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摘要 桐城国家基准气候站观测场虽处于海拔85.4 m高处，但这么多年来几乎没有遭受过雷电灾害，原因在于其良好的防雷措施和整体接地的运用才使得桐城国家基准气候站观测场能够有效地防止雷电的侵害。在此针对桐城国家气候基准站观测场改建后的现状，主要通过避雷针保护范围的计算和整体闭合接地系统的阐述这两方面来论述桐城国家基准气候站观测场的雷电防护，希望可以在今后气象观测场的雷电防护上起到一定的示范指导作用。
关键词 国家基准气候站；观测场；整体闭合接地；避雷针保护范围；雷电防护；桐城
中图分类号S161文献标识码A文章编号0517-6611（2014）30-10598-04
作者简介秦伟（1982- ），男，江苏邗江人，助理工程师，从事防雷相关研究。
桐城市国家气候基准站始建于1956年，位于风景秀丽的西郊，被市民誉为桐城西山的一颗明珠。1990年经中国气象局批准成立国家基准气候站。随着新型业务系统的来临，观测场也在2012年11～12月份完成了改建，而这次的观测场改建对于雷电防护提出了更高更严格的要求。在这次改建中，观测场首次采用了整体闭合接地系统，形成了立体的、具有屏蔽功能的雷电保护体系，且通过统一部署在宏观上明确了思路，使观测场的雷电保护更加规范、标准。此外，在观测设备的防雷方面还采用了等电位连接以及三级电源保护器加以保护，使得观测设备的数据得到了完善的保护，同时也加强了值班室与观测场之间电源线路的防雷保护能力。笔者针对桐城国家基准气候站观测场改建后的现状，通过对观测场避雷针保护范围的计算以及整体闭合接地系统的剖面图和分布图的介绍，从外部和内部2个方面分析了观测场的雷电保护措施和方法，对于气象原始数据的保存、观测人员的人身安全、观测仪器设备的保护等都具有重要的意义。
1雷电防护的技术依据
目前观测场雷电防护的主要技术规范有《地面气象观测场值班室建设规范》（气发〔2008〕491号）、《新型自动气象站安装布局和相关业务规定》（气测函〔2012〕264号）、《建筑物防雷设计规范》（GB 50057-94 2000版）、《气象台（站）防雷技术规范》（QX 4-2000）、《建筑物防雷工程施工与质量验收规范》（GB 50601-2010）、《气象信息系统雷击电磁脉冲防护规范》（QX 3-2000），这6个就是现在雷电防护方面的主要技术规范，在此所研究讨论的内容均以这6个规范中的相关技术规定为依据。
2观测场的雷电防护
2.1观测场周边气候及雷电环境桐城市位于安庆北部，地势西北高东南低，山地、丘陵、平原呈阶梯分布。北亚热带湿润季风气候，气候温和，雨水充沛，光照充足，四季分明，气候资源配制多样，气象灾害繁多，其中雷暴活动十分频繁。根据桐城国家基准气候站的历史气象资料来看，近30年来桐城的年平均雷暴日为44.2 d，雷电灾害造成的经济损失和人员伤亡事故日益严重。雷电高发期主要是集中在6、7、8月，总数达全年的70%左右，其中峰值出现在7月。桐城国家基准气候站观测场位于海拔854 m的山坡上，虽然山体不高，但雷击事故频发，是多雷区[1]。从图1可以看出，观测场内仪器设备较多，周边雷电环境较差，因此，观测场的雷电保护是非常有必要的。
2.2观测场雷电保护范围的计算
2.2.1 风塔避雷。从安徽省地面气象观测场仪器基础规划总平面图（图2）可以看出观测场内的各个观测仪器位置的分布，利用此图可以计算出风塔的避雷保护范围。新型站的风塔取代了原来的风向杆，高度为10 m，其上设置高2 m的避雷针。观测场大小为25 m×25 m，由此，可以用滚球法算出风塔避雷针的保护范围。
