氣象雷達站雷電防護設計要點研究

王鵬 山東省濰坊市氣象局

氣象雷達站是我國氣象觀測的重要組成部分，同時也是提供氣象服務的基礎條件，但是由于氣象雷達站經常遭到雷電的破壞，對氣象檢測的數據造成了很大的影響，同時也讓氣象觀測工作的順利開展受到了限制。為了能夠提高氣象雷達站雷電防護工作的效率，相關的技術人員就要對雷電防護設計方案重新進行調整，這樣才能為氣象雷達站的安全性提供保障。

一、氣象雷達站遭到雷擊的主要原因

（一）氣象雷達站室外設備遭到雷擊的主要原因

氣象雷達站觀測天氣變化的傳感器必須要安裝在室外，所以很容易遭到雷擊的破壞。傳感器必須在室外的主要原因有以下幾個方面：首先，為了給氣象觀測提供便利條件，氣象雷達站的室外設備都要到觀測現場后才能安裝，氣象雷達站的觀測現場周邊不允許有較高的建筑，并且周邊的環(huán)境也要開闊，不能對氣象雷達站的觀測場造成遮擋。為了提高傳感器的敏感性，傳感器探頭部分的材質都是由穿透能力較強的金屬材質構成，無形之中就增加了傳感器遭受雷擊的可能性。其次，由于受到風向和風速的影響，傳感器安裝的位置一般都比較特殊，為了降低傳感器遭受雷擊的損壞，工作人員就會在傳感器的周圍安裝避雷針。雖然傳感器已經安裝在避雷針的保護范圍內，但是如果傳感器上的風桿遭到了雷擊，雷電的電波會隨著傳感器的風桿向室內控制器中的電纜進行傳送，同樣會對室內的感應設備造成損壞。最后，如果傳感器已經遭受了雷擊，傳感器周邊的避雷針就會形成強大的磁場，磁場在傳送的過程中會和各個傳感器產生交叉，這樣就會對涉及的觀測設備造成損壞。[1]

雷電產生的電磁脈沖對設備造成干擾的主要原因是通過輻射耦合關系和傳導耦合關系這兩種形式將電磁脈沖傳送到氣象雷達站中，對雷電站中的觀測設備造成了很大的影響。一般來說，如果雷電已經對氣象雷達站造成了破壞，阻性耦合關系就會對反擊電壓直接造成損壞，而其他的耦合關系就會通過電纜或者其傳送設備傳統(tǒng)到主控制器上，這樣就會對氣象雷達站的所有設備造成破壞。雷擊的入侵主要有以下兩種體現形式：首先，雷擊波從氣象雷達站的線路上入侵。雷擊的電波通過線路直接進入到氣象雷達站的內部控制系統(tǒng)，導致所有的設備都會受到雷擊的破壞，如果高壓電線被雷電集中，就會利用變壓器的耦合關系轉換成低壓，繼續(xù)入侵氣象雷達站的設備。如果是氣象雷達站的建筑物或者是建筑物的周邊設備的遭到了雷擊的破壞，雷電中包含的其中一部分電流就會隨著引下線傳送至地面，不能及時傳送的電流就會通過電纜中的線路傳送至室內的設備中，對設備造成不同程度的破壞。其次，雷電的電波通過通信線路進入到設備中。如果氣象雷達站缺乏對雷電防護工作的重視，周邊有高層的建筑或者有其他容易引起雷擊的物體，如果這些物體遭受了雷擊的破壞，雷電中的電波和電壓就會對土地造成損壞，甚至還會影響到氣象雷達站周邊的整個建筑物。

（二）氣象雷達站室內設備遭到雷擊的主要原因

氣象雷達站的集中處理系統(tǒng)設備和數據采集設備都要安裝在室內，與氣象雷達站室外設備相比，室內的這些設備更加容易受到雷電電波的沖擊。室內設備遭到雷擊后，雷電的電波就會利用電磁脈沖對室內的設備造成大面積的損壞，并且還會利用電源線路對其他設備造成破壞，如果雷擊的破壞程度較為嚴重，就會影響到整個氣象雷達站氣象系統(tǒng)的正常運轉。另外，氣象雷達站在安裝接地系統(tǒng)時一定嚴格按照規(guī)范安裝，否則就會讓不同的電子設備產生電位差，同樣也會對氣象雷達站的氣象系統(tǒng)造成影響。[2]

