武平国家基本气象站防雷改造研究

［摘要］地面气象观测场因场地开阔、设备精密、电磁敏感，易受直击雷、感应雷、雷电波侵入与地电位反击危害，是雷电灾害高发区域。本文依据GB/T31162-2014《地面气象观测场(室)防雷技术规范》等国家局已发布专用防雷标准，以武平国家基本气象站的地面观测场防雷改造工程为对象，开展雷电防护装置检测、雷电灾害风险评估与防雷安全改造方案研究，形成包含外部直击雷防护与综合接地网、内部等电位联结、多级浪涌保护、线缆屏蔽与敷设的一体化改造体系。通过工程实施，改造后观测场雷电防护装置接地电阻长期稳定符合规范要求，设备雷击故障率显著下降，观测数据连续可靠，满足气象业务运行与安全防护要求，可为同类气象观测场防雷改造提供参考。

［关键词］地面气象观测场；防雷改造；接地系统；浪涌保护；等电位连接；QX/T30-2021

地面气象观测场是气象数据采集的核心场所，场内布设温湿度、气压、雨量、风速风向、辐射等精密传感器及采集设备，供电与信号线路结构复杂。武平国家基本气象站位于武平县平川街道竹园山顶，自2007年建成投用以来，于2017年和2021年两次发生雷电灾害，导致观测场A站、B站及相关设备损坏、数据中断、传输异常，严重影响气象业务连续运行。

本文以武平气象观测场防雷改造工程实践为案例，以国家发布的气象观测场专用防雷标准为依据，系统梳理技术方案、施工工艺与验收流程，形成可复制、可推广的标准化实施模式，为同类气象观测场防雷改造提供参考。

1 雷电风险与防护依据

为做好防雷改造方案，分析以下相关因素得相关参考，具体如下：

1.1地理位置

该地属于低山地貌单元，是县城边缘小山顶部，周边均为自然山坡，山顶是防雷重灾区。

1.2 地质条件

根据地勘报告资料，该地质表层是回填素填土，回填土下一层是残积砂质黏性土(原始土壤)，具有微腐蚀性。

1.3雷电环境

根据该县气象站1978-2013雷暴日观测历史数据，武平县年平均雷暴日69.46d，历史最大值为97d（1961年）。根据福建省（DDW1）的闪电监测数据（2022年7月1日-2024年6月30日），共监测到武平县地闪48830次，年均雷击大地密度为9.28次/ km²·a。雷电流辐值的最大值为216.06kA，平均值为16.94kA,110kA以上的地闪62次。(见图1)。

图1 武平县地闪（DDW1）雷电流幅值分布图

1.4主要雷电危害形式

①直击雷：直接击中观测支架、设备与线缆，造成机械破坏与高温熔蚀。

②感应雷：雷电电磁脉冲（LEMP）在信号线、电源线产生感应过电压。

③雷电波侵入：架空线或埋地线缆将浪涌传入室内设备。

④地电位反击：接地体电位抬升，形成电位差损坏接口与采集器。

1.5防护等级

根据《建筑物防雷设计规范》GB 50057-2010[1]和《地面气象观测场(室)防雷技术规范》GB/T 31162-2014[2]的规定，地处平均雷暴日大于等于30d/a的国家基本气象站和地处平均雷暴日大于等于60d/a的国家一般气象站，防雷等级应划分为一级。武平站年平均雷暴日69.46d，最大值为97d（1961年），防雷措施等级应划分为一级。根据《地面气象观测场(室)防雷技术规范》的要求，国家基准站、基本站按第二类防雷建筑物设计，共用接地系统的接地电阻要求≤4Ω，高土壤电阻率地区可放宽至≤10Ω。武平国家基本气象站属于国家基本气象站，执行二类标准，直击雷接地系统的接地电阻≤10Ω，共用接地系统的接地电阻≤4Ω标准实施。

