自動氣象站雷電防雷技術的探索

摘要:自動氣象站要求安裝在建筑物高處或野外，由于微電子裝置的脆弱性以及沛縣地處雷暴較多發區，自動站設備易遭受雷電損害。通過沛縣自動氣象站防雷設計的實踐，作者對自動氣象站防雷以及自動站數據通訊網絡防雷技術進行了研究。

關鍵詞：自動氣象站防雷技術

中圖分類號：TP399文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X(2012)03(b)-0000-00

雷電災害是一種較為嚴重的自然災害，由于它在很大程度上的不可預測性，給人類生命財產甚至文明成果、生態環境帶來巨大的損失乃至毀滅性打擊，人類迫切需要認識這種災害發生的原因，尋找規避、減小災害的有效辦法，以確保自身安全，促進社會經濟的全面發展。

隨著中尺度氣象觀測網組建任務的實施，自動氣象觀測站的建設已提到各級氣象臺站當前1-2年工作的重要議程。由于沛縣自動站一般都是建在高大建筑物的樓頂或建在地勢較高較空曠的野外，都是容易受到雷擊的地區。自動站的微電子設備對雷電感應的敏感性，使得防雷工作成為自動站建設中的一個非常重要的組成部分。#61472;

1 現代防雷工程技術分析

1.1接閃

接閃也稱為攔截，就是將雷電按照設計的路徑把能量釋放到大地。避雷針、避雷帶、避雷網格以及避雷線作為接閃器就是利用這一原理。直擊雷的防護主要取決于有效地利用接閃裝置。另一種利用阻抗限流技術的避雷針也叫限流或優化避雷針，其特點是在避雷針中增加電抗來減少雷電流的幅度和陡度。這樣可以減少雷電流的電磁效應及雷電電磁脈沖的干擾。

1.2分流

分流就是在從建筑物外引入的導線（電力供電線、電話線、網絡線等）與接地線之間安裝非線性器件。分流使用的非線性器件在IEC中稱為浪涌保護器（簡稱SPD）。SPD是防雷工程中對電子設備保護的關鍵器件。SPD內部的器件主要有氣體放電管、氧化鋅壓敏電阻、半導體器件。它們各有其不同的工作原理和特點。

1.3均壓

均壓也稱為均衡連接或等電位連接。接閃裝置遭受雷擊時，接地引下線上有較大的雷電流流過，由于引下線的分布電感和內阻，結果導致引下線上產生很高的電位。這個很高的電位會對周圍未接地的金屬導體或其它物體發生二次閃擊，使其電位升高，對附近的人員或設備造成危害。

1.4屏蔽

屏蔽就是用導電或導磁材料制成的盒、殼、屏、板等將電磁能限制在一定的空間范圍內，使場的能量從屏蔽體的一面傳到另一面時受到很大衰減的防電磁干擾措施。屏蔽措施主要分為輻射屏蔽和建筑物屏蔽兩個方面。

1.5接地

雷電防護中的接地是指防雷裝置及其電子設備的金屬外殼通過引下線與大地相接。防雷工程設計中接地主要是：電子設備的金屬外殼的接地，通過建筑物內墻的主鋼筋進行接地；建筑物內的電子設備單獨接地；各類接地系統在進行相互連接時，采用先單點接地在等電位連接等形式。

1.6合理布線

合理布線一方面指現代化智能建筑內的通信系統、辦公自動化系統、建筑

設備自動化系統的綜合布線技術。另一方面指在雷電防護中，合理的布線減少雷電波對建筑內的設備或物體造成的影響。

2 自動站的防雷環境

自動站一般建在樓頂或野外，其防雷環境相當惡劣。按照IEC1312-1介紹，應將需要保護的空間劃分為不同的防雷區（LPZ），以確定各部分空間不同的LEMP（雷閃電磁脈沖）的嚴重程度和相應的防護對策。分為直擊雷非防護區(LPZ0Ａ)、直擊雷防護區（LPZ0Ｂ）、防LEMP沖擊區LPZ１。通常防雷區劃分級數越多，電磁環境的參數就越低。根據以上劃分原則，沛縣自動氣象站處于LPZ１區，其具體劃分如下：值班室外墻以外，觀測場風桿（兼獨立避雷針）保護范圍以內、數據采集傳感器金屬殼以外確定為LPZ0Ｂ區；值班室內設備，地溝內電源、信號線纜、數據采集傳感器內電路板確定為LPZ１區。