二、雷電對氣象雷達站的入侵途徑以及對氣象雷達站造成的破壞

（一）雷電在氣象雷達站的入侵途徑

氣象雷達站遭到雷電擊中后，最明顯的破壞就是氣象雷達站的設備，氣象雷達站一旦遭受雷電擊中，就會通過多種方式對氣象雷達站的設備造成損壞。如果氣象雷達站室外的電線遭受到了雷擊的破壞，雷電的電波就會通過電線傳導至所有的室外設備，導致室外的設備全部遭到破壞。如果氣象雷達站周邊的建筑物或者構筑物遭到雷擊，雷電中的電流就會通過建筑物或者構筑物傳統(tǒng)到地面，然后再利用零線和地線將電流導入室內的設備，導致室內的設備也遭到破壞。另外，還有一種非常常見的雷電入侵方式，氣象雷達站室外的建筑物遭到雷電擊中后，雷電的電波和電壓很容易對氣象雷達站室外的傳感器或者其他設備造成損壞。

（二）雷電對氣象雷達站造成的危害程度

雷電是天氣環(huán)境中非常自然的一種天氣現象，但是雷電在釋放的過程中最高能夠釋放出幾百兆焦耳的能量，雷電在釋放的過程中還伴有強大的電流，電流在釋放過程中可以瞬間將溫度提升到一萬攝氏度，無論是哪個方面引起的連鎖反應都會造成嚴重的后果，不僅會對建筑物或者構筑物造成破壞，還會對人們安全造成威脅。如果氣象雷達站遭到雷電擊中后，遭到破壞的除了氣象雷達站的設備之外，還有內部的其他設備和系統(tǒng)，另外，氣象雷達站外的傳感器和主控設備也會遭到破壞。雷電的電波一般都是由電路或者通信線路傳入到氣象雷達站的內部設備中，導致氣象雷達站內部大部分的設備都遭到了損壞。一般來說氣象雷達站都會建立在比較空曠的區(qū)域，由于占地面積較大，傳感器一般都是安裝在氣象雷達站的室外，從傳感器搜集到的數據傳輸至采集器中，然后再將采集器整理好的數據傳送至計算機中，要經過很長的線路，再加上各個線路之間處在同樣的磁場環(huán)境中，相互之間必然會存在一定的聯系，所以很難對傳輸線路中的磁場進行屏蔽。如果這時遭到雷電擊中，很容易通過耦合關系對氣象雷達站的設備造成破壞。[3]

三、氣象雷達站外部雷電防護設計要點

（一）加強對直擊雷的防護工作

首先，技術人員在對氣象雷達站的外部進行雷電防護設計時，要根據氣象雷達站的實際情況不斷調整避雷針或者避雷帶的位置，增加對傳感器的保護力度。其次，及時的加強工作人員對直擊雷的防護工作。一般情況下，氣象雷達站在設計雷電預防工作時都會將避雷針或者避雷帶安裝在風桿的上方，大部分的風桿高度為十厘米左右，避雷針或者避雷帶的高度就要超過風桿的位置安裝。為了避免雷電對建筑物造成破壞，建筑物的外部都會安裝導電裝置，導電裝置的主要作用是將雷電中的電波通過引下線釋放在地面上，所以導電裝置的阻力不能過大，否則就會影響到釋放電波的效率。

（二）做好氣象雷達站內部和外部線路的屏蔽工作

即便是城市中的建筑物，無論是高層建筑還是多層的建筑都要安裝導電體，由于氣象雷達站的建筑物更加容易遭受雷擊，更要安裝導電體。一般的導電體都會安裝在建筑物的外墻護欄、結構鋼筋或者外部的鐵門等金屬結構上。如果進入雷雨季節(jié)時，建筑結構上的導電體周圍就會形成一個大型的磁場，很容易產生電流。因此，技術人員要做好氣象雷達站建筑物外導電體的屏蔽工作，如果建筑物遭受到雷擊，也可以防止雷電將電流帶入到建筑物的內部結構中，這樣就能提高氣象雷達站內部的設備的安全性。除此之外，技術人員還要做好氣象雷達站內部設備的電磁屏蔽工作，利用安裝的導電體將內部的設備進行封閉性的連接，同樣也能防止內部設備遭到雷電的破壞。

四、氣象雷達站內部雷電防護設計要點

（一）對電磁干擾進行有效攔截

當氣象雷達站的內部設備遭受到雷擊后，雷電中的電磁脈沖很容易對氣象雷達站內部的電子設備造成干擾。因此，技術人員要制定相應的措施防止電磁脈沖對氣象雷達站內部的電子設備造成影響。這不僅能夠降低電磁在傳導過程中被過度消耗，將電磁波中的能量留在內部的電子設備中，還能夠降低輻射對周圍人員造成的傷害。另外，對電磁干擾進行有效的攔截還能為氣象雷達站的正常運轉提供保障，同樣也能增加氣象雷達站的使用時間。[4]

