淺析氣象觀測場防雷中的問題和解決方法

【摘 要】近些年來一些自動氣象站觀測系統雖然實施了防雷安全保護措施，但是仍然會經常受到雷擊侵害，究其根本原因包括：位于戶外的自動氣象站設備的工作環境、不耐雷電電涌性以及觀測場的雷電安全防護設計與施工過程存在問題。對觀測場雷電安全防護設計與施工中的問題進行分析后，提出解決改進方案，并且基于自動氣象站觀測場設備的性能基礎，全面地闡述自動氣象站的觀測雷電防護措施。

【關鍵詞】自動氣象站觀測場；雷電安全；防護措施

0.引言

近年來，氣象事業的發展步伐逐漸快速化，自動化氣象站觀測系統代替了以前手工的觀測手段。自動化氣象觀測系統主要由電子傳感器系統、數據收集分析系統、電能供給系統和其他相關系統組成。其中電子傳感器系統、數據收集系統安設在室外的觀測場防雷區內，但是現代化的電子儀器設備普遍存在絕緣強度性低、對電磁干擾敏感以及過電壓耐受能力差的問題。

若雷電防護工作不夠到位，發生雷擊就不僅會對氣象數據采集系統產生影響，還有可能會對整體的觀測系統造成損害，甚至造成系統癱瘓。因此要采取有效的雷電安全防護措施和改進方案，全面保障觀測場的正常穩定運行，這對于整個自動化氣象觀測站的穩定運作來講，是十分重要的。

1.觀測場雷電安全防護常見問題與改進措施

1.1常見問題

1.1.1風向和風速信號線、避雷針引線布線不合理問題

一些自動氣象站的風向、風速信號線僅考慮到布線美觀需要，沒有單獨穿金屬管來做好保護，與風桿上避雷針引下線在風桿金屬管內并行引下。這相當于將風向、風速信號電纜敷設在避雷針引下線上，嚴重違反了文獻[1]第3.5.6條的規定。這是自動氣象站觀測系統正常運轉工作中的嚴重隱患。當發生觸閃情況時，即使風向、風速信號線采用了帶屏蔽層的電纜，但是其屏蔽層無法將避雷針接閃后的雷擊電磁脈沖全部屏蔽[1]41，風向、風速信號線上所承受的電涌電壓高于采集器電子元件的承受能力，這會導致采集器的工作無法正常進行，甚至損壞。所以針對布線不合理的問題，需要及時采取金屬化的保護方法，防止雷擊的電磁脈沖侵入到電子設備里造成設備損壞。

1.1.2風桿上避雷針引下線接地點和其他接地點之間的距離問題

按照電壓值相同、電位值等同的相關規定，需要構建一套觀測場內共用接地系統以保證電子設備和自動檢測系統的電位電壓穩定正常。其中要將避雷針引下線線接地、屏蔽接地、金屬設備接地、保護設備接地等都接入觀測場的共用地網。但是由于自動氣象站觀測設計不合理以及施工人員無法全面正確的理解等電位和共用接地的概念，在實際施工過程中會出現胡亂安裝的情況，給觀測場的設備埋下安全隱患，尤其是上述的觀測場地內接地點之間的距離的問題。所以在確定自動站氣象站設備的位置并以及觀測場內的連接時，為了避免風桿上避雷針觸閃所產生的電流通過地網泄放而對附近接地設備產生干擾，應按照文獻[2]第5.2.5條要求，觀測場內風桿上避雷針引下線接地點和其他接地點之間的距離應大于10m。

1.1.3電纜屏蔽層單點接地或者不接地的問題

屏蔽是減少電磁干擾的基本措施，自動氣象站觀測場電子設備采用金屬外殼，各種傳輸線路采用屏蔽電纜并穿金屬管埋地敷設都是為了減少電磁干擾的感應效應所采用的屏蔽保護措施。而且電纜屏蔽層應至少在兩端并宜在防雷區交界處做等電位連接[1]28。實際工作中防雷工程施工人員往往忽視了文獻[1]第6.3.1 條的要求，電纜屏蔽層單點接地或不接地。但是屏蔽層僅一端做等電位連接和另一端懸浮時，只能防止靜電感應，防止不了磁場強度變化所感應的電壓。這對電子信號的穩定通暢都會產生不好的影響。

1.2針對性改進措施

措施一：避雷針與風桿之間絕緣，風向、風速信號線穿金屬風桿引下，風向、風速信號線使用金屬桿表面接地，金屬風向桿做好接地，避雷針引下線沿金屬風向桿的斜拉線引至觀測場地網。

措施二：將風向、風速信號線全程穿金屬管（槽）沿金屬風桿的斜拉線引下，金屬管（槽）做好接地。風向桿避雷針引下線穿金屬風向桿引至觀測場地網。觀測場內設備的金屬支架、箱體等均應與地網作等電位連接。