3 自動站直擊雷防護構想和措施

自動氣象站由室外感應和室內資料處理顯示部分組成，加上室內外數據傳輸設備構成一個自動氣象觀測站系統。下面針對雷電對自動站的危害和解決思路逐步予以說明。

3.1直擊雷的危害

直擊雷的危害性主要表現在雷電放電時產生所出現的各種物理效應作用，具有很大的破壞力。按其破壞機制可分為電效應、熱效應、電磁效應和機械效應。造成電力系統的發電機、變壓器、斷路器等電氣線路和設備燒毀，引起絕緣擊穿而發生短路，導致可燃燒和爆炸現象。

3.2自動站直擊雷防護措施

沛縣地面站自動站儀器和避雷針作如下設計施工，拆掉一根原有風向竿，在原裝風向竿的位置安裝自動站風向竿，在風向竿的正南1.5米處安裝自動站信號采集器，在原最西邊百葉箱位置安裝自動站配備的玻璃鋼百葉箱（內裝溫度、濕度感應器），在自動站風向竿西邊5米處（剛好在觀測場圍欄外）安裝塔式避雷針，避雷針高度20米，（按防雷滾球法計算要求高度）；地網在觀測場地外，接地電阻為3歐姆。在日射觀測架東北45度處的觀測場外圍欄邊裝一根15米高的獨立避雷針，接地網在觀測場東外側，接地電阻為3歐姆。值班室樓頂安裝一根長8米的獨立避雷針，該針接地電阻為2.5歐姆。加上原風向竿的避雷針和自動站風向竿的避雷針，整個觀測場已有4根避雷針。對觀測場設備防直擊雷起到了很好的作用。

為了保證設備的安全，當直擊雷暴強烈時，在非數據采集時間段，建議該站外電源短時停電，即將所有設備的外供電立即關掉，待直擊強雷暴過后再恢復設備正常供電。

4 自動站感應雷防護構想和措施

在有直擊雷防護的前提下，感應雷可以說是自動站設備損害的元兇。當雷電流在50～100μs的時間內，從0A變化到幾十萬A，在其周圍空間產生瞬變的強電磁場。在空間變化電磁場中的的被保護物，不論是導體還是非導體均作切割磁力線運動，使其產生很高的電磁電動勢造成危害；同時，閃電能輻射出從頻率為幾Hz的極低頻率直到幾千GHz的特高頻率，其中以5～10kHz的電磁輻射強度最大。當被保護物距離雷電較近時，主要受靜電感應影響，距離雷電較遠時，主要受電磁輻射的影響，做好電磁屏蔽并將屏蔽層可靠接地是原則，確保不遺漏可靠連接和接地是關鍵。感應雷電對自動氣象站損害的概率較大，其防護手段也較為復雜，因此，我們對我縣自動站的感應雷、電磁感應、雷電波入侵作了重點考慮。

4.1電源系統

由于電源線很多是架空敷設的，因此電源線是最容易給感應雷侵入的通道。根據普遍認可的研究標準，在一般電源線路上的感應雷電流通常是3kA左右，不超過10kA，電壓則在6kv以下。為此，該自動站電源在單位總配電箱引出后，即全程采用套Φ40 mm金屬管埋地引入值班室配電箱，在配電箱總空氣開關后安裝首級低壓電源避雷器。

