龍洞堡機場自動觀測系統的防雷設計

劉武

摘 要：針對貴陽機場自動觀測系統雷擊時雷電入侵的途徑和危害，采取相應的防雷設計；系統的防雷設計包括機房內外防護和外場防護：機房防護包括屏蔽、等電位連接和共用接地系統、過電壓防護以及綜合布線等措施；外場防護包括人工接地體和電涌保護器等措施。

關鍵詞：自動觀測；防雷設計；雷電；電涌保護器

中圖分類號：TP29 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）15-0074-03

Abstract： In view of the ways and harm of lightning intrusion during thunder and lightning strike of automatic observation system of Guiyang Airport， the corresponding lightning protection design is adopted. The lightning protection design of the system includes the protection inside and outside the computer room and the external field protection. The protection of the machine room includes shielding， equipotential connection and common grounding system， overvoltage protection and comprehensive wiring； field protection includes manual earthing and surge protector.

Keywords： automatic observation； lightning protection design； thunder and lightning； surge protector

引言

隨著時代的快速發展，人們逐漸從對雷電現象的感官上的認識發展到對雷電極具危害性的物理層面上的認識。雷電以其極具破壞力的特點對人類的生命、財產安全造成巨大的危害。而機場自動觀測系統作為一項保障航班正常運行的關鍵電子系統，若受到雷擊損壞，將不能準確及時提供飛行所需的氣象數據，這會直接影響飛行保障工作。因此，對于機場自動觀測系統的防雷保護就顯得非常的重要和必要。

1 自動觀測系統

自動觀測系統（AWOS）是機場運行中重要的氣象設備，提供跑道視程（RVR）、能見度（Visibility）、修正海平面氣象（QNH）和風向風速等要素，為管制員指揮決策、飛行器飛行提供氣象保障。系統主要由中央處理單元（CDU）、切換單元（Switch-over Unit）、不間斷電源（UPS）、局域/廣域網（LAN/WAN）、工作站、專用數據顯示器、數據輸出系統等構成。其工作原理是利用傳感器（溫度傳感器、氣壓傳感器、風向風速傳感器等）感知各種氣象要素并將其轉化為電信號，然后數據傳輸系統將電信號傳輸到數據接收系統，經過相關計算與數據處理，最后便可從顯示工作站獲得各種氣象要素訊息。自動觀測系統工作站分為系統維護工作站、觀測員工作站、預報員工作站及天氣顯示工作站，各站點之間是相互獨立的[1]。圖1為整個自動觀測系統的結構圖。

自動觀測系統的基本模式是傳感器——數據采集器——計算機——應用/服務，其用到了現代三大技術。第一類就是電子技術，包括電子測量技術、單片機技術、嵌入式系統技術；第二類就是數據通訊技術，包括計算機網絡通訊技術、電信數據通訊技術等，主要負責數據的通訊與傳輸工作；第三類是計算機技術，包括數據庫技術、圖形顯示和處理技術、數據發布技術等，計算機技術的使用主要是負責將傳輸的數據進行處理，最后得到所需要的信息。

自動觀測系統具有以下的特點：

（1）系統可靠性高：因為航空氣象對自動觀測系統運行正常率要求較高，因此自動觀測系統的可靠穩定極其重要，要能確保系統長時間的無故障工作[2]。

（2）系統采樣速度快：自動觀測系統的數據采集要求速度快，能實時采集最新數據，無滯后現象。

（3）系統精確度與靈敏度高：數據采集的精度如果不夠，正常的微小畸形變化就會被數據采集所產生的誤差所掩蓋，無法分清是氣象本身所產生的差異還是誤差產生的差異。

（4）數據量小，處理快：就目前情況而言，常規的自動觀測系統觀測數據量還是比較少的，而且數據的處理速度也較快。

目前，自動觀測系統已是機場運行必須配備的設備，一旦出現故障對航班保障會造成不良影響。因此自動觀測系統的工作狀況會引起運行部門的高度重視[3]。

2 雷電的破壞原理

2.1 雷電的產生

雷電是天空中一部分帶電的云層內部、云層與云層之間或者云層與大地之間一種長距離放電現象，具有大電流、高電壓、強電磁輻射等特征。從物理層面來說，雷電就是雷擊電磁脈沖（LEMP），它的產生有兩種方式：一是雷擊電流，通過釋放電流回路，形成電流脈沖波；另一種是雷擊電流脈沖的產物，通過磁場輻射出的雷擊電磁脈沖。這兩種方式可以彼此間相互轉換。

2.2 雷電的破壞原理及主要途徑

雷電的破壞一般是雷擊電流引起的。示波器下的雷擊電流的波形是一種脈沖電流波，其特征是上沿很陡、下沿較長、能量值很高。而且因制造工藝的發展，各類電子設備與元器件越來越小型化，它們的工作電壓甚至僅有幾伏，同時作為信息傳遞的電流也很小，這使得電子設備對雷擊電磁脈沖（Lightning electromagnetic impulse，LEMP）極為敏感。所以當電子設備在受到雷擊時，放電產生的數十萬伏的電壓會損壞電子設備的正常運行[3]。

通過對多年雷災事故的實際調查和分析，我們認為，雷電入侵的途徑主要有以下幾類：

（1）直擊雷。直擊雷是一種以強烈電流與高溫為破壞手段的云地間放電方式，電壓可高達幾億伏。它會對突出的且向上的物體進行雷擊，進而造成十分巨大的損害。這種雷電主要以安裝避雷針為主要防范手段，但是在避雷的過程中也會出現雷電散擊或繞擊現象，因此對于直擊雷的防范不可忽視。

