新型農(nóng)業(yè)自動氣象站防雷檢測技術(shù)要求與設(shè)計

黃運(yùn)忠 江 聰

（江西省全南縣氣象局，江西 贛州 341899）

目前，隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展與完善，也伴隨著公共安全方面問題的出現(xiàn)。新時期，公共安全已成為各個領(lǐng)域關(guān)注的話題，人類社會的發(fā)展對環(huán)境造成了一定的影響，從而引發(fā)全球氣候變暖等問題，隨之而來的則是洪澇、雷電和暴雨等自然災(zāi)害的發(fā)生。新型自動氣象站作為氣象觀測的主要手段，依托自身的優(yōu)勢，來監(jiān)測地球環(huán)境與天氣，以此為將來的天氣變化提供有力的參考數(shù)據(jù)。

1.新型農(nóng)業(yè)自動氣象站簡要概述

新型農(nóng)業(yè)自動氣象站即針對農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境實時監(jiān)控以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)相關(guān)的環(huán)境監(jiān)測，農(nóng)田氣象環(huán)境調(diào)控等需求設(shè)計的一款綜合小型自動氣象監(jiān)測系統(tǒng)。其可以對農(nóng)作物與植物相關(guān)的環(huán)境因素進(jìn)行信息的采集，比如水分、土壤、熱度和光照等農(nóng)業(yè)氣象，可以實時監(jiān)測農(nóng)作物的生產(chǎn)情況，并將監(jiān)測結(jié)果與采集到的信息加以分析展現(xiàn)在人們的面前，人們可以及時對農(nóng)田情況加以掌握，如果農(nóng)田受某些條件制約而影響其生長情況，人們可以及時采用相關(guān)的防范對策。其在農(nóng)業(yè)研究、標(biāo)準(zhǔn)測量與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面被廣泛應(yīng)用。比如，農(nóng)業(yè)氣象預(yù)報、農(nóng)業(yè)災(zāi)害預(yù)警等。農(nóng)業(yè)氣象站有著自身特點，其中包括多樣化傳感介入、高精度數(shù)據(jù)呈現(xiàn)、低耗太陽能模式和大數(shù)據(jù)監(jiān)控平臺等。新型自動氣象站就其自身組成來看，通常由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析等裝置組合而成，在此期間的采集裝置就是人們所說的自動站。一般情況下，自動站可以分為如下幾個部分，包含線路連接、傳感設(shè)備、通訊和供電系統(tǒng)等。新型自動氣象站的在具體運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中，是依靠中央處理器完成對數(shù)據(jù)的采集、分析與執(zhí)行等操作的。

隨著城市化的發(fā)展，新型自動氣象站也迎來了新一輪的市場機(jī)遇與挑戰(zhàn)，新型自動氣象站對地形與外部環(huán)境有著較高的要求，需要將其建立在地形相對較高與開闊的區(qū)域，為此采取相應(yīng)的防雷技術(shù)措施變得極為重要。其次，防雷技術(shù)可分為雷電波入侵防護(hù)與直擊雷兩部分。其中的雷電波入侵即雷擊感應(yīng)，在云對地面放電以及云層放電同時發(fā)生時，如果受到雷擊會增加半導(dǎo)體的電壓，比如自動氣象站附近的架空線纜或尖端物體遭到雷擊，這時就會產(chǎn)生雷電電磁感應(yīng)，由此形成的感應(yīng)過電壓傳遞到自動氣象站，就會對數(shù)據(jù)采集裝置造成直接影響，乃至擊穿線路的絕緣層，破壞系統(tǒng)的傳感裝置，從而導(dǎo)致事故的發(fā)生。而直擊雷是云層和地面之間形成的雷電，觀測裝置被擊中后會損壞自動站的電子設(shè)備，導(dǎo)致數(shù)據(jù)收集出現(xiàn)問題，甚至影響數(shù)據(jù)的正常傳輸。為此，必須做好農(nóng)業(yè)自動氣象站防雷檢測技術(shù)，盡可能地降低雷電災(zāi)害造成的損失幾率。

2.新型農(nóng)業(yè)自動氣象站綜合防雷工程設(shè)計要求及原則

首先，新型農(nóng)業(yè)自動氣象站綜合防雷工程設(shè)計要求必須按照自動氣象站所在地的地質(zhì)、環(huán)境和氣候等因素以及雷電活動情況，與自動氣象站的特點與要求相聯(lián)系，通過分流、接閃、等電位、屏蔽、電涌保護(hù)以及綜合布線等方式，系統(tǒng)性地設(shè)計自動氣象站。其次，防雷裝置的架設(shè)與安裝不能影響到新型自動氣象站的正常工作，獨立接閃桿不應(yīng)對地面的溫度與光照輻射造成影響。最后，互相連接的防雷裝置必須使用同一材質(zhì)，同時嚴(yán)格按照防雷規(guī)范與要求，積極開展整體雷電防護(hù)工作，堅持層層把關(guān)、多級防御的原則。

