雷擊接閃桿對DDZ5新型自動氣象站的影響及防護措施

黎莫清，周小武，莫益江

(廣西壯族自治區河池市氣象局，廣西 河池 547000)

LI Moqing，ZHOU Xiaowu，MO Yijiang

(Hechi City Meteorological Bureau，Hechi 547000)

雷擊接閃桿對DDZ5新型自動氣象站的影響及防護措施

黎莫清，周小武，莫益江

(廣西壯族自治區河池市氣象局，廣西 河池 547000)

當雷擊接閃桿向地網泄流時，泄流通道會產生閃電電磁輻射及地電位升高，對DDZ5自動氣象站系統造成嚴重干擾。針對這一問題，分析了雷擊接閃桿干擾侵入自動氣象站系統的途徑，提出了通過截斷干擾“源頭”的方式，即切斷電源線、通信線及設備地線的引雷途徑，提出了地網優化設計、SPD保護及屏蔽和合理布線等保護措施，可以有效地屏蔽雷擊引起的地電位反擊，提高自動氣象站系統運行的安全性和可靠性。

自動氣象站；雷擊電涌；地網設計；SPD；屏蔽

1 引言

DZZ5新型自動氣象站[1-2]是應用嵌入式系統技術外部總線技術構建的自動氣象站，是集高精度、多功能、全要素的第二代自動氣象站，是實現國家級臺站觀測業務自動化的重要基礎。自動氣象站多建于效外，所處地勢高，地域空曠，且設備耐壓水平低，極易遭受雷電過電壓的干擾，對探測系統運行造成嚴重影響。對于自動氣象站的雷電防護[3-9]，研究較為全面，包括直擊雷防護措施，如接閃桿、引下線、接地裝置等；還有閃電電涌防護措施，如SPD保護、等電位連接、屏蔽、共用接地系統等。國家相關標準及行業規范[10-14]對自動氣象站的防雷設計與施工有詳細明確的規定，但是已按規范安裝完善防雷設施的自動氣象站，仍常遭受雷擊，對于雷擊的成因尚未有新的分析。本文著重分析由接閃桿接閃引來的間接雷害問題，如閃電電磁輻射、地電位反擊等對自動氣象站系統的干擾，并提出相應的防護措施。

2 接閃桿泄流通道產生的電磁輻射(LEMP)

自動氣象站防直擊雷措施采用獨立接閃桿或風桿作保護，利用桿體或外引導體作引下線，引下導體成為雷電閃擊時的主電流通道(電流注)。由于雷電流有極大的峰值和陡度，在接閃桿周圍的空間有強大的變化的電磁場，處在變化的電磁場中的導體會感應出較大的電動勢，如圖1所示。

圖1 接閃桿開口金屬環感應電勢

接閃桿(電流注)AM與一個有氣隙的正方形金屬開口環處于同一平面上，x1為正方形方框與AM的距離；x2是方框的另一邊與AM的距離，金屬環的邊長為l，由電磁感應定律可知，開口金屬環上的最大感應電壓：

(1)

如果不考慮電壓方向，則

(2)

根據電磁場理論：

(3)

因此，在接閃桿(電流注)附近開口金屬環上最大感應電動勢為：

(4)

若接閃桿與金屬環之間的夾角為α，則式(4)后邊應乘以cosα。

從圖2可以得出隨著距離的增加，感應電壓逐漸衰減，感應電壓值與方環至AM的距離x1成反比。若圖中金屬框K的邊長l等于5 m，閃擊電流峰值分別選50 kA、100 kA，閃擊電流波形前沿取2.5 μs，則距離雷擊點方圓20 m處可以感應出4.5 kV、8.9 kV的電壓，這個危險電壓在雷雨天氣足以擊穿自動氣象站設備電路板的間隔氣隙。

圖2 5 m×5 m金屬環上的開口感應電壓曲線

3 地電位反擊

當接閃桿接閃時，雷電流沿泄流通道AM(引下線或桿體)注入地網，整個觀測場地網電位升高，與地網相連的接地匯流排及與接地匯流排作等電位連接的設備外殼其電位也隨之升高，而探測系統電路板PCB的接地端均與采集器設備外殼相連，將高電位傳至主采集器電路板，主采集器又與值班室有多條線路相連，其中包括(R、T、G、P)4條線路，這相當于從值班室引來了遠地的零電位，觀測場探測系統電路板的接地端與值班室引來的通信線路接口由于高的電位差，發生反擊放電，損壞設備。如圖3所示。

