淺談氣象觀測站設備的防雷問題

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摘 要：近幾年，自動氣象站正逐漸在城鄉布設，因觀測環境條件的要求，自動氣象站大多建于野外空曠地帶，其供電線和通信線又大多是架空線路，測風桿（塔）成為孤立高聳物，容易遭受雷擊。所以，搞好自動氣象站的防雷，確保自動站的設備和附近人員的安全，保障自動站設備的正常業務運行很重要。

關鍵詞：自動氣象觀測站；防雷；防護

雷電是一種氣象災害，它分為直接雷擊和雷擊電磁脈沖（LEMP）干擾兩大部分。直擊雷（云地閃）的危害主要是會造成建筑物的損壞燃燒和人員傷亡。而云地放電和云間放電產生的雷擊電磁脈沖輻射將在一定范圍內使得地面上的一些導體、半導體產生高達上千伏感應電壓，它們通過各類導線和金屬導體侵入造成事故。各類避雷針（帶）只能防直擊雷，對感應雷擊則無能為力。雷擊電磁脈沖的防護只能通過等電位連接、屏蔽、合理布線、正確可靠的接地和安裝各類浪涌保護器件來進行有效的防護隨著科技的進步和氣象現代化建設的發展，近幾年，自動氣象站正逐漸在城鄉布設，因觀測環境條件的要求，自動氣象站大多建于野外空曠地帶，其供電線和通信線又大多是架空線路，測風桿（塔）成為孤立高聳物，容易遭受雷擊。我省有的站甚至一年內多次遭受到雷電侵襲。

一、雷電的成因及主要形式

根據大量科學測試可知，地球上空存在一個帶正電的電離層，與大地之間形成一個已充電的電容器，場強為上正下負。當地面含水蒸汽的空氣受到地面烘烤受熱上升，或者溫暖潮濕的空氣與冷空氣相遇而被墊高都會產生向上的氣流。上升氣流溫度逐漸下降形成水成物（雨滴、冰雹），并由于地球靜電場的作用而被極化，負電荷在上，正電荷在下，它們受重力作用落下與云粒子發生碰撞，其結果是云粒子帶走了水成物前端的部分正電荷，從而使水成物帶上負電。持續碰撞的結果使帶正電的云粒子在云的上部，而帶負電荷的水成物在云的下部。

當電場強度達到足夠高（25～30kV/cm）時將引起雷云間的強烈放電，或是雷云中的內部放電，或是雷云對地放電，即所謂的雷電。雷電按其作用形式主要分為直擊雷和感應雷。直擊雷所造成的危害很直觀，一般會引起火災、燃燒等。主要靠加裝避雷針、避雷線、避雷帶、避雷網等來防護。感應雷沒有直擊雷那么猛烈，但它發生的幾率比直擊雷高得多。不論是雷云間閃擊或雷云對地閃擊，都有可能發生感應雷而形成電磁場，當磁場強度到達一定水平將會對電氣設備的集成電路造成暫時的、甚至永久性的損壞，影響電子設備的穩定性，令通訊設備的傳輸信號失真等。因此對于自動控制系統而言，更應該關注如何有效防止感應雷，避免（減少）感應雷引起的損害。

二、防雷措施

（一）防直擊雷措

施觀測站（含觀測場）地處南方多雷區，觀測場又屬于露天作業場所，參照國家標準《建筑物防雷設計規范》GB50057-1994（2000版）的要求，將該觀測站提高一個等級來安裝防直擊雷設施，所有防直擊措施參照第二類防雷建筑物的要求設計。

在觀測場兩旁離開3m處設置雙支等高避雷針，針高為20.0m，對觀測場露天作業場所區域作防直擊雷防護。按照滾球法，保護高度按4m計算，得出避雷針在4m高處的的保護范圍。

