自動氣象站雷電防護技術探析

赤峰市氣象局 王明磊

前言

自動氣象站在防災減災和氣象服務方面發揮著關鍵性作用，但由于存在較高的雷擊幾率，雷擊影響導致氣象觀測數據丟失的問題往往頻繁出現，氣象工作開展因此受到嚴重制約。為降低雷電對自動氣象站安全穩定運行帶來的影響，正是本文圍繞自動氣象站雷電防護技術開展具體研究的原因所在。

1 自動氣象站雷電防護常用技術

1.1 防地閃回擊保護技術

直擊雷電對自動氣象站的威脅較大，直擊雷防護能力不足是很多自動氣象站存在的通病，因此需采用防地閃回擊保護技術，以此實現對富蘭克林避雷針不足和缺陷的彌補，強化自動氣象站的直擊雷防護性能，該技術的應用需以防地閃回擊保護裝置為核心。防地閃回擊保護技術能夠對雷電主放電渠道進行改變，通過雷電與防地閃回擊保護裝置的“梯級先導”相互作用，保護物上方的電場強度和電流密度即可得到有效控制，保證具體數值不會達到擊穿空氣標準，自動氣象站可由此實現地閃“回擊”的有效預防并規避直擊雷問題。防地閃回擊保護裝置能夠由雷云電場啟動，雷電自身能量可在防地閃回擊保護技術作用下開展雷擊發生的抵御，屬于無源設備的防地閃回擊保護裝置存在較低的接地電阻值要求，在自動氣象站中的應用價值較高。

圖1 典型的防地閃回擊保護裝置

1.2 地網優化設計技術

自動氣象站雷電防護還需要得到地網優化設計技術的支持，該技術能夠有效地解決電位反擊、電磁輻射等雷電相關問題，具體應用需關注四方面內容：第一，科學設置隔離措施，地網優化設計技術的應用需結合自動氣象站實際進行接地裝置的獨立設置，保證其他金屬管線與觀測場內地網間的安全距離達標。考慮到一些特殊因素影響下自動氣象站無法獨立設置接地裝置，此時可采用共用接地的獨立接閃桿地網與觀測場內地網，同時保證二者連接于地網最遠端，沿接地體的兩者地網連接長度最小應控制為20m，土壤電阻率帶來的影響需同時得到重視；第二，采用正方形網格狀環形地網。均勻分布的地網電位直接影響自動氣象站雷電防護性能，基于地網優化設計技術，可考慮設置正方形網格狀環形地網，以此優化控制各地網節點地電位差。具體需保證存在5m×5m內的尺寸，并遵循一類防雷網格標準進行正方形網格狀環形地網的布置，且與值班室地網并電位連接，最少需存在2處連接點；第三，合理設置等電位連接帶。在風桿接閃桿接地線附近直接將觀測場電纜溝接入的情況較為常見，而結合地網優化設計技術，需在該處進行等電位連接帶的合理設置，等電位連接帶應以安全散流距離作為主要依據，均壓水平接地極的敷設需與電纜溝平行；第四，垂直接地極的針對性增設。為實現自動氣象站對地電位反擊和電磁輻射的更好應對，基于地網優化設計技術，還應關注垂直接地極的科學增設，接閃桿、主采集器等設備的接地處應設置垂直接地極，接閃桿外引接地需同時設置深基礎接地，作為自然接地體的風桿拉線塔基礎可得到有效利用，具體接地深度需要不小于3m[2]。

1.3 SPD保護技術

自動氣象站很容易受到雷擊接閃桿帶來的影響，因此SPD保護技術需要得到充分應用，以此強化信號系統和電源系統的保護。SPD保護技術在信號系統中的應用可選擇PCB集成電路板式設計，這種SPD設計能夠適應有限的采集終端安裝空間，有效實現分采終端、主采集器、主采集器至分采終端的SPD保護。同時，該SPD設計需結合高能量信號電涌保護器（D1類），有效防護直擊雷能量；SPD保護技術在電源系統的應用需基于場室低壓配電線路的具體需要設置專線供電，電纜需具備金屬護套或絕緣護套，以此穿金屬管全線埋地引入電纜，同時需要就近可靠接地電纜金屬管及金屬護套兩端。為保護低壓配電系統，SPD需科學設置，一般主采集器箱保護選用SPD4（B+C型），也可以采用復合型SPD，充分利用其直擊雷與感應雷防護功能，直擊雷能量地電位反擊可實現有效應對[3]。

2 自動氣象站雷電防護技術的具體應用

2.1 案例概況

為提升研究的實踐價值，本文以某自動氣象站作為研究對象，該自動氣象站距離海面約3km，位于南方沿海強雷暴區，年平均雷暴日數、年最高雷暴日數分別為75d、92d，防雷等級為二級，屬于典型的地面氣象觀測場（室），雷暴發生于全年各月，最高存在200KA以上的閃電強度。自動氣象站觀測場南面和東面空曠，位于小山頂，較為容易出現落雷。2018年10月，該自動氣象站建成投入運行，至2019年6月期間，該自動氣象站多次遭遇雷擊，其中2019年4月20日遭受直接雷擊的自動氣象站出現業務計算機串口隔離器損壞，采集器數據無法接收，同時主采集器、地溫數據采集處理集成板也因雷擊損壞，此后遭遇的多次雷擊還導致了業務計算機屏幕空白、溫濕分采集器損壞等故障。在遭受雷擊后，測量避雷塔塔身（剩磁測試儀）可得到0.7MT以上的剩磁量，這說明獨立避雷塔引入雷電流，而由于觀測場地網與避雷塔地網的共網，瞬間抬升的觀測場地電位引發的地電位反擊導致設備損壞，這是由于遭受直擊雷時共用地網存在超過電子元件耐壓水平的瞬間升高地電位，而由于信號線將雷擊感應耦合產生的雷電波傳至值班室，進一步的損壞問題出現，為有效解決問題，案例在獨立接地網設置、感應雷防護、直擊雷防護方面開展了一系列實踐，最終取得了令人滿意的成果。