2 现状勘查与问题分析

在开展设计前，需明确气象观测场可能遭受雷击的原因与入侵路径，为防雷保护技术研究提供依据。

2.1 现场检测内容

现场对原接地电阻、接闪器保护范围、线缆敷设、SPD配置、等电位连接、设备布局及屏蔽状况进行全面勘查[3]。本文仅列出不符合规范的问题，其余防雷措施均满足要求。

2.2 雷电防护装置现状及问题

2.2.1 防直击雷

现有直击雷防护主要依靠风塔顶部接闪杆，并在观测场西侧约8m处设1座18m高避雷塔，用于保护出入口人员安全。(见图2)

图2　气象观测场接闪杆原图

存在问题：①避雷塔保护范围不足，无法全覆盖观测场设备；②塔体位于出入口，未设置跨步电压与接触电压防护；③塔身为非标塔针组合，抗风压性能不明确；④投用近20年，避雷针锈蚀严重。

2.2.2 接地系统

观测场采用直击雷接地、内部系统接地与电气电子设备接地共用接地装置。

存在问题：设备接地及等电位连接不良时，避雷塔接闪易引发地电位反击，造成设备损坏。

2.2.3 防雷电波侵入

配电采用TN系统，路径为高压架空线→局变→旧业务用房→UPS→观测场，线路敷设形式混杂且路径偏长；旧业务用房设T2级SPD（In=20kA，Up=2.08kV），观测场终端设T2级SPD（In=15kA，Up≤1.2kV）。

存在问题：①配电未按要求改造为TN‑S或TN‑C‑S系统；②前级SPD通流容量不足，泄流能力有限，SPD接线不规范导致保护水平偏高，且旧业务用房SPD已损坏；③UPS前端开关老化，现场布线杂乱。

2.2.4 防雷击电磁脉冲

电源与信号线路采用金属线槽分槽敷设。

存在问题：①线槽进设备处改用PVC管，屏蔽效果显著下降；②风速、风向传感器引线未做屏蔽处理；③等电位端子锈蚀、连接不规范，部分设备接线线径偏小；④光纤加强筋未接地。

3 防雷改造总体方案

遵循不影响观测、综合防护、等电位、共用接地、多级防护原则，构建接闪—导流—接地—等电位—浪涌保护—屏蔽六位一体防雷体系[4]。

3.1 外部防雷（直击雷防护）

拆除原有接闪杆，在观测场外架设三支不等高接闪杆。以观测场平面为基准，西侧及东北侧为双支等高独立接闪杆高度18m，东南侧接闪杆高度4m。东北侧接闪杆考虑6m护坡落差，东南侧接闪杆考虑4m护坡落差。按滚球半径45m设计，保护高度风塔处11m、其余区域2m，杆体高度不遮挡日照感应器。杆塔与观测场及原有接地装置间距不小于3m，宜按5m布设，其中一塔靠近风塔安装；按当地历史极大风速26.5m/s、基本风压0.7kN/m²进行结构设防。(见图3)

(图3注：接闪杆1，高度18m；接闪杆2，高度21m；接闪杆3，高度4m)

图3　接闪杆的保护范围

进行双地网建设理论推导。根据理论、数值模拟分析和接地网的散流机理进行分析研究，考虑在观测场外围新设独立直击雷接地网(见图4红线)，与原有接地装置间距≥3m，宜按5m布设，并与边坡井桩、地面冠梁可靠连接，冲击接地电阻≤10Ω(见图4)，经福建华茂公司检测直击雷接地网接地电阻为3.8Ω，符合规范要求。

图4：接闪针和直击雷地网改造后分布现状图

为防范接触电压与跨步电压，杆塔3m范围内设置护栏及警示标识，引下线附近地表敷设5cm沥青层或15cm砾石层，并采用网状接地做均衡电位处理。每座接闪塔引下线均安装雷电流峰值记录仪，实现泄流实时监测。

