自動氣象站防雷技術(shù)對農(nóng)業(yè)的影響分析

邱杼煒，梁 鍇，張 琪

廣東省清遠市氣象局，廣東清遠 511518

現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展推動了我國各個行業(yè)快速進步，尤其是在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域體現(xiàn)出十分重要的價值。自動氣象站的建立不僅幫助人們更清晰、精準地掌握氣象信息，還為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供了便利。自動氣象站的結(jié)構(gòu)特殊，在運行狀態(tài)下十分容易受到雷擊損害。為加大對自動氣象站運行狀態(tài)的保護力度，相關(guān)部門開始探索如何防止自動氣象站受到雷擊，保障自動氣象站運行的安全性與穩(wěn)定性，使其能在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中貢獻力量。基于此，分析了自動氣象站的工作原理與系統(tǒng)組成，結(jié)合自動氣象站遭雷擊事故的原因，探討了其防雷技術(shù)，并詳細闡述了自動氣象站防雷技術(shù)對農(nóng)業(yè)的影響，以期為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與發(fā)展提供參考。

1 自動氣象站概述

1.1 自動氣象站工作原理

自動氣象站的工作原理主要是運用微處理器進行采集處理和實時控制，一般氣象因素與情況會不斷發(fā)生變化，因此，不同的相應傳感器在輸出電量也會有所區(qū)別。而針對這些變化因素的采集，主要是由數(shù)據(jù)采集器負責的，同時還需進行定標與線性化處理。為了具體實現(xiàn)工程量與要素的轉(zhuǎn)化，需要控制和掌握相關(guān)數(shù)據(jù)與質(zhì)量。全過程處理結(jié)束后，能夠得到氣象臺需求的數(shù)據(jù)，自動氣象站在進行一系列工作后，會將實時數(shù)據(jù)傳輸至主控微機，并顯示出來。

1.2 自動氣象站系統(tǒng)組成

自動氣象站主要是由傳感器、采集器與傳輸模塊、氣象站支架、太陽能電板與蓄電池、后臺電腦端、軟件云平臺等6個部分組成的，其具備監(jiān)測風向、風速、溫度、濕度、氣壓、雨量、土壤溫濕度、輻射等常規(guī)氣象要素的功能。其中，傳感器的主要作用是監(jiān)測氣象要素信息，氣象站支架的主要作用是放置設備，太陽能電板和蓄電池的主要作用是提供電力支持，后臺電腦端主要作用是數(shù)據(jù)的展示和存儲。采集器和傳輸模塊的主要作用是氣象要素的搜集與傳送。

2 自動氣象站遭受雷擊事故的原因

2.1 數(shù)據(jù)采集器應雷擊頻率高

雷電對自動氣象站帶來的損害是十分嚴重的，一般自動氣象站由室內(nèi)與室外兩個部分組成，室內(nèi)為顯示部分和資料處理部分。大多數(shù)直擊雷會快速擊中室外的數(shù)據(jù)采集器與傳感器，尤其容易受到損害的部分是風桿，數(shù)據(jù)采集器也是容易受到雷擊的部分[1]。數(shù)據(jù)采集器一般適用于氣象觀測數(shù)據(jù)接收、處理與傳輸，自動氣象站數(shù)據(jù)采集器遭受雷電災害的概率最大，主要原因是數(shù)據(jù)采集器中含有大量電路板、導線等電子元件，在遭到雷擊時，會產(chǎn)生大量電荷，其內(nèi)部導線的連接也為雷電入侵創(chuàng)造了有利條件。數(shù)據(jù)采集器是一種電子電路，其耐壓能力較弱，對電池信號極為敏感，這也導致雷電向下時容易引起電子元件爆裂，從而導致自動氣象站受到損害。

2.2 電纜或電源線引電

自動氣象站工作過程中需依靠大量電纜與電線，當遭到雷擊時，其雷電波會經(jīng)過信號線進入其他電纜，在自動氣象站附近發(fā)生雷擊放電事故時，其周圍也會產(chǎn)生電磁場，從而導致信號線或電源線上產(chǎn)生電動勢，這些電能順著導體傳輸至設備，導致設備受到嚴重損傷。直擊雷對自動氣象站的影響更為嚴重，一般直擊雷產(chǎn)生的電流與雷電電池脈沖巨大，其會在數(shù)據(jù)傳感器、電路等位置通過各種方式產(chǎn)生電壓。此時，電信線路電壓過高，一旦自動氣象站部分位置出現(xiàn)接觸不良等情況，就會造成損壞甚至燒斷。自動氣象站周圍發(fā)生雷電災害也會使感應雷順著通信電纜等渠道進入氣象觀測設備，導致傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等設備無法正常運轉(zhuǎn)。