2.2 獨立接地網設置

為強化自動氣象站雷電防護，案例自動氣象站首先開展了獨立接地網的優化設置，具體從兩方面入手：第一，避雷塔獨立接地裝置設置。由于觀測場內的電子系統會受到共用地網帶來的威脅，因此需要斷開觀測場地網與避雷塔接地，并進行獨立接地網的新建。通過對觀測場外側地網接地電阻進行計算可以確定，由于土壤電阻率為200Ω·m，結合山頂觀測場的特殊性，需建設地網于觀測場的西面、南面、東面，水平敷設總長度80m的熱鍍鋅扁鋼，規格為50×5mm，埋設水平接地體深度為0.8m。對屬于L型的不閉合地網來說，基于圖2所示的水平接地體形狀系數對應值，可確定水平接地體形狀系數取0.378，最終可求得5.16Ω的接地電阻，這說明水平鋪設地觀測場外側接地網無法滿足要求（4Ω），因此每5m同時設置人工垂直接地的熱鍍鋅角鋼，規格為50×50×5×2000mm，同時施放長效降阻劑于地溝中，完成施工后可得到3.4Ω的接地電阻，設計目標得以滿足；第二，觀測場圍欄內地網設置。除按地溝布設地網，還需要沿圍欄邊0.8m處布設觀測場內環型地網，以此便于連接金屬圍欄，采用熱鍍鋅角鋼作為垂直接地體，間距、規格為4~5m、50×50×5×2000mm，同時采用熱鍍鋅圓鋼作為水平接地體，選擇的國標熱鍍鋅圓鋼規格為Φ12，按照0.6~0.7m深度埋設地網水平接地體，回土夯實后進行測量，可得到2.9Ω的觀測場接地電阻[4]。

圖2 水平接地體形狀系數對應值

2.3 感應雷防護

案例從電源進線防護、信號進線防護、等電位連接三方面進行感應雷防護。電源進線防護采用分級泄放的方式，電源進線可由此逐步泄放雷擊能量到大地。由于在五層大樓的第四層設置值班室，因此并聯接入試驗電源浪涌保護器于總配電處開關處，規格為，其屬于第一級防護。同時設置的電源避雷器于第四層，其屬于第二級防護。值班室內安裝的電源避雷器，其屬于第三級防護，同時將插座式電源防浪涌保護器設置于UPS前作為精密防護，最終可有效防護電源浪涌。此外，并聯工業控制系統電涌保護器于采集體處理箱處，其額定電流、額定工作電壓、電壓保護水平分別為5kA、12V、≤30V，由此可強化對自動氣象站國產設備的保護；信號進線防護需關注最初信號線的過電壓防護，需將工業控制信號防雷器與傳輸信號線串聯，對于分采箱匯總各要素信號的串口隔離器，需采用一套多接口信號避雷器串聯，需保證存在10kA的通流容量，插入損耗、傳輸速率分別為0.3dB、10mpbs。另一套還需要串聯于總信號線傳輸到值班室處，以此實現多重保護。網絡信號避雷器采用RJ45接口安裝于與外線連接的值班室計算機處，音頻線路防雷器采用RJ11接口安裝于電話進線處；在等電位連接中，從值班室到觀測場的信號線和電源線需分別單獨穿屏蔽管和鋼管，屏蔽管和鋼管兩端接地，以此提升電磁屏蔽效果，所有觀測場內的信號傳輸線屏蔽管、電源線管、金屬設備均需要可靠連接預留的接地銅排，螺栓連接的防腐處理也不容忽視。

2.4 直擊雷防護

為有效防護直擊雷，案例自動氣象站主要從兩方面工作入手：第一，科學開展氣象儀器設施安裝布局。安裝儀器設施需遵循中國氣象局發布的標準要求，以此在觀測場東北部設置自動氣象站風桿，觀測場西北部設置自動氣象站風桿，能見度儀設置于中間。觀測場中間部分布有數據采集傳送箱、百葉箱、雨量筒，深層地溫場、日照計、淺層地溫場設置于南面部分；第二，獨立塔保護。為保證觀測場內儀器和工作人員不會受到雷電直接雷擊，基于已建成的19m避雷塔（自動氣象站西北面），需在東北面增設高出地面19m避雷塔于同一緯度觀測場外4m處，同時設置獨立避雷針于南邊外約4m處，需高出地面10m，自動氣象站的數據采集箱、地溫場等設備可得到更好保護，保護有效范圍也可由此擴展至整個觀測場。

3 結論

綜上所述，自動氣象站雷電防護技術的應用需關注多方面因素影響。在此基礎上，本文涉及的防地閃回擊保護技術、SPD保護技術、獨立接地網設置、直擊雷防護等內容，則直觀展示了可行性較高的自動氣象站雷電防護技術應用路徑。為更好強化自動氣象站雷電防護，自動氣象站特點的深入研究、新型防雷技術與設備的積極應用、國家和行業有關規范的嚴格遵循同樣需要得到重視。