新型自動氣象觀測站測場防雷系統(tǒng)淺析

李 磊，崔玉陽

（新巴爾虎左旗氣象局，內(nèi)蒙古自治區(qū) 呼倫貝爾 021200）

雷電具有極為強大的破壞性，一次閃電中攜帶電壓最高可達幾百萬伏，其瞬間電流可高達數(shù)十萬安培。當(dāng)建筑受到雷擊時，可能會造成建筑物內(nèi)部設(shè)備損壞、人員傷亡，甚至?xí)蓴_傳輸或儲存的信號以及模擬或數(shù)字數(shù)據(jù)，嚴(yán)重時會使這些數(shù)據(jù)丟失，電子設(shè)備癱瘓或整個系統(tǒng)停頓。就目前的技術(shù)水平而言，還沒有有效的方法來阻止雷電的發(fā)生。

從2020年4月起，全國地面氣象觀測自動化改革已從試運行切換調(diào)整為正式運行，這意味著我國各臺站的人工定時觀測和日常守班等觀測任務(wù)取消，地面氣象觀測實現(xiàn)全面自動化，氣象觀測站也已被電子化氣象設(shè)備全部代替。

自動氣象站采用了多項數(shù)字化技術(shù)，如現(xiàn)場總線、嵌入式技術(shù)等，改變了傳統(tǒng)氣象站的運行方式，構(gòu)建了新型自動氣象站體系。在自動氣象站運行中，需要全面設(shè)計防雷系統(tǒng)，保證自動氣象站平穩(wěn)運行，不受雷電災(zāi)害為影響。因此，新型自動氣象觀測站測場的防雷措施成為了保障觀測場內(nèi)氣象觀測儀器設(shè)施、器材員安全的重要手段之一。

1 概況

新型自動氣象觀測站測場呈正方形（除輻射站），四周由圍欄環(huán)繞，邊長為25 m，總占地面積為625 m2，圍欄北側(cè)正中間為觀測場正門，觀測場內(nèi)設(shè)多個自動觀測儀器，如風(fēng)速風(fēng)向傳感器、百葉箱（頂高1.6 m）、天氣現(xiàn)象儀（頂高2.1 m）、能見度儀（頂高3 m）、積雪深度觀測儀（頂高2.4 m）、稱質(zhì)量式雨量傳感器（頂高1.5 m）、翻斗式雨量傳感器（高度忽略）、光電式自動日照計（頂高1.5 m）、閃電定位儀（1.6 m）和地溫分采機箱（高度忽略不計）等多個電子設(shè)備，以及主采集機箱，串口服務(wù)器和個別觀測儀器所配套的分采集器（所有機箱支架離地頂高1.5 m）。

2 外部防雷系統(tǒng)設(shè)計

2.1 直擊雷防護措施

新型自動氣象觀測站測場（以下簡稱“觀測場”）的直擊雷防雷設(shè)計，一般選用接閃桿裝置直接安裝在風(fēng)桿上的措施進行防雷。觀測場風(fēng)塔頂高通常為10.5 m，若加裝一根2 m高的接閃桿（材料為20 mm的熱浸鍍鋅圓鋼）則總高可達到12.5 m，以下以12.5 m總高的風(fēng)塔為例進行分析。由于氣象觀測場的特殊性，以下防雷措施都以二類防雷建筑物進行設(shè)計[1]。觀測場剖面保護范圍如圖2所示，當(dāng)避雷針的高度h≤hr（滾球半徑，二類防雷建筑物滾球半徑的大小為45 m）時：距地面hr處作一平行于地面的平行線；以接閃桿針尖為圓心，hr為半徑做弧線交平行線A、B2點；以A、B2點分別為圓心，以hr為半徑做弧線，該弧線與針尖相交并與地面相切。從該弧線至地面范圍內(nèi)，就是該接閃桿對觀測場地面的保護范圍[2]（保護范圍是一個對稱的曲面椎體）。

圖2 觀測場剖面保護范圍簡圖Fig.2 Schematic diagram of the protection scope of the observation siteprofile

