淺談自動氣象站雷擊電磁脈沖防護措施

蘇貴嶺，劉建東

（葫蘆島市氣象局，遼寧 葫蘆島 125000）

雷擊電磁脈沖是雷電流經電阻、電感、電容耦合產生的電磁效應，包含閃電電涌和輻射電磁場[1]，使附近導體上感應出很高的電動勢，表現為過電壓、過電流的瞬態波[1]，通過金屬導線和金屬管網進入觀測儀器和站房內部造成事故。傳感器、數據采集系統分布在室外LPZ0B區內，雷擊電磁場強度沒有衰減。各觀測設備不太可能遭到雷電直接雷擊，但由于自動氣象站系統的電子元器件的絕緣強度低、耐壓能力、抗電磁干擾能力以及抗沖擊電流能力較弱。因此，極易受到雷電過電壓的沖擊而損壞。

1 雷擊電磁脈沖的入侵途徑

自動氣象站包含多種觀測傳感器和主采集器，電子設備高度集成化，涵蓋氣象主管機構統一布局的19項已實現儀器自動觀測的項目，以及13項可通過綜合判識或圖像識別實現自動觀測的項目。采用的系統結構包括主采集器、外部總線、分采集器、傳感器、電源箱等。各采集器之間采用CAN總線進行數據通訊。主采集器與工作室終端計算機采用雙絞線或光纖進行數據傳輸。

設備工作電壓僅幾伏，對電磁干擾極其敏感，傳感器前端也沒有防過電流保護措施，經雙絞線連接至數據采集器防雷板，線端未做SPD防護。由于系統中金屬外殼設備多、接口多，線路老化等原因，易造成閃電電涌侵入，使得自動氣象站中的傳感器、采集器等設備遭受不同程度的損傷。

雷擊電磁脈沖侵入工作室的途徑包括電子系統的電源線、信號線、接地線等都是工作室的進雷通道以及直擊雷雷擊點的高電位反沖。同時，由于雷電對架空線路、電纜線路或金屬管道的作用，由閃電靜電感應或雷擊電磁脈沖引發的閃電電涌可能沿著這些管線侵入屋內，危及人身安全或損壞設備[1]。

葫蘆島市的自動氣象站多次發生風向傳感器遭雷擊事故，造成多種要素觀測中斷。調查分析發現接閃桿成功接閃，但傳感器和數據線不同程度被損壞，經檢測觀測場接地阻值合格，采集器防雷板不止風向風速線路被燒毀，旁邊多路傳感器數據通道亦受損，從而整體上造成自動化氣象站無法進行有效的數據采集，并且造成很大的人力、錢財的損失。通過對一些可能存在的因素分析，認為采用避雷針共用風桿方式的自動站，避雷針與風向風速傳感器水平距離過近而且風桿或風塔均為金屬材質，閃電放電時，在附近導體上產生的雷電靜電感應和雷電電磁感應可能使金屬部件之間產生火花放電[1]以及雷擊電流流過金屬桿時所產生的高電位對傳感器造成的反擊，瞬態電流沿損壞的線路侵入設備中，一旦出現電位差，容易擊穿電子設備，造成電子設備的損壞以及后期維修的困難。

數據傳輸線路一般鋪設在地溝中，長度也較長，甚至多余的線路盤在一起。防雷裝置的地網一般就直接埋在觀測場內。避雷針接閃時，雷電流通過地網就近泄入地中。由于雷電流迅速變化在其周圍空間產生瞬變的強電磁場，接地線和數據線之間如果發生電磁耦合，感應出很高的電動勢，產生的感應過電壓通過數據線侵入采集器中[2]。地線與數據線間距過近、夾角過小也會造成雷擊過程中地線與數據線之間的電感耦合[2]。

2 雷擊電磁脈沖的防護措施

在自動氣象站施工建設過程中，應依據當地環境因素，考慮其性能特點進行系統設計，結合自動站雷擊事故分析，進行雷擊電磁脈沖的防護。具體來說，可以從觀測場接地裝置、等電位連接、屏蔽以及浪涌保護器等方面綜合防護雷擊電磁脈沖，同時，加強工作人員日常維護管理，科學檢測接地情況。

2.1 觀測場接地裝置

針對風向風速傳感器多次遭雷擊，自動氣象站防直擊雷防護等級按照一級標準設計獨立接閃桿，選擇在雷暴主導路徑上風方，高度不低于風桿避雷針并且保證與觀測場≥10 m的安全距離[2]，這樣才能獨立出接地裝置，確保避雷針在接閃時，雷電流有單獨的低阻抗泄放通道，降低閃電電涌和輻射電磁場的電磁效應影響而不會干擾到觀測場設備。獨立避雷針接地阻值按觀測場接地阻值要求設計，減小相鄰地網的電壓差。

