談自動氣象站雷電綜合防護(hù)體系

嚴(yán)玉彬　姬社英　常保強(qiáng)　扈英磊

摘要隨著氣象科技的發(fā)展,自動氣象站逐漸普及,但自動站在實(shí)際運(yùn)行過程中經(jīng)常遭受雷電侵襲。分析了雷電入侵的途徑,并從感應(yīng)雷擊、直接雷擊和接地裝置3個方面探討了自動氣象站雷電綜合防護(hù)體系的建設(shè),以期實(shí)現(xiàn)對自動站的防雷保護(hù)。

關(guān)鍵詞自動氣象站;感應(yīng)雷擊;直接雷擊;接地裝置;防護(hù)措施

中圖分類號P415.1+2;TU895文獻(xiàn)標(biāo)識碼A文章編號 1007-5739(2009)15-0303-01

隨著氣象科技的不斷發(fā)展,氣象數(shù)據(jù)的要求精度和密度逐漸加大,氣象自動站逐漸得到了普及。近幾年,全國已經(jīng)建成了大批自動氣象站,河南省建立了逾65個自動氣象站,平頂山市也已建立了4個自動氣象站,但自動站在實(shí)際運(yùn)行過程中經(jīng)常遭受雷電的侵襲,雷擊自動站事件不斷發(fā)生,這無疑對自動站綜合防雷提出了更高的要求,因此對自動氣象站的雷電綜合防護(hù)體系進(jìn)行研究探討是十分必要的。

自動氣象站是一種能自動地觀測和存儲氣象觀測數(shù)據(jù)的設(shè)備,主要由傳感器、采集器、通訊接口、系統(tǒng)電源等組成。隨著氣象要素值的變化,各傳感器的感應(yīng)元件輸出的電量產(chǎn)生變化,這種變化量被CPU實(shí)時控制的數(shù)據(jù)采集器所采集,經(jīng)過線性化和定量化處理,實(shí)現(xiàn)工程量到要素量的轉(zhuǎn)換,再對數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選,得出各個氣象要素值。由于數(shù)據(jù)的傳輸是微電流信號,因此通過采集器采集計(jì)算機(jī)的信號的過程對電磁環(huán)境十分敏感,可以說,惡劣的電磁環(huán)境會嚴(yán)重影響信號的傳輸乃至使信號失真。特別容易造成感應(yīng)過電壓和雷電波侵入波。作為測風(fēng)用的風(fēng)傳感器一般距離地面的高度在10～12m,是所有傳感器中最容易收集雷電信號的部件,容易造成直擊雷直接雷擊。筆者著重從感應(yīng)雷擊、直接雷擊和接地裝置3個方面探討自動站防雷綜合體系的建設(shè)。

1感應(yīng)雷擊

感應(yīng)雷擊包括感應(yīng)過電壓和雷電波侵入波。感應(yīng)過電壓是指雷擊在設(shè)備設(shè)施或線路的附近發(fā)生,或閃電不直接對地放電,只在云層與云層之間發(fā)生放電現(xiàn)象。閃電釋放電荷,并在電源和數(shù)據(jù)傳輸線路及金屬管道金屬支架上感應(yīng)生成過電壓。雷電波侵入波是指雷電不直接放電在建筑和設(shè)備本身,而是對布放在建筑物外部的線纜放電。線纜上的雷電波或過電壓幾乎以光速沿著電纜線路擴(kuò)散,侵入并危及室內(nèi)電子設(shè)備和自動化控制等各個系統(tǒng)。