根據(jù)公式可以算出該接閃桿的保護半徑

式中：bx——接閃桿對地面保護范圍；hr——滾球半徑；h——接閃桿針尖高度。

根據(jù)結(jié)果可以得出接閃桿對觀測場垂直面保護范圍示意圖如圖3所示。

圖3 觀測場垂直面保護范圍簡圖Fig.3 Schematic diagram of the protection scope of thevertical plane of the observation field

結(jié)合圖1接閃器的位置可知，整個觀測場地面除去極小部分未受到保護以外，其余部分全部都在接閃桿所保護范圍之內(nèi)。但由于觀測場內(nèi)儀器存在高度，因此需再次確定各個儀器是否在保護范圍之內(nèi)。以下主要針對能見度儀、天氣現(xiàn)象儀、雪深儀、稱質(zhì)量式雨量器、光電式日照計、閃電定位儀和觀測場內(nèi)各個機箱支架的高度進行研究。

圖1 新型自動氣象觀測站測場平面規(guī)劃示意圖Fig.1 Schematic diagram of the measurement site plan of the new automatic weather observation station

首先建立一幾何圖形如圖4所示。距離地面hr高度作一平行于地面的平行線；以接閃桿針尖位置Q為圓心，hr為半徑作弧線交于平行線A、B2點；分別以A、B為圓心，hr為半徑作弧線，該弧線與針尖相較于Q點，并與地面相切。從該弧線起到地面上保護范圍；避雷針在hx高度上的保護半徑按下方法確定。

圖4 單支避雷針的保護范圍計算簡圖Fig.4 Simplified calculation of theprotection rangeof asingle lightning rod

2.1.1 能見度儀

由計算簡圖可知

既：

式中：rx——接閃桿在hx高度平面的保護半徑，m；hr——滾球半徑，m；hx——被保護物的高度，m；h——接閃桿針尖距離地面高度，m。

帶入已知數(shù)據(jù)得（為計算方便，以下所有儀器在圖中視作為一個點，儀器與接閃器之間的距離均為點與點之間的距離）。

根據(jù)圖1可計算出能見度儀距離針尖水平距離為11 m＜15.0 m，所以天氣現(xiàn)象儀在該接閃桿的保護范圍之內(nèi)，可以避免直擊雷的破壞。

2.1.2 天氣現(xiàn)象儀

方法同2.1.1，帶入已知數(shù)據(jù)得

根據(jù)圖1可計算出天氣現(xiàn)象儀距離針尖水平距離為17 m＞13.6 m，所以該接閃桿不能夠有效保護能天氣現(xiàn)象儀避免直擊雷的破壞。

2.1.3 雪深儀

方法同2.1.1，帶入已知數(shù)據(jù)得

根據(jù)圖1可計算出天氣現(xiàn)象儀距離針尖水平距離為16.7 m＞14.5 m，所以該接閃桿不能夠有效保護雪深儀避免直擊雷的破壞。

2.1.4 稱質(zhì)量式雨量計

方法同2.1.1，帶入已知數(shù)據(jù)得：

根據(jù)圖1可計算出天氣現(xiàn)象儀距離針尖水平距離為18.3 m＞11.5 m，所以該接閃桿不能夠有效保護稱質(zhì)量式雨量計避免直擊雷的破壞。

2.1.5 光電式日照計

方法同2.1.1，帶入已知數(shù)據(jù)得根據(jù)圖1可計算出天氣現(xiàn)象儀距離針尖水平距離為20.7 m＞11.5 m，所以該接閃桿不能夠有效保護光電式日照計避免直擊雷的破壞。