辦公樓為一層鋼筋混凝土結構建筑，根據規范要求設置避雷帶（網）、引下線和接地裝置，施工工藝、接地電阻達到規范要求。

（二）防雷電感應及雷電波侵入措施

1.機房防雷電感應及雷電波侵入措施：機房地板采用防靜電地板，并于地板下面采用-25×4扁銅設置不大于1m×1m的等電位連接帶，機房內的設備、機架和機柜等就近與等電位連接帶連通接地。等電位連接的目的在于減少設備和各種系統間的電位差。

2.電源線路：電源線路的防護措施主要是在電源線路上安裝電源電涌保護器（SPD），當有雷擊發生時將雷電流泄放入地，并將線路上的瞬間過電壓限制在一個安全的水平。根據歷史資料統計，在雷擊損壞設備的事故中，有70%以上是從供電線路侵入的。因此，對電源線路實施多級防雷保護是觀測站防雷措施中的重要環節。電源系統的防雷措施并非簡單地應用SPD保護器件，而是要根據電磁兼容（EMC）原理，根據雷電保護區的劃分，對一個需要保護的電源系統進行綜合的多級保護。觀測站的電源線路安裝三級SPD，將因雷擊產生的高電壓、強電流泄放入地，對后端的用電設備進行保護。

3.信號線路：應建設單位要求，考慮觀測站的特殊情況，在數據傳輸的準確性和精確度方面要求很高，因此信號線路上的防雷措施主要采用屏蔽和接地的方式，對信號線路作防雷保護。

具體做法為：主機服務器與室外遙測站終端之間的信號線路全程采用屏蔽電纜，電纜兩端接地，并全程套鋼管埋地敷設，鋼管的兩端和中間接頭部位也要做接地處理。觀測站主機服務器與氣象臺計算機機房的通信由于采用的是光纖通信，只需要對觀測站主機服務器端的光端機做接地處理。

4.接地處理：接地問題是建筑物強電和弱電系統的普遍性問題，接地按其作用可分為功能性接地和保護性接地兩大類，而接地方式可分為獨立接地和聯合接地兩種。現今電子設備獨立接地的做法已經不被先進的國外標準及國際標準化組織所推薦。如美國國家標準《IEEE Std-1100-1992》中明確指出，“不建議采用分開的、獨立的、干凈的、計算機的、電子設備這類不正確的大地接地體”。因此，觀測站的接地方式應除獨立避雷針外，采用綜合接地系統，即聯合接地，與防直擊雷接地系統共用，其接地電阻應≤1Ω。若達不到要求，必須采用其它降阻措施，使接地電阻≤1Ω。

觀測場的避雷針設置單獨的接地裝置。

觀測場內設置接地網，并與辦公樓接地裝置連通，觀測場各設備的外殼、信號線路的電纜屏蔽層就近與接地網連通。

辦公樓設置周圈式地網，并引至室內電源電涌保護器（SPD）的安裝位置和計算機機房內的等電位連接帶，并在電源電涌保護器（SPD）的安裝位置設置接地匯流排，供SPD接地。

接地裝置的材料采用-40×4鍍鋅扁鋼和∠50×50×5鍍鋅角鋼，在有行人行走、通過的地方，應采取防跨步電壓的措施。

三、結論

自動氣象站的防雷措施應采取綜合防雷措施，就是對自動站系統進行層層設防，綜合治理，堅持用“接閃、屏蔽、等電位連接、均壓、分流、限壓、接地”等措施進行綜合防雷。應用上述綜合防雷方法，經業務運行，設備運行情況良好，沒有再出現設備遭雷擊損壞，造成自動站觀測中斷的事故。這表明對自動站采取綜合防雷方法是有效可行的，可以收到良好的防雷效果。

參考文獻：

[1] 建筑物防雷設計規范.GB50057-1994[S].2000.

[2] 建筑物電子信息系統防雷技術規范.GB50343-2004[S].

[3] 蘇邦禮，等.雷電與避雷工程[M].廣州：中山大學出版社，1996.