同時，觀測場內水平接地體和接地線的布置、周圍線纜的埋設位置應當綜合考慮電感、電磁耦合影響后再做決定。接地體盡量避開觀測設備，避免接地線和數據線距離過近，水平接地體盡量不要與數據線平行敷設以及多余的數據線路不要盤在一起，這樣做是為了避免受到外在因素的影響，確保觀測場內的環境足夠穩定、安全。

2.2 防雷等電位連接

自動氣象站分布在多個防雷區，在2個防雷區的界面上做等電位連接是減小雷擊電磁脈沖影響行之有效的方法。將各種觀測設備、電力設施以及各金屬外殼等直接用連接導體或經電涌保護器連接到防雷裝置上以減小雷電流引發的電位差[1]，防止雷電泄流時產生的高電位對附近傳感器金屬外殼或電子系統線路的反擊。觀測場電纜溝內安設等電位連接帶，設備金屬外殼及其金屬支撐架就近連接等電位連接帶，不要直接與接地網連接。電源線、數據線應選用帶屏蔽層的電纜，分別穿金屬管（橋架）沿觀測場電纜溝敷設，金屬管（橋架）應首尾電氣貫通，并在進出電纜溝處就近連接等電位連接帶。增大金屬管間距或采用金屬線跨接，金屬橋架在電纜溝拐角處，做好跨接并增設等電位連接。線纜屏蔽層和金屬管應在主采集器入口處與主采集器金屬外殼進行等電位連接。

工作室內的電子系統應與建筑物的接地裝置做好等電位連接。電子系統與工作室所處建筑物宜共地。向電子系統供電的配電箱的保護地線（PE線）應就近與建筑物的等電位連接網絡做等電位連接[1]。電氣和電子設備的金屬外殼、機柜、操作臺、屏蔽線纜外層、設備防靜電接地、電源保護接地、浪涌保護器以及機房靜電地板接地端等均應與等電位連接網絡的接地端子連接。這樣，在雷電襲擊時，電子系統和建筑物大體上是等電位的，減少內部電子設備被高電位反擊的事故，從而確保電子設備的安全、穩定運轉。

2.3 屏蔽以及SPD的安裝

工作室所處的建筑物梁、柱、基礎內的鋼筋、門窗鋼結構等要做好等電位可靠連接形成籠式避雷網，從而工作室內的電子設備得到很好的屏蔽。進出工作室的電源線、信號線采用屏蔽電纜時其屏蔽層應至少在兩端，并宜在防雷區交界處做等電位連接，供電線路宜采用具有金屬護套或絕緣護套電纜穿金屬管埋地引入。金屬管及電纜金屬護套兩端應就近可靠接地。

工作室電源處和數據線端加裝浪涌保護器SPD，可以有效的限制瞬態雷擊過電壓并引導浪涌電流就近分流入地。一般工作室防雷等級劃分為3級，低壓配電系統中應安裝2級SPD進行防護，在總配電柜上安裝SPD1，每條相線和中性線上選用沖擊電流Iimp≥12.5 kA或者標稱放電電流In≥50 kA，電壓保護水平Up≤2.5kV的SPD；SPD2安裝在分配電盤上，每條相線和中性線上選用標稱放電電流In≥15 kA，電壓保護水平Up≤1.5 kV的SPD[2]。工作室路由器前端應加裝符合其接口型式（一般為RJ11/RJ45）的信號SPD[3]。

2.4 加強日常維護

周期性維護的周期為1年，每年在雷雨季節到來之前，應進行1次全面檢測。測試接地裝置的接地電阻值，若測試值大于規定值，應檢查接地裝置和土壤條件，因為接地裝置和土壤條件的不注意會造成雷雨天氣下的雷擊頻率，所以進行周期性維護時需要注重這方面的控制，找出變化原因，采取有效的整改措施。檢測工作室內部等電位連接的過渡阻值，若連接處松動或斷路，應及時修復。全面檢查浪涌保護器的運行情況，有無接觸不良、漏電流是否過大、發熱、絕緣是否良好、積塵是否過多等。日常性維護應在每次雷擊之后著重檢查等電位連接網絡的連接是否牢固，浪涌保護器工作指示窗狀態。

3 結語

雷擊電磁脈沖是雷云放電的后續效應，易干擾自動氣象站數據傳輸甚至損壞電子設備。綜合分析雷擊電磁脈沖的入侵途徑，做好觀測場內出入線路等電位連接以及工作室的屏蔽等合理有效的防護措施，將其影響降到最低，保障自動站穩定運行，對避免雷擊電磁脈沖的影響，確保自動氣象站數據的正常傳輸有很好的指導意義。