3.2 等电位连接

在防雷区界面（电源进线、设备控制箱等处）设置等电位母排，所有进入界面的金属构件、光纤加强芯、SPD接地均就近最短路径接入。观测场设备支架、机箱、屏蔽层、金属桥架、管线外皮等统一接入局部等电位排（LEB），消除电位差；各观测设备采用16mm²铜芯导线就近接地。

3.3 线缆敷设与屏蔽

电源、信号、光纤线路分开敷设，电源进出线分路布设。优化现有金属线槽，保证全线电气贯通，每5m接地一次，连接处做可靠跨接。通信线缆优先采用屏蔽线缆，屏蔽层规范接地；非屏蔽线缆具备条件时更换为屏蔽线缆。

3.4 防雷电波侵入措施

结合配电改造优化观测场供电路径，详见图5。本段工程重点实施UPS至观测场配电升级，线路全程穿不锈钢槽屏蔽，电缆金属铠装层可靠接地，配电制式按TN-S系统改造，这过程是防感应雷重要措施。(见图5)

(图5注：①高压入地；②供电环网柜；③局变；④双电源总配电和发电机；⑤业务设备配电箱和雷电临近预警式隔离防雷装置；⑥观测场专用UPS；⑦观测场设备配电箱(红线为电源线路，全程埋地)

图5：观测场配电走向图

按能量配合原则分级安装SPD：

①局变低压侧：I级SPD，冲击放电电流≥20kA，电压保护水平≤2.5kV；

②局总配：Ⅰ级SPD，标称放电电流≥20kA，电压保护水平≤1.8kV；

③业务设备配电箱(观测场UPS前端)：II级SPD，标称放电电流≥15kA，电压保护水平≤1.5kV；

④观测场配电箱(观测仪器前端)：III级SPD，标称放电电流≥3kA，电压保护水平≤1.2kV。

SPD优先采用凯文接法，引线总长度≤0.5m。

信号端在RS485/RS232、以太网、无线通信口加装适配SPD，雨量、辐射、风传感器配置专用防雷模块。条件允许时，依据GB/T 41089-2021在观测场UPS前端增设雷电临近预警式隔离防雷装置。

3.5 接地系统

采用双地网架构：接闪杆区域新建直击雷防护地网，观测场设备区沿用原合格接地网，实现功能分区、安全可靠。

3.6 后续效果检验

改造后3年(甚至更长时间)，还需做改造前后雷击故障率的对比统计，提供监测记录或统计数据来证明改造成果，证明确实抑制了感应过电压或降低了设备损坏率。 

4 结论

防雷改造的研究付诸实施后，经甲级资质检测单位检测，观测场直击雷防护、感应雷防护及接地系统均达到规范标准，改造后短期内运行现状稳定(还需更长时间进行检验)，防雷装置各项性能指标满足气象业务安全运行要求。实际运行成效显著，有效降低了观测设备因雷击造成的损坏与故障风险，保障了观测数据连续、可靠、准确传输，实现了观测系统安全稳定运行目标。

本项目形成的设计、施工、检测及验收标准化流程，可为同类气象观测场防雷改造工程提供技术参考与实践借鉴。

展望，后续可结合雷电监测预警、智能防雷在线监测等技术，持续完善防雷运维体系，进一步提升气象观测设施在复杂雷电环境下的安全保障能力。

参考文献

[1] 中华人民共和国国家标准.建筑物防雷设计规范:GB50057-2010[S].北京:中国计划出版社,2011.1.

[2] 四川省防雷中心,湖北省防雷中心.地面气象观测场（室）防雷技术规范:GB/T31162-2014[S].北京:中国标准出版社,2014.

[3] 中华人民共和国国家标准.建筑物电子信息系统防雷技术规范:GB50343-2012[S].北京:中国建筑工业出版社,2012.

[4] 中国气象局.自动气象站场室雷电防护技术规范:QX/T30-2021[S].北京:气象出版社,2021.

作者简介：胡海洋，1972年12月，工作单位：福建省武平县气象局，职称：副高级工程师，从事应用气象工作，地址：福建省武平县气象局