；
滚球半径，按照GB50057-2010版确定（45m）；
被保护物的高度（m）；
避雷针在地面上的保护半径。
计算得出：避雷针最大保护距离10m高的风向风速杆为4.3m，最大保护距离3.5m高的云高仪为15.22m，最大保护距离1.5m高的云高仪为21m，最大保护距离1.7m高百叶箱为20.36，最大保护距离1m高雨量筒为23.18m。
3.2 观测场电源及信号防护
观测场内内安装了电源箱，供给自动气象站内的所有设备电源，因此，在自动气象站内的电源箱内或建筑物取电配电箱内安装电源电涌保护器，冲击电流25kA，保护电压水平不大于1.5kV，在电涌保护器前段安装空气开关保护。
观测场采集器到机房的信号需要在线缆两端安装信号电涌保护器，标称电流25kA，C2、In时电压保护水平Up（X-C）保护水平不大于30V，在电涌保护器前段安装空气开关保护。
3.3 观测场地网的设置
观测场地网应沿围栏四周敷设成环形闭合接地地网，并从地网四角及每条边的中间处引入观测场内，观测场内的地网可与线缆地沟重合敷设，其接地体可敷设在线缆地沟底部，埋设深度离地面0.7m，安装完成后回土夯实。观测场内所有设备，如金属立杆、采集器机箱、电源机箱、风杆、金属围栏、扶手等均要与地网牢固连接。同时观测场地网沿自动站线缆地沟辐射延伸至本地机房，与本地机房设备保护地及设备工作地合设共地，辐射延伸接地体敷设在线缆地沟底部，埋设深度离地面0.7m，安装完成后回土夯实。
选择观测场地网材料时，充分考虑到了其导电性、热稳定性、耐腐性和承受雷电流的能力，选用热镀锌钢材，垂直接地体选用?50mm离子接地棒，长度每根5m，由于现场的土质均为岩石，周边的垂直接地体采用机器钻进方式，并利用特效降阻剂配合使用，安装6根；线缆沟槽内的垂直接地装置采用50×50×5mm热镀锌角钢，长度每根2.5m，由于现场的土质均为岩石，垂直接地体采用机器钻进方式，并利用特效降阻剂配合使用，，水平接地母线选用40×4mm镀锌扁钢，垂直接地体间距为每隔4～6m设置一根，接地体埋设深度宜大于0.7m，在冻土地区应埋设在冻土层以下，接地体所有焊接口均应作防腐处理。
3.4 观测场地网接地电阻
观测场地网接地电阻不宜大于4，对周围土壤电阻率大于1000的高土壤电阻率地区，接地电阻可适当放宽，但要求采用多根环型接地体和多支线外延接地体，外延接地体的外延长度应小于接地网的有效长度(其中为土壤电阻率)。
另外，采取增加浇灌降阻剂或换土法等方法降低共用接地网的接地电阻值。
4 结束语
本文对位于海边高山的气象观测场坪进行了防雷设计，重点讨论了直击雷防护、雷电感应和电磁脉冲防护。
参考文献
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