从图3可以看出，距地面hr处作一平行于地面的平行线，以针尖为圆心，hr为半径，作弧线交于平行线的A、B两点，再以A、B为圆心，hr为半径作弧线，该弧线与针尖相交并与地面相切。从此弧线起到地面止就是保护范围，保护范围是一个对称的锥体。避雷针在hr高度为XX′平面上的保护半径rx为避雷针轴线至锥体母线交点的水平距离，可按公式rx=h（2hr-h）-hx（2hr-hx）计算，式中，rx为避雷针在hx高度的XX′平面上的保护半径（m），hr为滚球半径（m），hx为被保护物的高度（m）。即其中h取12 m（就是风塔的总高度），hr取45 m（第二类防雷建筑物的滚球半径），hx取0 m（即保护整个观测场地面），代入得保护半径rx为30.6 m[2]。图2安徽省地面气象观测场仪器基础规划总平面图图3滚球法计算风塔避雷针的保护范围2.2.2电视塔避雷。在观测场的周围，有一座高104 m距离观测场100 m左右的电视塔，同样用上面的方法来计算一下它的保护范围。同样，取h即为hr，hr为45 m，hx为0 m，代入公式得到rx=45 m。
2.2.3观测场内仪器的雷电保护。从以上对风塔和电视塔的保护范围的计算可以看到，对于电视塔来说，由于45 m<100 m，因此电视塔保护范围无法覆盖观测场，也就是说，电视塔对于观测场的雷电防护没有起到任何作用；对于风塔来说，虽然改建后的观测场扩充了10 m作为以后辐射等相关仪器的备用，变成了25 m×35 m，但现状所使用的仪器还在原观测场范围内，也就是说，现在主要考虑现阶段所使用的观测场的雷电防护，因此观测场地面保护半径可以视作25 m，由于25 m<30.6 m，因此风塔避雷针的保护范围可以覆盖到整个观测场。且观测场扩充的10 m范围，日后如果要增设辐射仪等相关设备仪器时，现有的风塔就无法保护它了，必须要重新设立新的独立避雷针来进行保护。
接下来，为了确定是否可以保护观测场范围内的仪器，必须要考虑到仪器的高度是否在锥形保护范围内，因此要选择离风塔最远的一个仪器——日照计。日照计离风塔最远，为17.5 m，同时，日照计高度为1.2 m，因此，可以计算一下在1.2 m高度上的风塔的保护半径。这时候hx取1.2 m，h依旧取12 m，hr取45 m，代入公式计算得到在日照计的高度12 m上的保护半径rx为20.27 m，大于17.5 m，所以在1.2 m的高度上，风塔可以保护到离它最远的仪器，也就是说，观测场范围内的所有仪器均在风塔的锥形保护范围内。
关键词 国家基准气候站；观测场；整体闭合接地；避雷针保护范围；雷电防护；桐城
中图分类号S161文献标识码A文章编号0517-6611（2014）30-10598-04
作者简介秦伟（1982- ），男，江苏邗江人，助理工程师，从事防雷相关研究。
桐城市国家气候基准站始建于1956年，位于风景秀丽的西郊，被市民誉为桐城西山的一颗明珠。1990年经中国气象局批准成立国家基准气候站。随着新型业务系统的来临，观测场也在2012年11～12月份完成了改建，而这次的观测场改建对于雷电防护提出了更高更严格的要求。在这次改建中，观测场首次采用了整体闭合接地系统，形成了立体的、具有屏蔽功能的雷电保护体系，且通过统一部署在宏观上明确了思路，使观测场的雷电保护更加规范、标准。此外，在观测设备的防雷方面还采用了等电位连接以及三级电源保护器加以保护，使得观测设备的数据得到了完善的保护，同时也加强了值班室与观测场之间电源线路的防雷保护能力。笔者针对桐城国家基准气候站观测场改建后的现状，通过对观测场避雷针保护范围的计算以及整体闭合接地系统的剖面图和分布图的介绍，从外部和内部2个方面分析了观测场的雷电保护措施和方法，对于气象原始数据的保存、观测人员的人身安全、观测仪器设备的保护等都具有重要的意义。
1雷电防护的技术依据
目前观测场雷电防护的主要技术规范有《地面气象观测场值班室建设规范》（气发〔2008〕491号）、《新型自动气象站安装布局和相关业务规定》（气测函〔2012〕264号）、《建筑物防雷设计规范》（GB 50057-94 2000版）、《气象台（站）防雷技术规范》（QX 4-2000）、《建筑物防雷工程施工与质量验收规范》（GB 50601-2010）、《气象信息系统雷击电磁脉冲防护规范》（QX 3-2000），这6个就是现在雷电防护方面的主要技术规范，在此所研究讨论的内容均以这6个规范中的相关技术规定为依据。