3.新型農(nóng)業(yè)自動氣象站雷電入侵的途徑

3.1 高壓電脈沖入侵途徑

如果氣象站周圍有高層建筑物遭到雷擊，靜電感應(yīng)或者電磁感應(yīng)則可能對過電壓產(chǎn)生感應(yīng)，同時借助電源線纜將電流輸送至室內(nèi)，造成氣象站的傳感器與采集器等設(shè)施破壞，甚至有時可能對通信電纜絕緣層破裂區(qū)域產(chǎn)生高電壓，把通信電纜當(dāng)作傳輸媒介將電流輸送至值班室，嚴(yán)重?fù)p壞傳感器，此時就會影響氣象站整個觀測系統(tǒng)，致使其出現(xiàn)故障無法正常運(yùn)行，同時還會造成觀測信息的缺失，對農(nóng)業(yè)工作者造成極大地?fù)p失。

3.2 直擊雷與接地線入侵途徑

對于直擊雷的侵入，一旦其擊中觀測設(shè)備，就會損傷氣象站所有電子設(shè)施，嚴(yán)重影響氣象站氣象要素的收集與上傳。而接地線入侵時，接近地面的新型自動氣象站遭雷襲擊，接近地面的電位在短時間內(nèi)迅速聚集與增加，從而造成高電位沿著站內(nèi)接地線進(jìn)入，導(dǎo)致強(qiáng)電流的電路，極易引發(fā)電路元件燃燒的情況，最終對觀測儀器造成損壞。

4.新型農(nóng)業(yè)自動氣象站防雷檢測技術(shù)要求探析

自從自動氣象站投入使用以來，時常出現(xiàn)計算機(jī)、電話機(jī)以及儀器等設(shè)備受到雷擊的情況。對此，對相關(guān)的防雷系統(tǒng)設(shè)計提出更高的要求并對其進(jìn)行檢測是很有必要的。

4.1 外部防雷之接閃器

按照《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》的基本要求，對新型自動氣象站所要架設(shè)的觀測場地進(jìn)行相應(yīng)的防雷設(shè)計和技術(shù)施工。通過接閃器或接閃桿，利用引下線和地網(wǎng)相連接的方式，真正實現(xiàn)基本防雷設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)，同時依靠滾球法來計算接閃器的保護(hù)范圍，保證自動氣象站下的電子設(shè)備皆受到接閃器的有效保護(hù)，以防雷電侵入。自動氣象站下的建筑物有很多，其中包括值班室、機(jī)房以及辦公樓，在此范圍內(nèi)的接閃器都利用避雷帶或者避雷網(wǎng)的方式構(gòu)成防雷系統(tǒng)。可以采用12mm的鍍鋅圓鋼材質(zhì)，支撐卡子可以使用0.15m，兩者最好保持1m左右的距離。針對其它特殊區(qū)域可以使用避雷帶或者避雷網(wǎng)，在此期間則應(yīng)當(dāng)沿著容易受到雷擊的位置鋪設(shè)。而接閃網(wǎng)的網(wǎng)格要求應(yīng)小于10m*10m。對于觀測場地的接閃器，相關(guān)人員可以依靠風(fēng)塔安裝避雷針，其長度要求應(yīng)當(dāng)在11m左右。

4.2 外部防雷之引下線及接地裝置

新型自動氣象站中的每個設(shè)備皆須用引下線和地網(wǎng)相連。同時，要求引下線的數(shù)目在2至3根。其次，則是接地裝置。新型自動氣象站使用的防雷接地技術(shù)，主要為單點接地和共用地網(wǎng)接地等方法，其對接地電阻也有相關(guān)的要求，其接地電阻必須在4Ω以內(nèi)。此外，還需要保證接地引線長度與截面面積，要求其必須符合相關(guān)規(guī)范要求。

4.3 內(nèi)部防雷之等電位連接

首先，需采用25mm*4mm的鍍鋅扁鋼，將傳感器、自動氣象站、接地裝置和百葉箱等向連接，自動氣象站觀測場地的金屬欄桿要與接地裝置焊接。接著，需采用5*5m的網(wǎng)狀接地裝置對觀測場地的地面進(jìn)行電位壓處理。此外，每隔2個風(fēng)塔在其中間鋪設(shè)1*1m的接地裝置，同時與跨步電壓地網(wǎng)相聯(lián)系，從而搭建一個閉合環(huán)路的系統(tǒng)。另外，還需對共用接地網(wǎng)與衛(wèi)星、太陽能板等金屬物進(jìn)行等電位連接。