（2）感應雷。感應雷又稱雷電感應，分為靜電感應和電磁感應。感應雷不是一種以直擊為傷害方式的雷電。它以戶外管道為途徑，迂回損傷電子設備。感應雷累積電流不高，但發生雷電的次數頻繁，所以這種雷擊的傷害也不容小覷。

（3）雷電浪涌。電路在遭雷擊和在接通、斷開電感負載或大型負載時常常會產生很高的操作過電壓，這種瞬時過電壓（或過電流）稱為浪涌電壓（或浪涌電流），是一種瞬變干擾。電子設備在升級過程中，集成度也在快速增加，導致對于雷電流的抵抗力也在下降。雷電浪涌許多途徑對電子設備進行干擾與破壞，因此安裝浪涌保護器對于防止雷電浪涌很有必要。

（4）雷電反擊。雷電的反擊現象通常是指在接閃瞬間與大地間存在著很高的電壓，這種電壓對與大地連接的其他金屬物品發生放電（又叫閃絡）的現象。雷電反擊受雷擊電位、電流大小及磁場變化的影響。雷電反擊會損害設備，甚至危害人體。

（5）雷電入侵波。由于雷擊在架空線路的導線上或架空的金屬管道上產生的沖擊電壓，沿著線路或管道的兩個方向迅速傳播的雷電波稱為雷電入侵波。雷電在通過不同的線路時，因為各線路參數不同，就會導致阻抗也不盡相同，因此就會導致線路中某處電壓突然變高，電壓的突然升高會對電子設備和元件造成極大的損害。

2.3 雷電對電子設備的干擾方式

雷電對電子設備的干擾方式干擾分為三種[4]：

（1）雷電中的電磁輻射對電路、信號線路和電子設備的電磁干擾。

（2）瞬時強大電流對電子設備電路的干擾。

（3）許多電子管道會作為導體傳來電磁波，對內設進行損害與干擾。

3 自動觀測系統的防雷設計

在分析了雷害入侵的各種途徑的基礎上，依據國家和有關行業標準，參照IEC的有關防雷技術標準要求，并根據實際防雷工作經驗，認為對自動觀測系統的防雷應分為機房防雷（機房外部防雷和機房內部防雷）和外場防雷（自動觀測系統傳感器端和傳輸）。

3.1 機房外部防雷保護措施

機房的外部防雷保護主要是指機房所在建筑物的直擊雷和側擊雷防護，其設計依據主要是GB50057-94《建筑物防雷設計規范》和IEC1024《國際建筑防雷標準》。利用建筑物本身的接閃器（避雷針、帶、網）、引下線、接地裝置將雷電流的50%泄放入地[5]。

3.2 機房內部防雷保護措施

機房的內部防雷保護主要是指機房內的感應雷，雷電浪涌和雷電入侵波防護，其防雷措施主要有屏蔽、共用接地系統和等電位連接、過電壓防護以及綜合布線等。

機房內的屏蔽分為設備屏蔽和線纜的屏蔽，設備的屏蔽應在對設備耐過電壓水平的基礎上，按雷電防護區（Lightning Protection Zone，LPZ）施行多級屏蔽。線纜應敷設在金屬屏蔽槽（管）內加以屏蔽，并使金屬屏蔽槽（管）兩端接地，且在穿越雷電防護區（LPZ）交界處時，與該層等電位連接帶連接[6]。

共用接地系統是指利用建筑物基礎地網作為共用接地地網。等電位連接是指將分開的裝置、各類導電物體用等電位連接導體或電涌保護器（Surge Protective Devices，SPD）連接起來以減小雷電流在它們之間產生的電位差。共用接地系統和等電位連接是減少雷電反擊的有效手段。

過電壓防護是自動觀測系統機房防雷設計的重要環節，分為機房低壓供電系統的過電壓防護和通訊網絡系統設備接口的過電壓防護。供電系統應注意其供電制式應使用TN-S系統或TN-C-S系統。 通訊網絡系統設備接口處應加裝電涌保護器（SPD）并接入等電位連接帶上[7]。

綜合布線主要考慮：廣域網線纜不要與局域網線纜同槽架設；電源線不要與信號線同槽架設，線纜與外墻距離最好在1米以上。

3.3 外場防雷保護措施

自動觀測系統外場探測設備建設在距跑道中心線120米處，地勢空曠。其防雷保護措施的設計主要依據GB50343《建筑物電子信息系統防雷技術規范》有關接地體的規定。對采集傳輸模塊的保護主要采用空心電感線圈作為級間退耦器件的電涌保護器（見圖2）。該型電涌保護器具有低回路阻抗、高使用壽命、高頻抑制及濾波功能等特點，能夠有效確保系統的精密性、穩定性及可靠性。

綜上所述，我們把自動觀測系統的防雷設計總結為：分流（Dividing）、均壓（Bonding）、屏蔽（Shielding）、接地（Earthing）和防雷保護設備使用的綜合，外部防雷和內部防雷缺一不可。

參考文獻：

[1]王立志，郭輝，孫國春，等.WJG-Ⅰ型機場氣象自動觀測系統的設計[J].微型機與應用，1994（8）：7-8.

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