2.3 防雷地網(wǎng)不符合標準

自動氣象站中的防雷地網(wǎng)不符合標準也會造成雷電事故，導致自動氣象站設備受損。接地電阻會使雷電流無法順利泄入地底，當雷電事故發(fā)生時，自動氣象站附近會堆積大量電荷，地級周圍也會堆積電荷，且這些位置的電位都始終保持上浮動狀態(tài)，這就造成電壓升高，升高后的電壓會隨著設備的接地線安置在設備上對設備發(fā)動攻擊，造成設備損壞。另外，自動氣象站建立位置較高也容易受到雷擊，高聳的位置上容易聚集電荷，相對獨立的風向風速傳感器也容易成為引雷系統(tǒng)，導致采集器與傳感器受到損害，因此，建立的位置較高也容易使氣象站遭到雷擊。

3 雷擊途徑分析

3.1 直擊雷

雷電對自動氣象站造成的損害是不可估量的，而影響自動氣象站的正常運轉(zhuǎn)也會對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成一定損害。雷擊所產(chǎn)生的途徑主要分為3種：直擊雷、感應雷擊、地電位反擊。直擊雷指的是帶電云層與大地某點發(fā)生迅猛放電的現(xiàn)象，這種雷擊損害造成的危害是十分嚴重的，直擊雷電壓能夠達到幾萬伏甚至幾百萬伏，且電流瞬間能夠達到十幾萬安，對建筑物造成的破壞力極大。一般自動氣象站所設置的風向風速傳感器位于距離地面10～12 m的高處，這也使其容易遭受直擊雷的損害[2]。

3.2 感應雷擊

感應雷擊主要包括感應過電壓和雷電波，這種雷擊對自動氣象站造成的損壞也是十分嚴峻的。感應過電壓指的是在雷電發(fā)生時，自動氣象站設施或線路附近導體發(fā)出的靜電感應過電壓，這種電壓能夠沿著導體傳到主設備中，對設備造成威脅。被雷電擊中的物體周圍會產(chǎn)生的強大電壓和電流，且雷電會沿著雷電擊中的中心點沿導體進行大范圍傳播，使自動氣象站即便沒有受到直雷擊中也可能遭受損害。電源線或信號傳輸線感應雷電侵入氣象站的主要途徑包括電源系統(tǒng)、天線或通信傳輸網(wǎng)絡、傳感器通道等。

3.3 地電位反擊

地電位反擊是造成設備損害的主要影響因素，大多自動氣象站防雷電技術(shù)是通過安裝合理適宜的接地展開的，安全的接地也是高效防雷措施的組成部分，若接地技術(shù)不符合防雷要求，則會使接地電阻出現(xiàn)過大的情況，導致雷電流無法及時導入大地。當雷擊發(fā)生時，電荷在地級周圍堆集出現(xiàn)高電壓現(xiàn)象，而高壓沿著設備的接地線傳輸至設備中造成設備反擊，從而使設備受到損害。

4 自動氣象站防雷技術(shù)分析

為了確保自動氣象站能夠正常的運轉(zhuǎn)，需要對自動氣象站系統(tǒng)的構(gòu)成和安裝進行嚴格要求，并重視對自動氣象站防雷技術(shù)的應用，而且在對自動氣象站防雷技術(shù)提出設計時，也要結(jié)合雷電的特點和危害來進行設計，從而實現(xiàn)對自動氣象站雷電防護技術(shù)的升級，在一定程度上減少雷電造成的影響。

4.1 直雷擊防護

直雷擊對自動氣象站的危害一般表現(xiàn)在室外，尤其在風桿位置表現(xiàn)得更為明顯，因此，為了防止自動氣象站被雷擊損壞，氣象站應積極應用防雷技術(shù)，降低氣象站雷擊事故概率，一般安裝避雷針是最直接、最有效的方式[3]。安裝避雷針有2種方式，先將獨立的避雷針安裝在觀測場外部，利用滾球法計算避雷針的安裝高度。值得注意的是，在安裝避雷針過程中，應充分考慮風傳感器系統(tǒng)，將其與避雷針系統(tǒng)分開設置，注意二者之間應預留安全距離。若條件有限，應將避雷針安裝在風傳感器的金屬支架上，使用滾球法測量金屬支架的安裝位置。在安裝避雷針時，應充分考慮風傳感器與其之間的距離，若受到場地影響，則應對其進行適當調(diào)整。