2.1.6 閃電定位儀

方法同2.1.1，帶入已知數(shù)據(jù)得：

根據(jù)圖1可計算出天氣現(xiàn)象儀距離針尖水平距離為9 m＜11.9 m，所以閃電定位儀在該接閃桿的保護范圍內(nèi)，可以避免遭受直擊雷的破壞。

2.2 感應(yīng)雷防護措施

觀測場內(nèi)氣象觀測設(shè)備供電，一方面是從值班室引出的供電線路供電，另一方面是儀器機箱內(nèi)放置的蓄電池進行供電，從值班室引出的交流線路經(jīng)地溝內(nèi)金屬線槽進入觀測場內(nèi)電源箱，通常在值班室電源箱內(nèi)安裝了1個電涌保護器（SPD），標(biāo)稱放電電流值In≥20 kA，保護水平Up≤1.5 kV，電涌保護器接地線就近值班室地網(wǎng)連接，在觀測場內(nèi)儀器分配總電源箱內(nèi)也需安裝電涌保護器。觀測場內(nèi)各儀器傳感器、采集器、串口服務(wù)器等設(shè)備相互之間均通過有線電纜進行連接，各設(shè)備需接入端將電纜的金屬屏蔽層與設(shè)備機箱接地端子連接后就近與觀測場地網(wǎng)連接[3]。

3 觀測場內(nèi)部防雷系統(tǒng)設(shè)計

3.1 屏蔽設(shè)計

3.1.1 線纜屏蔽

觀測場內(nèi)存在較多電線電纜，發(fā)生雷擊風(fēng)險較大。現(xiàn)代氣象設(shè)備的線纜自身存在屏蔽層，但該屏蔽層無法滿足較多線纜共存時的屏蔽需求，線路主要分為電纜線路和信號線路，因此觀測場安裝儀器布線時，需將電纜線路和信號線路分別放入不同位置的鋁合金材質(zhì)線槽內(nèi)，線槽上下錯位架設(shè)在觀測場地溝內(nèi)，起到雙重屏蔽的作用。

3.1.2 儀器屏蔽

觀測場內(nèi)的各個儀器自身存在一定的電磁波，容易受到雷電攻擊，儀器方面，需采用全封閉式的防雷設(shè)計，根據(jù)防雷系統(tǒng)的設(shè)計要求，調(diào)整觀測場內(nèi)的儀器擺放，可降低雷電脈沖的破壞力度，觀測場在建設(shè)過程中需完全按照最新標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)方案安放儀器，即可達到最佳的屏蔽要求。

3.2 接地設(shè)計

在觀測場各儀器基座上選擇合適的連接點，連接點與接地裝置相連，接地裝置采用鍍鋅扁鋼與地溝內(nèi)金屬網(wǎng)焊接相連，金屬網(wǎng)全覆蓋鋪設(shè)在地溝內(nèi)，并引入地下，最終形成屏蔽層，能夠有效預(yù)防初級雷電。

3.3 布線設(shè)計

為了預(yù)防雷擊破壞，在布線時，有序地平鋪在線槽內(nèi)，避免采取大回路，盡可能按同方向延展鋪設(shè)即可。

4 結(jié)語

通過以上研究，可以得出以下結(jié)論：新型自動氣象觀測站測場部分儀器不在接閃器有效保護范圍之內(nèi)，因此，觀測場風(fēng)塔上高2 m的接閃桿無法有效保護觀測場內(nèi)所有儀器免受直擊雷的危害，即便是有些儀器在保護范圍之內(nèi)，也不能夠確定該接閃桿能夠絕對有效避免儀器不受直擊雷的影響。因此，在無法架設(shè)更高的接閃桿于風(fēng)塔之上的前提下，需在該觀測場東西兩側(cè)設(shè)置至少2根獨立接閃桿進行保護，高度及距離可根據(jù)實際情況按照滾球法進行計算。

通關(guān)研究分析可知，按要求建設(shè)的新型自動氣象觀測站測場屏蔽系統(tǒng)良好，布線方案合理，施工后的現(xiàn)場既美觀又不會影響線路正常工作以及人員正常操作。值班室以及觀測場總電源分配箱內(nèi)加裝浪涌保護器，能夠避免觀測場受到雷擊后對值班室的供電系統(tǒng)以及信號系統(tǒng)產(chǎn)生破壞。