（二）做好均壓等電位的連接工作

在氣象雷達站的內部防雷設計中做好均壓等電位的連接工作就是為了防止不同設備之間出現電位差，確保各個設備的電壓都能保持一致。要想實現等電位，技術人員就要將氣象雷達站室內所有電子設備的導體相連接，雖然這個系統(tǒng)具備很強的導電能力，但是仍然要在做好導體連接工作后安裝接地系統(tǒng)，這樣才能使整個系統(tǒng)更加安全。將氣象雷達站室內所有電子設備的導體連接好之后，還要其他不能導電的設備相結合，并且還要將這個系統(tǒng)與避雷器相連接。換言之，實現均壓等電位是需要各個系統(tǒng)同時工作，才能在配合中提高工作的效率。

為了能夠給氣象雷達站的正常運行提供保障，技術人員還要構建完整的接地網絡，實際上就是利用一個接地設備將氣象雷達站室內所有的電子設備相結合，這樣才能確保電子設備的安全性。最后，相關的技術人員要將與電子設備相連接的接地線、對設備進行保護的接地線以及氣象雷達站室內和室外的防雷接地線融合在一起，這樣才能將所有的電流全匯集到一起。另外，除了連接這三種不同作用的接地線之外，還要將氣象雷達站中所有的接地線全部與接地網絡相結合，并且還要將這些接地線全部引入到地下，這樣才能在氣象雷達站遭受雷擊時，通過接地線將雷電中的電流引入到土壤中。

（三）做好線路的分流工作

相關的技術人員要根據氣象雷達站的特點，選擇更加適合氣象雷達站的方式安裝所有的電源線。在對電源線安裝保護裝置的過程中，一級保護是將電源線與總配電箱連接。二級保護則是將電源線與氣象雷達站內部機房的線路相連接。為了能夠提高電源線的安全性，相關的技術人員要確保兩級保護器之間相連接的線路分開一段距離，并且兩者之間的距離最短不能小于五厘米。氣象雷達站機房內的保護器連接的地線和設備連接的底線都要和電位連接全部結合在一起，并且在連接之前確保所有的保護器都能正常運轉。另外，技術人員還要將所有的接地線全部安裝在同一個設備上，并且還要搭配一個高質量的空氣開關，這樣才能在第一時間將雷電中的電流排出，從而降級雷電對氣象雷達站造成的影響。

（四）科學的安裝接地裝置

科學的安裝接地裝置是將公共接地當作基礎條件，將氣象雷達站的防雷接地裝置和電子設備的裝置相連接，在操作時公共接地就成了必要的基礎條件，因為公共接地裝置要為其他的接地裝置提供基礎電位。這樣才能避免各個系統(tǒng)在連接的過程中產生電位差，從而提高接地裝置系統(tǒng)的安全性。在實際工作中，技術人員在安裝接地裝置的過程中，有些氣象雷達站的設備需要單獨連接接地裝置，為了能夠提高防雷設備的效率，技術人員就要在整個接地系統(tǒng)中增加多條接地線，并且還要盡可能的減少接地線之間連接的距離，在與接地網連接之前，技術人員要提前將單獨的接地線進行統(tǒng)一管理，防止各個接地線之間因為耦合關系互相造成干擾，確保各個接地設備沒有電位差。[5]

其次。氣象雷達站建筑物的防雷接地系統(tǒng)要與接地系統(tǒng)保持適當的距離。如果兩者之間的距離太近，很容易造成相互干擾，甚至還會出現反作用，但是如果兩者之間的距離過遠，又不能確保接地線全部接入到同一個接地網中。所以技術人員要在接地系統(tǒng)的各個連接處安裝低電壓的避雷裝置，這樣不僅能夠將所有的接地裝置連接在一起，還能避免雷電對接地設備造成損壞。最后，技術人員要對屏蔽裝置進行適當的調整，雖然將信號全部屏蔽之后會給之后的工作提供更多便利條件，但是屏蔽信號的裝置會對電子設備造成一定的干擾。因此，技術人員可以在電纜上安裝金屬管，這樣才能確保屏蔽工作和接地工作同時進行。

五、總結

總而言之，氣象雷達站由于其自身的特殊性質很容易遭到雷擊的破壞。因此，相關的技術人員就要不斷對防雷設計進行完善，這樣才能在確保氣象雷達站不受到雷擊破壞的基礎上安全運行。