4.2 雷電波防護

當雷電侵襲自動氣象站時，會伴隨雷電電磁感應和雷電波的入侵，其對自動氣象站造成的損害也是不可忽視的。雷電波進入自動氣象站會對其內(nèi)部設備產(chǎn)生影響，對此，應積極采取有效措施對其展開防護。大部分雷電波與雷電電磁感應是通過電源線或信號線傳播的，針對其展開防護應從電源線或信號線入手，可以在電源線或信號線上安裝保護器，如電涌保護器就是一種較為常見的手段。電涌保護器是一種有效預防雷電波侵害的系統(tǒng)，電涌保護器主要是針對電源位置進行雷電防護的，其具備方便安裝、設備安全可靠、后期維護成本低、品質(zhì)出眾、高效防雷、一站式安全防護等優(yōu)勢。

4.3 接地系統(tǒng)

接地系統(tǒng)是自動氣象站防雷工程中十分重要的一項技術(shù)之一，安全的接地能使自動氣象站免受雷電災害，且其也是防雷系統(tǒng)的重要組成部分之一。無論是直接雷電防護技術(shù)還是雷電波防護技術(shù)，都需要依靠接地系統(tǒng)展開。接地系統(tǒng)能將雷擊產(chǎn)生的電流導入大地，因此，在自動氣象站建設安全合理的接地系統(tǒng)能大幅度提高防雷技術(shù)的質(zhì)量與效率，良好的接地裝置能保護氣象站觀測場的防雷設施，由于氣象站微電子設備防雷性能較為薄弱，因此，在布置接地系統(tǒng)時，需要控制接地電阻的大小，還應充分考慮其綜合能力，使接地電阻能充分滿足防雷技術(shù)要求。

4.4 其他雷電防護

針對自動氣象站的防雷技術(shù)多種多樣，除上述幾種以外，還包括電位連接、安裝鋼筋與金屬框門窗、綜合布線等，大部分自動氣象站的建立位置空曠，這也是導致自動氣象站容易遭受雷電災害的重要原因之一。由此可見，對自動氣象站進行雷電防護需要進行綜合考慮，結(jié)合多種防護手段進行雷電防控。首先，電位連接是指建立聯(lián)合共地運行方式，防護站內(nèi)設備，保護其不受雷電攻擊[4]。其次，在室內(nèi)安裝結(jié)構(gòu)鋼筋與金屬門窗也能有效屏蔽雷電，保證室內(nèi)設備不受損害。與傳統(tǒng)的布線相比，綜合布線具備兼容性、開放性、靈活性、可靠性、先進性和經(jīng)濟性的特點，能夠防止終端設備或器件被損壞，保障系統(tǒng)的正常運行。

5 自動氣象站防雷的技術(shù)處理措施

在地面氣象觀測系統(tǒng)建設過程中，自動氣象站起到了至關(guān)重要的作用，其是天氣預測過程中不可缺失的一部分，而自動氣象站在工作時經(jīng)常會受到雷電襲擊，在一定程度上對氣象站觀測質(zhì)量產(chǎn)生重要影響，嚴重影響氣象站觀測的精準性，對社會經(jīng)濟發(fā)展和人們生命安全造成嚴重威脅。

基于此，相關(guān)單位應采取正確的處理措施，保障農(nóng)業(yè)的健康、可持續(xù)發(fā)展。第一，可以單獨安裝避雷針。這一方法能夠有效避免傳輸線受到外界危害，在條件允許的范圍內(nèi)，可以將避雷針和風感傳感器設置分開，確保系統(tǒng)之間保持安全距離。第二，等電位連接。將避雷針和金屬管進行等電位連接，能夠使避雷針使用特殊的裝置和金屬管電氣連接，從而實現(xiàn)設備間的等電位連接。第三，將接地組織安裝在觀測地區(qū)的外側(cè)。從而確保數(shù)據(jù)線和接地線二者之間的安全距離，一旦出現(xiàn)距離不夠長的情況，可以借助相應辦法增加角度。