4.4 內(nèi)部防雷之屏蔽與浪涌保護(hù)器的安裝

首先，可以沿著供電室引出一條電纜，利用布設(shè)的鋼管進(jìn)行埋入，做好屏蔽處理工作。除此之外，還需要在防雷保護(hù)區(qū)域內(nèi)連接等電位且與防雷接地裝置相聯(lián)系。接著，則是對浪涌保護(hù)器的安裝。自動氣象站的通信機(jī)房和配電箱都需要進(jìn)行浪涌保護(hù)器的安裝，而與網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的調(diào)制解調(diào)器，可以在其前方安裝RJ11接口的保護(hù)器，在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備附近安裝RJ45接口的保護(hù)器。在此過程中，要求浪涌保護(hù)器的電壓要大于1.5Uc，響應(yīng)時間大于10s。數(shù)據(jù)采集器上面一般包括RS458的通信接口，應(yīng)當(dāng)安裝與之相適合規(guī)格的保護(hù)器。

5.新型農(nóng)業(yè)自動氣象站防雷設(shè)計策略

5.1 預(yù)防雷電波侵入

在雷電放電時會產(chǎn)生很強(qiáng)的電磁場，同時，在如此極端的天氣條件下電動勢會直接進(jìn)入氣象站，此時相關(guān)人員可以采取相關(guān)有效的措施保護(hù)氣象站遭雷擊，比如，相關(guān)人員可以安裝電涌保護(hù)器，讓電源線通過并聯(lián)的方式把雷電產(chǎn)生的電流引到地面，同時還需要避免雷電流對電源線造成損壞。其次，要想保證保護(hù)器可以在暴雨等極端天氣下正常穩(wěn)定的運(yùn)轉(zhuǎn)，可以采取三級保護(hù)。一級則是把保護(hù)器加裝在建筑物主配電開關(guān)的電源線上，在雷電期間及早切斷電源。二級即將保護(hù)器布置在機(jī)房開關(guān)的控制區(qū)域，起到直接保護(hù)作用。三級則是把保護(hù)器放置在設(shè)施的電源插座部分，通過中斷用電來對電源線路實施保護(hù)，一旦保護(hù)電源線中斷且沒有雷電前兩個保護(hù)級別，此時的自動氣象站終端就額可以預(yù)防雷電破壞氣象站。如果導(dǎo)體被雷電襲擊產(chǎn)生強(qiáng)電流波，那么被雷擊中的中心部位點會把強(qiáng)電流輸送至導(dǎo)體的兩端。而電流波利用線路侵入這一途徑進(jìn)入氣象站，對設(shè)備與儀器造成損壞，對觀測工作造成嚴(yán)重的影響。在此，可以采取強(qiáng)化氣象站機(jī)房保護(hù)相關(guān)措施，同時應(yīng)保證地板的抗靜電作用，防止由靜電導(dǎo)致雷擊事故。此外，還可以在靜電地板之下設(shè)置通電的閉合電位連接網(wǎng)或者連接帶，同時按照對角線加裝接地母線，要求其和接地網(wǎng)建立雙向連接，用來觀察雷電感應(yīng)，消除氣象站的觀測場地和機(jī)房的電位差。

5.2 預(yù)防直擊雷

新型自動氣象站的場室通常由兩部分組成，分別為工作室與室外觀測場。尤其是我國北方的夏季，雷雨天氣最為常見，是一種嚴(yán)重強(qiáng)對流的氣候。一旦出現(xiàn)雷雨天氣，天空中就會產(chǎn)生更多的烏云，而這些烏云皆是大氣層中的帶電云。在帶電云和地面低距離的事物發(fā)生碰撞時，比如，在地面上的高層建筑物，則會產(chǎn)生較強(qiáng)的放電現(xiàn)象，此時強(qiáng)電流亦有可能產(chǎn)生更加強(qiáng)大的熱效應(yīng)，更有甚者會在金屬物表面產(chǎn)生機(jī)械的力量。針對帶電云造成的巨大破壞性，比如氣象站這一建筑物，更需要強(qiáng)化防雷技術(shù)的保護(hù)。一般情況下，氣象站的雷電預(yù)防皆以室外風(fēng)桿為主，在此過程中，要想真正實現(xiàn)自動氣象站的防護(hù)功能，最直接的辦法則是架設(shè)接閃桿，通常有兩種方式對接閃桿進(jìn)行架設(shè)。首先，把獨立接閃桿架設(shè)在觀測場地外，同時，利用滾球方法對架設(shè)接閃桿的高度進(jìn)行精確的計算。在架設(shè)期間，最值得注意的一點則是保持風(fēng)傳感器系統(tǒng)與接閃桿之間的安全距離，兩者間的距離是最重要的，如果距離控制不好就會造成相互干擾的情況，不利于氣象站的防雷作用。接著，如果此方法不可行，便可以直接把接閃桿架設(shè)在風(fēng)傳感器的金屬架上面，且還需利用滾球方法來測量接閃桿的架設(shè)高度。在架設(shè)接閃桿的過程中，倘若受到場地這一基礎(chǔ)條件的制約，則需要充分考慮風(fēng)傳感器和接閃桿兩者的間距，相關(guān)人員應(yīng)及時地做出改進(jìn)。比如，還可以使用避雷針。