避雷器的選用，由保護需要確定。IEC61312定義了防雷的保護分區，根據保護分區的要求需要在每個分區的交界處，安裝相對應的防雷器，在LPZ0B區與LPZ1區的交界處安裝B級（即第一級）防雷器，在LPZ1區與LPZ2區的交界處安裝C級（即第二級）防雷器，在LPZ2區的設備前端安裝D級（即第三級）防雷器。

根據VDE0675對B、C、D三級防雷器保護水平的要求

防雷器保護水平防雷器安裝等級

B級防雷器一般采用具有較大通流量的防雷器，可以將較大的雷電流泄放入地，達到限流的目的，同時將過電壓減小到一定的程度。

C、D級防雷器采用具有較低殘壓的防雷器，可以將線路中剩余的雷電流泄放入地，達到限壓的效果，使過電壓減小到設備能承受的水平。

自動氣象站所用部件及元器件的峰值沖擊電壓耐量，決定了防雷裝置允許的輸出殘壓值，由于采用不同方案、不同核心部件及元器件所組成的自動氣象站，其峰值耐壓值會有較大差異。我國通信部門有關標準指出在交流220V系統中，其元器件或部件的沖擊耐壓值應達1500V；在直流48V系統中則為330V，電信交換與用戶終點設置為1000V。

沛縣自動氣象站采用了多級避雷器共防的原則，即電源分兩級防雷，第一級對三相電源接了1組避雷器；第二級對入室單相電源加接2組避雷器；對網絡傳輸線接了兩組網絡避雷器。所有避雷器都要通過BV—6mm2銅芯線與地網聯接。

為了將感應雷擊減少到最低限度，從觀測場采集器到值班室終端，全程在設計傳輸線走向時完全做到避免架空，盡可能走地溝，無地溝可用則采用埋地20cm深，并加套Φ40 mm金屬套管，并在倆防雷區交界處安裝第二級低壓電源避雷器。

4.2通訊傳輸網絡系統

自動站采集到資料后，要傳輸給數據收集處理中心，其中的數據傳輸一定要通過通訊傳輸網絡系統，加上自動站到數據收集處理中心一般都不會在同一幢樓內，經過室外的網絡線也是很容易傳輸感應雷的通道；對于用無線通訊方式傳輸資料時，發射和接受天線也很容易把雷引入設備。其防護措施，一是電纜外皮兩端接地；二是在設備前端依據不同需求安裝相應的避雷器。

4.3傳感器通道引入

自動站傳感器是要與處理器相連的，當傳感器遭受雷擊時，也可以將雷電流引入處理器。因為其安裝在鐵盒中，可以將鐵盒接地屏蔽電磁感應。

5 地網設計和施工

由于自動站微電子設備對輸入功率變化的脆弱性和低賴受性，防雷要求比較高，根據設備廠商要求，接地電阻必須小于4歐姆。按照防雷工程的基本要求，沛縣自動氣象站在地網的設計施工時，圍觀測場外圍一圈、觀測場內沿地溝敷設，整個接地體成為網狀結構。水平接地體采用—40×4鍍鋅扁鋼，埋地深度為80cm；垂直接地體采用∠50×50×5×5000鍍鋅角鋼，每隔4m打入一條。使地網接地電阻降到了3歐姆，達到了設備要求。為設備的外殼接地，各采集器處留出接地引出端，采用Φ10鍍鋅圓鋼，匯流排采用30×4×10銅板制作，上鉆2個Φ2.5圓孔。

6 運行情況

沛縣自動氣象站從竣工投入運行至今，一直保持全天候24小時安全運行。經每年2次的防雷定期檢查，發現暴露部分無銹蝕、開路等現象，第一級避雷器記數2次。第二級記數1次，各避雷器未見故障，結論都是合格。以上結果證明該防雷工程是有效的、合格的。實踐證明，只要高標準，嚴要求，認真對待，精心組織，自動站的防雷工作還是可以做得很好的。

參考文獻

[1] 楊衛群，江燕如.建筑防雷教程.

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