另外，觀測場內各設備共用接地，各分采設備與主采集器均布置在觀測場內不同的方位，相距有一定的距離，若獨立接閃桿接閃，會引起地網電位升高且分布不均勻，導致各地網節點之間產生高電位差。

圖3 自動氣象站地電位反擊示意圖

4 防護措施

自動氣象站系統與外界聯系有3種，即電源線、信號線、設備地線。無論電涌過電壓產生的形式如何，其最終會通過這3種途徑中的一種或幾種對設備放電，造成設備損壞。因此對于自動氣象站系統的防雷保護，只要截斷該需要保護的空間與外界電涌過電壓的途徑，即可達到防護要求。由此可見，自動氣象站系統與外界聯系的帶電金屬線纜(引雷途徑)包括：電源線、控制通信線及設備的地線，即自動氣象站系統雷電防護主要是線路傳導電涌過電壓防護及地電位反擊防護。

4.1 地網優化設計

①若觀測場設置有獨立接閃桿保護，則宜采取“隔離”措施，設置獨立接地裝置，接閃桿及地網與其他金屬管線及觀測場內地網應保持足夠的安全距離。如果由于地形環境等無法設置獨立接地裝置，則獨立接閃桿地網與觀測場內地網可共用接地，但是嚴禁兩者就近共用連接地網，應在地網最遠端連接，兩者地網連接沿接地體長度OA應滿足下式要求，且不應<20 m：

(5)

式中：l為地網連接長度(m)，ρ為土壤電阻率(Ωm)。

②采用風桿接閃桿作為直擊雷防護措施的站點，其接閃桿及引下線的布置參照規范[10]要求進行設計，接閃桿及引下線與風桿桿體保持足夠的絕緣，均采用絕緣橫擔和絕緣子沿風桿拉線引至觀測場地網外圍接地，接地點與觀測場地網距離應≥3 m，風桿接閃桿在外圍設置相對獨立的集中接地。為使雷電流快速分流，可在地網外圍增設數條放射狀水平接地極。風桿接閃桿地網與觀測場地網可共用接地，但是嚴禁兩者就近共用連接地網，應在地網最遠端連接，兩者地網連接沿接地體長度OA應滿足(5)式要求，且不應<20 m。

③觀測場地網應設計為正方形網格狀環形地網，使整個地網電位分布均勻，減小各地網節點的地位差。接地網格參照一類防雷網格標準，其尺寸≤5 m×5 m，與值班室地網作等電位連接，連接點不少于兩處。如圖4所示。

圖4 自動氣象站地網布置圖

④觀測場電纜溝內應設置等電位連接帶，該帶嚴禁從風桿接閃桿接地線處或附近直接接入，接入點要有足夠的安全散流距離。電纜溝應敷設與電纜溝平行的均壓水平接地極。

⑤在接閃桿接地處及主采集器等設備接地處增設垂直接地極，特別是接閃桿外引接地處可以采用深基礎接地，將風桿拉線塔基礎埋深3m以上，利用塔基鋼筋作自然接地體；或采取深井接地，采用機械鉆井方式，打深孔10～15 m，孔直徑φ100，使用φ100鍍鋅鋼管作接地極打入孔內，鋼管內及外空隙施放的物理降阻劑，可以有效降低沖擊接地電阻，使雷電流快速分流泄壓，改善地電位分布梯度。

4.2 SPD保護

4.2.1 電源系統SPD保護 自動氣象站場室低壓配電線路應設專線供電，采用具有金屬護套或絕緣護套電纜穿金屬管全線埋地引入，金屬管及電纜金屬護套兩端應就近可靠接地。低壓配電系統設置4級SPD進行保護，其參數性能如表1所示。主采集器箱的SPD4宜選用B+C型，因為觀測場存在雷擊接閃桿導致雷電流引入地網的可能，會造成高電壓引入，對電氣系統產生反擊，應考慮直擊雷能量的地電位反擊，安裝兼有直擊雷和感應雷防護功能的復合型SPD。

