自動氣象站雷電過電壓防護分析

摘要：本文簡要分析了雷電過壓攻擊的具體路線：供電線、通信線;探索了過電壓應對之策：接地、屏蔽等方法，以此保證自動氣象站運行的安全性，加強防雷工作落實，給出有效的過電壓防護方案。

關鍵詞：電源線;接地;分流

中圖分類號：TP2

引言：

自動氣象站的整體體系包括硬件與軟件。硬件程序包括信息采集裝置、信息感應設備、數據通信接口、供電設備等。數據采集、數據感應等設備，無法有效應對電磁干擾問題。電磁干擾來源，主要表現為兩種類型：一類是人為產生的干擾源，對電力程序隔離裝置、運行系統各位置造成過電壓問題;另一類是雷電引起的過電壓現象。兩類電磁形成的威脅，均具有較大危害作用，亟需制定有效防護措施。

1雷電過壓攻擊路徑分析

1.1電源線攻擊

氣象站運行時，主要的供電設施是使用低壓線，將電源傳輸至氣象站室內，此時電力線路將會承受雷電攻擊，以配電線走向為依據，以行波狀態攻擊供電設備，致使氣象站發生運行異常，難以有序運行。直擊雷的攻擊主體，是以高壓線為主要目標。雷擊作用產生的過電壓，在變壓器耦合作用下，電壓恢復至初級，在220伏特線路中運行此種電壓，成功攻擊氣象站內部的電源設施。在直擊雷作用下，極有可能轉移線路壓力，形成過電壓現象。同時，在220伏特的線路表層，感應雷能夠準確捕獲過電壓，對氣象站形成較大威脅。

1.2通信線攻擊

在氣象站周邊地區，并未形成有效的防雷體系。氣象站周邊區域內，各種高出地面的物體，比如建筑、路燈等，極有可能在雷電作用下被擊穿。雷電作用期間形成的過電壓，會擊穿地面表層的泥土，致使戶外安裝的傳感設備、其他設施無法有序運行，甚至引起設備損壞，或者擊穿絕緣層，比如網格線、數據采集設備、通訊線路等。在各路絕緣層受損后，會引起瞬時過電壓迅速流轉現象，在通訊線路的指引下，瞬時產生的過電壓會攻擊氣象站。如果感應雷擊已然造成通訊線路損壞，會在通訊線路表層獲取過電壓攻擊氣象站的信息，間接對氣象站形成較大危害。

2過電壓應對方法

2.1接地保護

圍繞氣象站進行的雷電保護工作，接地防護是較為關鍵的一種措施。接地保護對于各類雷擊具有一定防護作用，包括直擊雷、感應雷等。在保護時，主要是將雷電流轉移至大地中，減少雷電危害。因此，為獲取優異的防雷效果，選用優質的接地設備，確保轉移雷電流的有效性。一般情況下，氣象站進行接地保護時選擇的工藝為“單點式”。此種接地方式，電阻小于4Ω。在工藝連接時使用共同地網方式，確保雷擊流轉移至相同的地網區域。在接地連接時，應保證接地線與防雷線之間的間距大于5米。此外，在電位連接時，分別連接方向感、衛星線路底座等設備，保證氣象站整體的防雷效果，促使氣象站有序運行。

2.2屏蔽保護

屏蔽保護法，是以保護主體為目標，借助金屬網、箔等物質，對目標物體進行包圍，有效阻斷雷擊形成的電磁脈沖，提升閃電攻擊氣象站的困難性。屏蔽措施是保障雷電磁脈沖形成輻射作用的最佳防護方法。在實踐進行屏蔽時，有序連接屏蔽套、屏蔽設備，形成有效的接地保護體系。在戶外裝設的各類設備，比如傳感器、信息采集器等，需要使用屏蔽線進行連接，同時給予多點接地防護。

雷電發生較多的區域，應在電纜表面上方30厘米處，增設兩組金屬，用于接地保護。針對存放計算機設備的氣象站，在使用低壓電源線時，應防止線路架空。一般情況下，使用鎧裝電纜方式，進行線路保護，增設電源避雷設備。對于網絡通信線路，應對其進行地區敷設，確保線路通信的屏蔽效果。同時，在網線兩側裝設通信避雷設施，確保通信有序，減少雷電作用。

2.3分流保護

現階段防雷工藝中，分流保護方法，是用于保護電氣設備的關鍵措施。分流措施，是導線從戶外引進室內，在導線與接地目標之間使用避雷裝置。氣象站實際運行期間，會在供電線路、通信線路等位置，形成完整的保護體系，確保避雷設備的使用效果。如果發生感應雷、直擊雷等作用，會形成較大的過電壓現象，在導線幫助下，由戶外傳至室內。此時，避雷裝置表層存有的電阻，會在短時間內發生減少時間，甚至會形成短路時間，閃電作用下形成的較大電流，在避雷裝置的幫助下，短時間內向大地釋放電流。此種保護方法，主要保護的設備有信息采集、信息感應各類設備。

2.4均壓保護

均壓保護，與接地、避雷設備的使用，具有相互協調性。在均衡聯通電位時，主要使用截面規格較大的導線，有效連接雷電流攻擊的各類設備。氣象站中，應在電位均衡線路上，進行各類設備的連接，對設備進行集中防雷保護。使用放電管，有序連接供電線、互聯終端等，確保電子設備的防雷有效性。如果觀測區域，相同終端所在機房的間距較小，可進行有效的共地處理方法，保持各設備電壓的平穩性，有效去除過電壓形成的威脅。