針對感應(yīng)雷擊,主要是做好電源、電纜、信號線路的敷設(shè)與防雷。一是風(fēng)向、風(fēng)速數(shù)據(jù)傳輸線應(yīng)采用帶屏蔽層的線纜經(jīng)金屬風(fēng)桿內(nèi)敷設(shè),傳輸線的外屏蔽層首尾兩端與風(fēng)桿應(yīng)電氣連接;當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸線無法敷設(shè)在金屬風(fēng)桿內(nèi)或采用金屬塔作為支撐物時,應(yīng)將數(shù)據(jù)傳輸線穿金屬管垂直敷設(shè),傳輸線的外屏蔽層和金屬管均應(yīng)在首尾兩端與風(fēng)桿或金屬塔作電氣連接,金屬管首尾應(yīng)電氣貫通與防雷接地連接。各類信號線與室內(nèi)采集器接口前用防雷保護(hù)器和信號線SPD進(jìn)行防護(hù)。二是對進(jìn)入室內(nèi)的寬帶光纖,光纜介質(zhì)沖擊強(qiáng)度約為40KV,比同軸電纜和對稱電纜(5KA)大得多。但光纜的金屬保護(hù)層或內(nèi)部加固金屬芯會減弱防雷效果,因此也有必要采取防雷措施,并在光纜進(jìn)入光端機(jī)之前將金屬芯和保護(hù)層分開,進(jìn)行等電位連接。寬帶網(wǎng)路由器I/O兩端安裝RJ45接口SPD。在計(jì)算機(jī)前端的網(wǎng)絡(luò)信號線上安裝接口型式為RJ45的信號SPD。自動氣象站接入計(jì)算機(jī)的接口(COM)前安裝9針串口的SPD;自動站的地溫集線盒,其金屬屏蔽層應(yīng)就近接入觀測場接地網(wǎng)的預(yù)留接地點(diǎn)。三是平頂山自動氣象站供電采用三相四線制供電系統(tǒng),工作室低壓電源線路220V,空調(diào)供電線路為380V,從室外引線上安裝的SPD應(yīng)選用符合Ⅰ級分類實(shí)驗(yàn)的產(chǎn)品,安裝第1級電涌保護(hù)器,選擇的標(biāo)準(zhǔn)是雷電流幅值量為40KA,波型為10/350us的避雷器。配電柜前端低壓電源線路應(yīng)安裝第2級電涌防護(hù)器。其要求是最大持續(xù)運(yùn)行電壓應(yīng)不小于其工作電壓1.15倍,雷電流幅值量為20KA,波型為8/20us的避雷器。UPS前端及精密儀器前端電源安裝第3級電涌防護(hù)器,其要求是最大持續(xù)運(yùn)行電壓應(yīng)不小于其工作電壓1.15倍,雷電流幅值量為10KA,波型為8/20us的避雷器,避雷器的接地線要盡量短,一般應(yīng)小于1m。在每臺計(jì)算機(jī)電源與UPS之間安裝插座式避雷器。供電線路與信號線路電磁兼容(EMC),是防雷綜合防護(hù)體系必須解決的問題。采取的主要辦法是解決2種線路之間的安全間距問題,通過對2種線路進(jìn)行屏蔽、接地、均壓、等電位連接等綜合處理,達(dá)到減少電磁干擾的目的。為防止干擾,供電線路、信號線路、地線等應(yīng)分開敷設(shè)于不同的線槽中,它們的間距應(yīng)符合GB/T 50311-2000規(guī)范中的要求,并將這些線纜穿于金屬管內(nèi),以實(shí)現(xiàn)可靠的屏蔽。在值班室內(nèi)設(shè)銅板匯流排,進(jìn)行等電位連接。電源避雷器接地線、信號避雷器接地線、設(shè)備外殼、其他管道或金屬件直接接在匯流排上,匯流排用500mm×50mm×5mm的銅排與地網(wǎng)可靠連接,接地電阻小于4Ω。避雷器的接地線要盡量短,一般應(yīng)小于1m。

2直接雷擊

針對自動氣象站外部防雷問題,主要依據(jù)《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50057-94、國際規(guī)范IEC1024以及相應(yīng)的防雷規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行處理。自動氣象站儀器設(shè)備的避雷接閃器,根據(jù)實(shí)際情況可以選擇在房頂上安裝避雷針、避雷帶或避雷網(wǎng)、避雷線,也可利用風(fēng)向桿作為接閃器,但要通過滾球法計(jì)算出它的保護(hù)范圍。觀測場內(nèi)的雨量筒、百葉箱、日照計(jì)支架、風(fēng)向桿、蒸發(fā)皿等用10mm 2BVR的銅線就近與防雷地網(wǎng)連接,儀器與扁銅用銅螺栓連接,連接處用黃油覆蓋并用防水膠布纏繞。觀測場四角及四邊中間位置共8處用10mm 2BVR的銅線與接地網(wǎng)連接。

3接地裝置

接地是避雷技術(shù)最重要的環(huán)節(jié),不管是直擊雷、感應(yīng)雷、或其他形式的雷,最終都是把雷電流送入大地。因此,沒有合理而良好的接地裝置是不能可靠地避雷的。對于自動站的接地電阻應(yīng)小于等于4Ω,并且采取等電位接地的方法將避雷接地。平頂山地區(qū)的自動站一般采用熱鍍鋅角鋼,規(guī)格為50mm×50mm×5mm,長度為2.5m,兩垂直接地體間的距離為5m;采用熱鍍鋅扁鋼,規(guī)格為40mm×4mm,在1.2m深度與垂直接地體焊接。水平接地體在觀測場小路上,為了保證觀測員人身安全,水平接地體距地面為1.2m,焊接點(diǎn)涂2道瀝青防腐。接地裝置應(yīng)符合《自動氣象站場室防雷技術(shù)規(guī)范》QX30-2004要求,以上防雷裝置經(jīng)過多年考驗(yàn),未出現(xiàn)雷擊事件。

4結(jié)語

自動氣象站的綜合防雷不僅要考慮防直擊雷裝置,更要考慮到對感應(yīng)雷、雷電波入侵的防護(hù)。它牽涉面廣、技術(shù)性強(qiáng)、要求防雷技術(shù)人員必須熟練掌握各種防雷規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn),應(yīng)用各種先進(jìn)的防雷技術(shù),根據(jù)各地實(shí)際情況,綜合考慮各方面的因素,才能對雷電災(zāi)害做到有效的防護(hù),保證自動站系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

5參考文獻(xiàn)

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