表1 電源系統SPD配置圖

4.2.2 信號系統SPD保護 自動氣象站采用“主采集器+外部總線+分采集器+傳感器+外圍設備”的結構設計，各設備通過CAN總線進行數據傳輸，需采取電涌過電壓保護的線路較多，且各采集終端安裝空間有限，SPD宜設計為集成電路板式(PCB)，需保護的線路主要分為傳感器至分采終端、分采終端至主采集器及主采集器至終端計算機這3類，SPD的配置圖如圖5所示。

考慮到觀測場風桿接閃桿地網與觀測場共用接地，為防止地網引入高電位對電子系統線路產生反擊，信號SPD應具有直擊雷能量防護功能，宜選用D1類高能量信號電涌保護器，其開路電壓≥1 kV，短路電流為0.5～2.5 kA(10/350 μs)，最大持續工作電壓UC應大于線路上最大工作電壓的1.5倍(UC>1.5 UDC)，電壓保護水平UP應低于被保護設備的耐沖擊電壓額定值(UP≤UW)， SPD參數及接口型式應符合系統要求。在安裝中還應注意：①接至SPD保護端口的線路不要與接至非保護端口的線路、接地導體一同敷設；②從SPD保護側接至需要保護的電子設備(ITE)的線路宜短或加以屏蔽。

4.3 屏蔽及合理布線

電纜的屏蔽效果可用其轉移阻抗予以表征，轉移阻抗越小，屏蔽效果越好。實驗數據表明[16]，電纜外皮采用編織的金屬網時，由于集膚效應導致外皮電阻增加，以及穿過外皮的漏磁通增加，轉移阻抗隨著頻率的升高而增大；若外皮是連續的金屬管時，頻率升高，轉移阻抗有所下降，表現出更好的屏蔽效果。因此，自動氣象站的屏蔽及布線主要措施有以下3點：

圖5 自動氣象站信號系統SPD布置圖

②設備屏蔽。對于設備屏蔽主要采用設備本身的金屬外殼作為屏蔽體，觀測場內主采集器及各采集終端箱體外殼應就近與觀測場等電位帶電氣連接。

③合理布線。布置自動氣象站系統線纜路由走向時，應盡量減小由線纜自身形成的電磁感應環路面積。各采集設備數據線應單獨設置鍍鋅鋼管專線敷設，不宜將所有采集線路放入同一線槽或金屬管敷設。主采供電電源線路、數據線路及監控照明等其他線路應分別穿金屬管分開敷設，嚴禁將電源線路及信號線路等混裝。

5 結論

雷電對自動氣象站系統造成的干擾和破壞主因是雷電接閃通道產生閃電電磁輻射及地電位升高，通過電源線、通信線及設備地線侵入系統內部，發生擊穿放電。對此本文提出了相應的防護措施：①若觀測場設置有獨立接閃桿保護，宜設置獨立接地裝置，若無法實現隔離或采用觀測場風桿作接閃桿時，接閃桿地網與觀測場內地網可共用接地，但嚴禁兩者就近共用連接地網，應在地網最遠端連接，兩者地網連接沿接地體長度L≥2，且不應<20 m；②采取正方形網格狀環形地網，在重要設備及引下接地處增設垂直接地極，設置深基礎接地或深井接地，可以有效改善地電位分布梯度；③在供電線路設置相應電壓等級的SPD進行保護，在傳感器至分采終端、分采終端至主采集器及主采集器至終端計算機的通信線安裝與系統相匹配的信號SPD；④所有線路均采用屏蔽電纜并穿鍍鋅鋼管全線埋地敷設，電纜屏蔽層及鋼管兩端接地。

[1] DZZ5新型自動氣象站使用手冊[Z].北京：中國華云技術開發公司，2014.

[2] 劉晉生，黨文生，宿秋蘭.新型自動氣象站技術簡介[J].山東氣象，2014，01：84-86.

[3] 吳繼合，吳春德.自動氣象站防雷技術研究[J].黑龍江氣象，2011，28(02)：39(43).

[4] 吳晶.雷擊電磁脈沖對氣象臺站機房設備的影響分析及對策[J].貴州氣象，2014，38(5)：48-50.

[5] 梁邦全.多要素自動氣象站防雷防護初探[J].氣象水文海洋儀器，2010，02：90-92(96).

