自動氣象站防雷保護的探討

摘 要：自動氣象站是一種自動化的氣象觀測系統，應用目的在于節省人力或測量偏遠地域的相關氣象信息。由于內部存在大量的電子設備，獨立運行時會遭受各種氣象天氣，雷擊成為了損壞自動氣象站的最常見原因之一。文章主要結合現代雷電防護技術，研究并討論了如何減少雷擊帶來的損害的原因和保護自動氣象站的正常工作措施。

關鍵詞：自動氣象站；雷電防護；防雷

中圖分類號：P415.1 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2014）3-0050-02

自動氣象站的基本結構一般為傳感器、采集器、系統電源、通信接口及外圍設備（計算機）等組成。整個自動氣象站系統對來自外部的氣象情況進行如全面收集氣壓、溫度、風向、風速、濕度等氣象信息收集，整個系統是以計算機為基礎的氣象處理系統。除開人為干擾，雷電這樣的自然及其產生的電磁干擾對自動氣象站會產生極大的影響。自動氣象站的雷電防護工作成為了其面對惡劣天氣重要保障之一。

1 雷擊對于自動氣象站的隱患

自動氣象站所遭受的雷電侵害主要是在雷擊時產生傳導耦合和輻射耦合對電子設備的損壞。室外的觀測設備一般處于開闊場地，無高大建筑物干擾。風向風速感應儀器處于金屬桿體之上，雷擊對于高敏感度的金屬探頭的破壞是極大的。同時，桿體遭受雷擊會產生電磁脈沖通過電纜傳輸破壞設備。雷擊避雷針會產生強破壞力的暫態電磁場，自動氣象站上各部分的傳感器遭受電磁耦合現象，此時產生的局部高電位會發生地電位反擊，這些都會導致自動氣象站內部的設備損壞。室內設備如信號采集器、計算機以及電氣設備在雷擊發生之時，也會通過信號線等傳送的電磁脈沖遭受破壞。

在自動氣象站除開自然環境的影響，設備在安裝和設計之時存在的不足更是導致設備損害的常見問題。獨立避雷針是自動氣象站最直接的保護。根據地上的空間距離大于等于0.1倍沖擊接地電阻和保護物或計算點的高度之和；地中空中距離大于等于0.4倍沖擊接地電阻，這兩條標準明確規定了保護物件或建筑、避雷針和接地裝置之間的間距。當雷擊發生時，接閃的避雷針會產生強大的電磁脈沖和電位差，對于自動氣象站這種無人自動控制設備更需要嚴謹的遵循規定設計，保持避雷針與其的距離。屏蔽設備的安裝不正確或缺漏也會導致自動氣象站遭受破壞。自動氣象站內部設備都需要獨立避雷設計。

2 自動氣象站防雷技術措施

自動氣象站采用綜合防護措施，整個措施貫穿雷擊過程，主要為：①直擊雷防護；②屏蔽；③等電位聯接；④均壓；⑤電流疏分；⑥電壓限制；⑦接地。為此國家制定了以《氣象信息系統雷電電磁脈沖防護規范》做標準的技術規范，相關自動氣象站需要根據當地特點結合規范制定和設計防雷保護措施。

2.1 直擊雷防護

直擊雷防護裝置是整個自動氣象站防護系統最為關鍵的部分，良好的性能能大大提高自動氣象站在復雜雷雨天氣下的存活。直擊雷所產生的電流在接閃器接閃后分流疏散導入大地。據《氣象臺（站）防雷技術規范》確定自動氣象站所處場地的防雷等級，再依據按《建筑物防雷設計規范》確定接閃器的類型和組成方式（獨立型、混合型）。避雷針的規格按照表1所示設計和搭配。搭配2根以上的引下線能夠有效降低單位空間內的因雷擊產生的熱和磁。同時也需要注意避雷針的接地電阻率，一般設計要求為小于2 Ω，此時能夠明顯的減少設備因雷擊產生的故障率。

2.2 屏蔽、等電位聯接與均壓

在確保接閃裝置后，需要保證設備在最短的距離和公共節點和接面相連后保持整個自動氣象站系統內部處于統一的電平基準下。當雷雨季節，地面上的物體受天空中雷電場的影響感應出強大的靜電電荷，雷電場的閃現使得物體會發生靜電放電，此時就需要及時的疏導電流避免閃絡。因此，自動氣象站中非帶電金屬部分都需要做到可靠的接地措施，同時電纜和信號線的屏蔽措施和設備的外部殼體確保電磁鏈接，關鍵部位的金屬格柵需要進行電磁屏蔽，引下線需要和自動氣象站保持3 m以上的距離。

同時以6 m為間隔來布置埋地線纜用的電纜井，電纜井接頭需用鐵皮緊包，防止老鼠啃食和地電波干擾的情況。

2.3 雷電流疏分泄放與SPD的使用

避雷器（SPD）主要用于是疏散雷擊產生的放大電流，一旦有雷電流（過電壓）通過，避雷器立刻動作將雷擊產生的過電流疏泄，從而確保自動氣象站內部的電路和用電設備的安全； 終端用電設備也需要采用內含電源防浪涌保護器的電源插座，屏蔽瞬態過電壓。自動氣象站的供電系統和采集器端口在采用多級防浪涌保護，限制瞬間高電壓，疏分電流。絕緣防護需要電氣設備的絕緣強度在各種過電壓的作用下，均應高于此處的過電壓水平，并留有適當的裕度。

2.4 接地

室外的自動氣象站和室內的計算機、信號采集設備形成等電位。自動氣象站、建筑物基礎接地、防雷接地及觀測場接地建成統一的接地網， 并和地面上的金屬導體相連， 形成等電位。

3 計算自動氣象站防雷范圍

避雷針保護范圍的計算主要根據觀測場地內最高設備的高度確定。一般在觀測場地最高的設備主要是測風塔或風桿的避雷針，其他設備或儀器離地面距離較近可以在計算之時不予考慮。單避雷針保護計算方法通過滾球法計算出避雷針的高度及保護半徑，再按以下方法輔助測算：

保護半徑=1.5×避雷針高度×避雷針高度影響的校正系數

當避雷針高度≤30m時，避雷針高度影響的校正系數=1

按照計算方法，對于國家級的自動氣象站保護范圍應該完整包含外置轉接盒等設備的范圍實際值。

4 日常維護和檢查

自動氣象站屬于少人和無人看管的設備，需要確保儀器正常運行就需要定期的全面檢測。雷雨季節到來之前，工作人員需要全面檢查，并根據當地氣象變化和要求及時更新相關的防雷措施。接地系統和等電位，需要及時監測接地電阻阻值大小、連接是否牢固，及時替換和松動情況。電涌保護器是否存在接觸問題、漏電流問題和絕緣問題，發現問題及時處理。同時注意檢測人員在維護工作時的安全。

5 結 語

自動氣象站防雷保護工作除了直擊雷的防護，還要注意雷電感應的防護。自動氣象站所在地域內的儀器都需要按照相關的防雷技術規范做到接地和引下線遵循標準和可靠。對于自動氣象站的防雷工作人員需要責任到人，每年雷雨季節之前和過后都要進行設備監測和接地檢查。

結合自動氣象站自身和當地氣候特點， 對氣象站的雷擊事故和原因及時歸納分析，歸納總結不斷完善整個防雷過程，從而提高防雷措施的有效性，進而提高我國天氣信息特別是復雜天氣的預報質量。

參考文獻：

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