另外，因部分自動氣象站皆處于室外，受雷電影響較為頻繁，極有可能對氣象站的設(shè)備造成不同程度的損壞。對此，相關(guān)人員需要結(jié)合實際情況，想盡一切辦法，綜合采取多種防雷措施，實現(xiàn)最大限度的安全防雷目標(biāo)。其中等電位連接是首先要做的，即需要在共同的地面上方建立聯(lián)合操作關(guān)系，有效避免各個自動氣象站的設(shè)備遭雷襲擊。然后，還需要在設(shè)備安裝室里面架設(shè)金屬框架門窗與鋼條等，建立一個趨于完整的屏蔽系統(tǒng)。接著，相關(guān)人員可以采用內(nèi)置電纜，從而保證防雷設(shè)計的有效性。

5.3 接地網(wǎng)的制作

接地處理即分流雷電電磁干擾與直擊雷的最為行之有效的策略之一，也是均衡電位補(bǔ)償系統(tǒng)的基礎(chǔ)。其主要是為了雷電流經(jīng)過低阻抗接地系統(tǒng)，從而向大地瀉放，以此保護(hù)人員、設(shè)施的安全。此方式是防雷設(shè)計中的一項必要手段，同時，接地的作用直接影響著防雷系統(tǒng)的總體防護(hù)成效，接地處理是否良好最終影響其防護(hù)質(zhì)量。一般情況下，新型自動氣象站多采取水平接地與垂直接地的方法進(jìn)行接地處理，在氣象站的防雷設(shè)計過程中，接地地網(wǎng)的電阻范圍應(yīng)適當(dāng)放寬，但仍需注意的是使用多種環(huán)形的物體進(jìn)行接地處理，且采用多根支線進(jìn)行延伸接地處理。在此期間，延伸接地的長度應(yīng)當(dāng)大于接地網(wǎng)的長度，以拓展電流經(jīng)過范圍。除此之外，針對接地方面的處理還可以通過土壤交換的方式達(dá)到相同的目的，即在實踐中可以在接地物體周邊的土壤中，摻入適量的木炭與煤渣等，利用這些物質(zhì)可以有效降低土壤本身的電阻率，從而真正起到保護(hù)作用。

5.4 加強(qiáng)防雷裝置的管理和維護(hù)工作

針對新型自動氣象站的場地與室內(nèi)的防雷裝置，相關(guān)部門應(yīng)當(dāng)定期安排專人負(fù)責(zé)防雷裝置管理與維護(hù)相關(guān)的工作。比如，某單位可以派遣一位員工到各個農(nóng)業(yè)氣象站對防雷裝置進(jìn)行相應(yīng)的檢測，并且嚴(yán)格按照施工圖紙、裝置參數(shù)、使用年限等基本標(biāo)準(zhǔn)與要求，使用相關(guān)儀器進(jìn)行檢測，并對裝置進(jìn)行維護(hù)與保養(yǎng)。防雷裝置由于長時間暴露于室外，容易受各種極端天氣的影響，如果不及時做好保養(yǎng)、維護(hù)工作，則會影響防雷裝置的功能且縮短其使用壽命。同時，還需要對防雷裝置的安裝、配線以及設(shè)計等資料、圖紙進(jìn)行及時的保存與歸檔。此外，相關(guān)人員需要對每年雷雨季節(jié)氣象站的防雷裝置進(jìn)行檢測與評估，并且制作評估報告，利用大小會議對防雷裝置進(jìn)行分析，比如周會，將其納入月度報告會議中，以此引起人員的重視，并且每年制作的檢測報告必須完整的保存起來，倘若有需要改進(jìn)的地方，則必須及早制定改進(jìn)策略，付諸于實踐，以消除安全隱患。

6.結(jié)束語

綜上所述，在我國農(nóng)業(yè)氣象產(chǎn)業(yè)不斷發(fā)展的背景下，自動氣象站大力引入防雷技術(shù)。但是，因天氣不確定性因素的影響和人類無法控制等特點，防雷檢測技術(shù)與方法只提高了防雷保護(hù)參數(shù)，并不能確保氣象站遭受雷擊的威脅。要想提升防雷成效，就必須強(qiáng)化防雷設(shè)備、裝置等的維護(hù)管理工作，并且還需要依托新時期科學(xué)技術(shù)的力量，使氣象站的防雷檢測技術(shù)充分發(fā)揮其自身的作用，提升新型氣象站運(yùn)行質(zhì)量。