3氣象站過電壓應對實例分析

3.1科技防護

3.1.1科技設備防雷的需求與規定

某氣象站在進行過電壓應對、雷電防護各項工作時，應積極防控外線路感應事件，積極配置通信設備，借助高功能集成設計、智能通信等工藝，有效控制通信網絡形成的風險電路數量，加強整網雷電對抗能力。以室內終端、控制設備、監控體系為主，積極制定防雷措施。在氣象通信體系中，高效整合交換器、信息傳輸等各類設備，確保系統連接質量，線路連通長度介于100與200米之間。在連接線路中，會受到雷電感應作用，轉移雷電浪涌方向，極易增加雷電威脅。因此，加強防雷設計，是保證氣象站運行的關鍵措施。

（1）IEC-61644要求中，明確給出氣象站通信聯通、信號接口的防雷方法。

（2）ITU-TK相關文件中，針對氣象站各項通信防雷工作，給出多種指導措施。

3.1.1各地區防雷的側重方向

結合江門、東莞、湖南各地區的氣象站通信工程實際受到的雷害問題可知：在氣象站中增設的網絡接口、智能控制體系、移動通信設備等，均在不同程度地遭受雷擊威脅，發生設備損壞問題。同時，在氣象數據通信網絡中，數據接口、采集板等各類組件，均在雷擊中發生損壞。由此說明：互聯終端、控制程序、通信接口等位置，均是雷電過電壓主要的攻擊位置，整體防雷能力較弱，應引起氣象站單位的高度關注。

3.2過電壓保護措施

3.2.1選用過電壓保護設備，氧化鋅避雷器

由架空線路終端位置向氣象站引入的線路，伏特值有兩種類型，分別為10kV、6.6kV。以防雷視角為出發點，使用屏蔽電纜，確保纜線埋設的有效性。如果在氣象站內部添加配電變壓設備，屏蔽電纜再進行防雷保護，應將其引入地下。屏蔽纜線長度須介于300至500米范圍內。

在線路終端、線纜拼接等位置，在接地保護時，需要裝設避雷器。在安裝前期，應進行避雷器類型的選擇與確認。案例氣象站最終選用的避雷器，為氧化鋅類型，電壓值為12.7kV。結合GB11032的文件規定：當避雷器的電壓為10kV時，能夠確保雷暴強度的防護質量，符合城市各領域防雷的各項要求。因此，在案例氣象站中，選用氧化鋅避雷器，其電壓12.7kV高于10kV，能夠有效保證各位置的防雷質量，比如變壓器、通信線路接口等。

3.2.2配電體系使用的過電壓防護設備

氣象站結合雷電類型、主要發生威脅的地區等因素，對配電系統給予有效保護，確保保護設備選擇的適用性。案例氣象站在供電系統保護工作中，要求在器件回路程序中添加保險絲，添加時采取串聯方式。現階段，在進行配電防雷工作時，保護主體會在自身損壞、過電壓作用下，發生設備燃燒時間，間接降低供電線路整體的運行能力。結合實際發生的雷電事故，氣象站為確保供電的有序性，應保障保險絲處經過的電流量級，等同于上個位置保險絲的5/8。

在實踐測試中發現：沖擊通流量不高的設備，在雷電作用下，整體運行的剩余時間，遠低于沖擊通流級別較高的設備類型。配電區、供電區主要承接供電線路沿線的電流能量。因此，在進行配電體系防雷時，應盡量選用高級別的保護設備，確保設備運行時間的充足性，減少保護設備頻繁更換問題。

氣象站在為供電系統選擇防雷設備時，應結合TN系統的電力供應情況，明確供電程序中防雷器的安裝形式。案例單位在供電系統連接時，是以TT系統為主要連接形式，輸電線路電壓為380伏特，此時在防雷保護時，可對N線進行加裝處理，使用放電管拼裝成防雷器，形成防雷保護體系。

3.2.3電源線過電壓的防雷應對之策

結合YD/T585-92文件的規定內容，介于12至60伏特之間的配電系統，其絕緣測試時，測試時間為1分鐘，電壓有效參數為500伏特。由此發現：在配電體系中，雷擊允許參數不小于500伏特，一般達到工頻6倍。結合供電需求，確保防雷器電壓余量不超過300伏特。

氣象站各類設備的供電壓力，有一定調整區間。如果將設備運行壓力調整為48伏特，實際允許電壓的變幅介于-40伏特與-57伏特之間。換言之，如果供電壓力處于-57伏特位置，可以更換設備。在氣象站進行供電設計時，使用的電壓調整措施為“直流供電”。一般情況下，氣象站電壓維持在-48伏特左右。在選擇防雷設備時，用電電壓應介于70伏特與90伏特之間。為保障防雷器的使用效果，應回避防雷器形成的電壓浮動問題，維持各類設備運行的有序性。同時，電源線連接的防雷器，應配有保險絲器件，防雷器實際輸出的電流不小于3KA，此時防雷器可進行接地保護連接。

結論：綜上所述，在新時期，結合自動氣象站的設備引入情況，擴充防雷功能，積極回避過電壓問題，確保氣象資料交互的高效性，逐步提升氣象站運作能力，為各部門生產運輸、工作規劃給出天氣信息的參考依據。

參考文獻：

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作者簡介：何秋宏1983年04月，性別：男，民族：漢，籍貫（省市）：廣東省揭陽市，職稱：中級，學歷：本科，主要從事：電氣、防雷裝置檢測。