2观测场的雷电防护
2.1观测场周边气候及雷电环境桐城市位于安庆北部，地势西北高东南低，山地、丘陵、平原呈阶梯分布。北亚热带湿润季风气候，气候温和，雨水充沛，光照充足，四季分明，气候资源配制多样，气象灾害繁多，其中雷暴活动十分频繁。根据桐城国家基准气候站的历史气象资料来看，近30年来桐城的年平均雷暴日为44.2 d，雷电灾害造成的经济损失和人员伤亡事故日益严重。雷电高发期主要是集中在6、7、8月，总数达全年的70%左右，其中峰值出现在7月。桐城国家基准气候站观测场位于海拔854 m的山坡上，虽然山体不高，但雷击事故频发，是多雷区[1]。从图1可以看出，观测场内仪器设备较多，周边雷电环境较差，因此，观测场的雷电保护是非常有必要的。
2.2观测场雷电保护范围的计算
2.2.1 风塔避雷。从安徽省地面气象观测场仪器基础规划总平面图（图2）可以看出观测场内的各个观测仪器位置的分布，利用此图可以计算出风塔的避雷保护范围。新型站的风塔取代了原来的风向杆，高度为10 m，其上设置高2 m的避雷针。观测场大小为25 m×25 m，由此，可以用滚球法算出风塔避雷针的保护范围。
从图3可以看出，距地面hr处作一平行于地面的平行线，以针尖为圆心，hr为半径，作弧线交于平行线的A、B两点，再以A、B为圆心，hr为半径作弧线，该弧线与针尖相交并与地面相切。从此弧线起到地面止就是保护范围，保护范围是一个对称的锥体。避雷针在hr高度为XX′平面上的保护半径rx为避雷针轴线至锥体母线交点的水平距离，可按公式rx=h（2hr-h）-hx（2hr-hx）计算，式中，rx为避雷针在hx高度的XX′平面上的保护半径（m），hr为滚球半径（m），hx为被保护物的高度（m）。即其中h取12 m（就是风塔的总高度），hr取45 m（第二类防雷建筑物的滚球半径），hx取0 m（即保护整个观测场地面），代入得保护半径rx为30.6 m[2]。图2安徽省地面气象观测场仪器基础规划总平面图图3滚球法计算风塔避雷针的保护范围2.2.2电视塔避雷。在观测场的周围，有一座高104 m距离观测场100 m左右的电视塔，同样用上面的方法来计算一下它的保护范围。同样，取h即为hr，hr为45 m，hx为0 m，代入公式得到rx=45 m。
2.2.3观测场内仪器的雷电保护。从以上对风塔和电视塔的保护范围的计算可以看到，对于电视塔来说，由于45 m<100 m，因此电视塔保护范围无法覆盖观测场，也就是说，电视塔对于观测场的雷电防护没有起到任何作用；对于风塔来说，虽然改建后的观测场扩充了10 m作为以后辐射等相关仪器的备用，变成了25 m×35 m，但现状所使用的仪器还在原观测场范围内，也就是说，现在主要考虑现阶段所使用的观测场的雷电防护，因此观测场地面保护半径可以视作25 m，由于25 m<30.6 m，因此风塔避雷针的保护范围可以覆盖到整个观测场。且观测场扩充的10 m范围，日后如果要增设辐射仪等相关设备仪器时，现有的风塔就无法保护它了，必须要重新设立新的独立避雷针来进行保护。
接下来，为了确定是否可以保护观测场范围内的仪器，必须要考虑到仪器的高度是否在锥形保护范围内，因此要选择离风塔最远的一个仪器——日照计。日照计离风塔最远，为17.5 m，同时，日照计高度为1.2 m，因此，可以计算一下在1.2 m高度上的风塔的保护半径。这时候hx取1.2 m，h依旧取12 m，hr取45 m，代入公式计算得到在日照计的高度12 m上的保护半径rx为20.27 m，大于17.5 m，所以在1.2 m的高度上，风塔可以保护到离它最远的仪器，也就是说，观测场范围内的所有仪器均在风塔的锥形保护范围内。