[6] 劉朝英，譚清波.自動氣象站防雷經驗[J].貴州氣象，2008，32(05)：41-42.

[7] 仇健.獨立接閃桿防雷設計容易忽視的問題[J].貴州氣象，2014，38(5)：51-62.

[8] 王志軍，徐秀英.自動氣象站防雷應注意的幾個問題[J].黑龍江氣象，2005，35(02)：35-36.

[9] 楊濟波.某自動氣象站雷擊事故調查分析[J].貴州氣象，2012，36(6)：60-62.

[10] QX30-2004自動氣象站場室防雷技術規范[S].北京：中國氣象局，2005.

[11] QX4-2000氣象臺站防雷技術規范[S].北京：中國氣象局，2001.

[12] QX3-2000氣象信息系統雷擊電磁脈沖防護規范[S].北京：中國氣象局，2001.

[13] GB50057-2010建筑物防雷設計規范[S].北京：中國計劃出版社，2011.

[14] 廣西新一代天氣雷達校準系統自動氣象站建設工程實施方案[Z].南寧：廣西壯族自治區氣象局，2007.

[15] 李祥超，姜翠宏，趙學余.防雷工程設計與實踐[M].北京：氣象出版社，2010.

[16] 劉建平，余明友，金建偉.雷電流在接地網上的暫態電位差研究[J].空軍雷達學院學報，2011，25(05)：375-377.

[17] 王小英，施明芳，張賽忠.電梯機房雷擊電磁脈沖空間屏蔽措施[J].氣象科技，2013，41(02)：422-424.

[18] 杜思深，莊緒春，李偉.避雷針接閃對通信臺站布線及接地系統影響分析[J].空軍工程大學學報(自然科學版)，2013，14(06)：59-63.

[19] 張波，薛惠中，金祖山.遭受雷擊時輸電桿塔及其接地裝置的暫態電位分布[J].高電壓技術，2013，39(02)：393-398.

[20] 韓學民，夏長征，喻劍輝.桿塔接地體沖擊電位分布特性的模擬試驗[J].高電壓技術，2011，37(10)：2464-2470.

LI Moqing，ZHOU Xiaowu，MO Yijiang

(Hechi City Meteorological Bureau，Hechi 547000)

貴州省氣象學會嚴正聲明

近期，網上出現了虛假的《貴州氣象》網站。為避免作者上當受騙，貴州省氣象學會特此聲明并告知廣大作者：貴州省氣象學會主辦的《貴州氣象》一貫秉承嚴謹的學術作風和期刊編輯規范，所有稿件必須通過《貴州氣象》唯一的官方在線投審稿系統(http://gzqx1962.com/)進行投稿，稿件經編輯部初審通過后送相關審稿專家進行同行評議，最后通過主編審稿環節后才最終確定是否錄用。我刊沒有對作者投稿收取審稿費，稿件確定錄用并經過編校后會將版面費收取通知通過郵箱發給作者，收款帳戶為單位公用帳號，編輯部不會以個人名義收取任何費用。

作者若遇到可疑信息，請及時與編輯部直接聯系核實：

電話：0851-85202213

郵箱：gzqx-1019@163.com

請廣大作者高度警惕，隨時與編輯部保持溝通。

Lightning Rod’s Influence on DDZ5 New Automatic Weather Station as well Protection Measures

When the lightning rod is leaking into the network，the discharge channel can generate the electromagnetic radiation and the earth potential，causing serious interference to the DDZ5 automatic weather station system.Aiming at this problem，analysis of the lightning ground flash rod interference invading automatic weather station system approach，proposed by truncation interference source，cut power lines，communication lines and the ground wire of the equipment of triggered lightning way，put forward the network optimization design，the SPD protection and shielding and reasonable wiring and other protective measures，can effectively shield caused by lightning ground potential counterattack，improve the automatic weather station system operation security and reliability.

Automatic weather station； lightning surge； network design； SPD；shielding

2015-05-05

廣西河池市氣象局科學技術研究項目：“山區自動氣象站雷災成因分析及防御對策。”

黎莫清(1982—)，男，工程師，主要從事防雷技術服務工作。

1003-6598(2015)05-0053-05

TM865

B