6 自動氣象站防雷技術(shù)對農(nóng)業(yè)的影響

6.1 自動氣象站建立對農(nóng)業(yè)的價值

自動氣象站的建設給農(nóng)業(yè)帶來了一定程度的便利，隨著科技水平的不斷提升，自動氣象站在農(nóng)業(yè)行業(yè)開始得到廣泛普及，自動氣象站能預測階段性天氣情況，向農(nóng)業(yè)種植人員反映階段性氣候條件，為農(nóng)作物不受氣候影響提供保障。

氣候條件對農(nóng)業(yè)的影響是巨大的，由此可見，維護自動氣象站安全運行是保證農(nóng)業(yè)穩(wěn)定、健康發(fā)展的重要條件。在可能發(fā)生災害天氣時，自動氣象站會及時向農(nóng)業(yè)種植人員發(fā)出警報，使種植人員能夠在災害來臨前對農(nóng)作物展開有效防護，將天氣災害對農(nóng)作物的損害降至最低。自動氣象站對保障農(nóng)業(yè)經(jīng)濟的意義深遠，對促進農(nóng)業(yè)發(fā)展也有重大價值，因此，探索有效的自動氣象站防雷技術(shù)是十分必要的，也是維護農(nóng)業(yè)健康、穩(wěn)定、持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)。

6.2 自動氣象站與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)

大部分自動氣象站是通過微處理器對氣象信息與數(shù)據(jù)展開收集和分析工作的，與此同時，自動氣象站能在24 h中對氣象信息進行實時監(jiān)測。通常，自動氣象站由室內(nèi)和室外兩個部分構(gòu)成，其負責的內(nèi)容各不相同，室內(nèi)主要工作內(nèi)容是處理和顯示資料，而室外則是感應系統(tǒng)，使兩者密切配合、互相連接進行信息傳輸，構(gòu)成了完整的自動氣象站信息。在氣象要素不斷變化的同時，傳感器的輸出電流也在不斷發(fā)生變化，數(shù)據(jù)采集器會通過要素處理與采集對其進行轉(zhuǎn)換，設備在收集數(shù)據(jù)時，工程量要素也要進行適當調(diào)整。數(shù)據(jù)處理的過程中，自動氣象站會對信息質(zhì)量進行控制，將得到的氣象信息與數(shù)據(jù)進行實時傳輸與顯示在主控計算機上。大部分自動氣象站系統(tǒng)擁有兩個部分，分別是自動站和數(shù)據(jù)接收中心，而自動站的信息收集設備由供電、通信和傳感器單元共同組成。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)工作一般是在自然環(huán)境下展開的，這就導致農(nóng)業(yè)生產(chǎn)容易受到氣溫的影響。

為了保證農(nóng)業(yè)生產(chǎn)工作能夠順利開展，借助自動氣象站加強對氣象數(shù)據(jù)的收集成為主要渠道，其能夠監(jiān)控氣象信息，從而使農(nóng)戶能夠以此為依據(jù)，進行農(nóng)作物種植規(guī)劃，提升農(nóng)作物種植管理水平，提高農(nóng)作物種植質(zhì)量與產(chǎn)量。

此外，需要充分利用自動氣象站觀測的各類氣象信息，使農(nóng)業(yè)自然災害得到一定控制，通過氣象信息分析和預測農(nóng)業(yè)自然災害的分布規(guī)律，從而對種植區(qū)域與位置進行科學合理劃分，保證農(nóng)作物種植質(zhì)量與效率[5]。

7 結(jié)束語

自動氣象站防雷技術(shù)的建設對農(nóng)業(yè)的影響重大，其能夠提升農(nóng)業(yè)氣象預測準確度，保證自動氣象站安全、穩(wěn)定地運行。就農(nóng)業(yè)生產(chǎn)而言，自動氣象站能夠?qū)崿F(xiàn)氣象信息監(jiān)控，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供安全保障。隨著科技的進步，自動氣象站的建設與穩(wěn)定情況受到社會各界的廣泛關(guān)注，自動氣象站防雷技術(shù)，能確保自動氣象站在雷雨天氣正常運行，通過各種防護手段保障農(nóng)業(yè)作物的安全與健康。防雷技術(shù)主要由接地、布線、接閃等技術(shù)構(gòu)成，其能夠?qū)崿F(xiàn)直雷擊防護、雷電波防護、多種雷電防護。由此可見，防雷技術(shù)的建設對自動氣象站的運行安全性有重要價值，同時能推動農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的持續(xù)發(fā)展，對我國農(nóng)業(yè)經(jīng)濟建設有利無害。