措施三：對電纜屏蔽層全程做好不少于兩處的接地處理。電纜屏蔽層一端和室內等電位連接另一端與觀測場設備金屬外殼連接。外殼相連并接地。另一端應與工作室內等電位連接帶相連。而在實際中往往只重視一端接地而忽視了另一端。

措施四：在確定自動站氣象站設備的位置并以及觀測場內的連接時，風桿上避雷針引下線與觀測場上其它接地點之間的距離控制在10m以上。

2.觀測場設備防雷性能探究

2.1電源部分

為防護雷電波和其它瞬間過壓沿著電源通道損壞采集器和其它設備，設備生產商在采集器的電源部分設計了三段保護：輸入端位于前段，具有過流保護作用并且安裝了電流浪涌放電器；中段為中繼和RF過濾；后段為精細箝位保護。基于以上防護設計，設備的防雷性能達到相關技術指標：雷擊感應電壓低于5kV，雷擊感應電流低于1700A，響應時間短于s。

2.2信號通道防雷板

為了保證自動站信號傳輸電纜正常工作，避免傳輸電纜帶來的損壞和干擾，各路傳感器的信號要通過50個通道的防雷板，再進入到數據采集核心。可以看出，自動氣象站的數據采集器系統具有一定防范雷電電涌電壓過高及過流保護功能。同時生產商的材料顯示出每個通道都有防雷電感應的功能，其技術指數達到CCITT 有關防雷標準。但對處于觀測場的設備，僅靠設備生產商提供的這些雷電防護措施是無法滿足防雷的需要的，仍需要在此基礎上設置全面的雷電防護措施，才能保證自動氣象站觀測場設備的安全。

3.自動氣象觀測站雷電安全防護措施

3.1直擊雷防護

氣象觀測場位于空曠的地帶，場內的儀器設備突出，特別是10m以上高度的自動站風桿和人工風桿，很容易遭受到直接雷閃擊。而風桿風桿受損會導致室外設備受到毀滅性的損害，因此要保證全觀測場內的設備儀器均處于避雷針的有效覆蓋范圍內；將避雷針內線沿風桿頂部引導線接入地網，引線需加以電子屏蔽保護措施，并保證導線與絕緣等級較高的電子絕緣點以和風桿之間具有有效絕緣，并且芯線內部的多股纏繞銅線及其截面積應滿足相關技術指標要求；當出現風桿無拉線的情況時，導線可通過風桿徑直表面接入地網，并在導線接地處周圍設置數枚縱向接地體，作為觀測場地網的安全電氣連接體，其連接點與其它儀器在觀測場地接地點的距離應大于10m。

3.2雷擊電子脈沖防護

對自動氣象站來說，雷擊電磁脈沖主要通過與自動氣象站設備連接的電源線、信號線路等侵入各種設備，通過風桿上避雷針對觀測場內設備實施直擊雷保護措施后，氣象站觀測場內的所有設備均處于雷電防護區，但是由于區內的電磁場強度仍然保持在高強度狀態，還需要采取雷擊電子脈沖防護措施以減少電磁場的輻射從而保證電子觀測系統的穩定運行。屏蔽是減少電磁干擾的基本措施[1]133。因此風向、風速數據收集線應使用帶屏蔽層的電纜經金屬風桿內敷設，收集線的外屏蔽層首末兩端與風桿做可靠的電氣連接，風桿電氣連接觀測場地網。當數據傳輸線無法敷設在金屬風桿內或采用金屬塔作為支撐物時，應將數據收集線穿金屬管垂直敷設，金屬管首尾應電氣貫通，金屬塔要做好與觀測場地網的連接。觀測場的設備電源線路、數據收集線路應使用帶屏蔽層的電纜，并穿金屬管埋地敷設，金屬管和數據傳輸線的外屏蔽層應就近連接于電纜溝處或外轉接盒處。當金屬套管的長度超過2 倍土壤電阻率時，應增加其他接地位點。

4.結束語

氣象觀測是國民經濟建設息息相關，而氣象觀測場的防雷安全工作又是做好氣象預測工作的保障。氣象站觀測場系統雷電安全防護是一項綜合性工程，在實踐過程中，需要考慮到防護的各個方面，才能達到理想的效果。對氣象觀測場的防雷安全措施要給與足夠的重視，做好每個細節，才能有效減少雷擊災害事件的發生。

【參考文獻】

[1]國家質量技術監督局，中華人民共和國建設部.建筑物防雷設計規范 GB5005794（2000年版）[S].北京：中國計劃出版社，2001.

[2]中國氣象局.氣象臺（站）防雷技術規范QX4-2000：8～9.

[3]張娟.自動氣象站觀測場防雷接地制式的技術分析[J].氣象研究與應用，2012（12）.

[4]李進，阮志文.地面氣象觀測站場室防雷改造[J]. 氣象水文海洋儀器，2013（09）.

[5]戴世昆.晏敏自動氣象站的雷電防護措施[J].廣西氣象，2005，26（3）：8-10.