淺析自動氣象站雷電保護(hù)

鐘震美

（肇慶市氣象局，廣東 肇慶 526000）

自動氣象站雷擊防護(hù)是一個比較復(fù)雜的工程，幾乎涵蓋了目前雷擊防護(hù)的方方面面，包括直擊雷、感應(yīng)雷及雷擊電磁脈沖保護(hù)，根據(jù)《自動氣象站接地與防雷工程建設(shè)方案》，結(jié)合自動氣象站實(shí)際情況，大致可分為以下幾類：

1 建筑物、風(fēng)向桿等設(shè)施直擊雷的雷電保護(hù)

直擊雷是指雷電直接擊在建筑物等上，產(chǎn)生電效應(yīng)、熱效應(yīng)和機(jī)械力者。為使雷電浪涌電流泄入大地，使被保護(hù)物免遭直擊雷或感應(yīng)雷等浪涌過電壓、過電流的危害，所有建筑物、電氣設(shè)備、線路、網(wǎng)絡(luò)等帶電金屬部分，金屬護(hù)套，避雷器，以及一切水、氣管道等均應(yīng)與防雷接地裝置作金屬性連接。

防雷接地裝置包括避雷針、帶、線、網(wǎng)，接地引下線、接地引入線、接地匯集線、接地體等。根據(jù)自動氣象站情況，風(fēng)向桿、地溫、雨量計(jì)、觀測場圍欄等防直擊雷設(shè)施應(yīng)一并接入地網(wǎng)。為防止反擊，以往的防雷規(guī)范對防雷接地與其他接地之間提出一整套限制措施，即規(guī)定兩類接地體和接地線之間的最短距離。在有些情況下，間距無法拉開到規(guī)定值時，則要采用嚴(yán)密的絕緣措施。

防雷接地，應(yīng)按現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》及《自動觀測站》執(zhí)行。由于接地的良好狀態(tài)對防雷有非常重要的影響，所以在制作接地體時，一般采用40 mm×40 mm的角鐵，每根長2.5 m，間距約5 m垂直打入地下，頂端距地面約0.5～1.0 m，頂端再用40 mm×40 mm左右的扁鐵全部焊起來，構(gòu)成一個統(tǒng)一的接地系統(tǒng)。

另一方面就是信息系統(tǒng)的防雷保護(hù)與常規(guī)的防雷保護(hù)有一定區(qū)別。如建筑物與非信息設(shè)備防雷根據(jù) IEC－1024《建筑物的雷電防護(hù)》和GB50057－94來進(jìn)行的，而電子信息系統(tǒng)的防護(hù)是根據(jù)電磁脈沖防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的防護(hù)，其國家標(biāo)準(zhǔn)為GB50174－93及QX3－2000《氣象信息系統(tǒng)雷擊電磁脈沖防護(hù)規(guī)范》。

2 電源系統(tǒng)的雷電防護(hù)

雷電的破壞力極大，以雷擊中心1.5～2 km范圍內(nèi)都可能產(chǎn)生危險過電壓，損害線路上的設(shè)備，防雷僅有外部防雷（避雷針或避雷帶）是不夠的，雷電波會侵入電氣通道（如電源線、信號線和金屬管道等）。由雷電產(chǎn)生的高電壓和浪涌電壓對通訊設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)、信息系統(tǒng)有極大的危害，輕則毀壞線路，重則損壞設(shè)備，系統(tǒng)癱瘓，造成難以估算的損失，特別是近年來隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的廣泛應(yīng)用，造成數(shù)據(jù)設(shè)備、精密儀器的大量損害逐年上升，所以必須進(jìn)行內(nèi)部防雷，在進(jìn)出建筑物的各保護(hù)區(qū)上的電纜、金屬管道、信息數(shù)據(jù)線以及電子設(shè)備前端安裝防雷器，并實(shí)行等電位連接。

一個欲保護(hù)的區(qū)域，從EMC（電磁兼容）的觀點(diǎn)來看，由外到內(nèi)可分為幾組保護(hù)區(qū)，最外層是0級，是直接雷擊區(qū)域，危險性最高，越往里則危險程度越低，過電壓主要是沿線竄入的，保護(hù)區(qū)的界面通過外部防雷系統(tǒng)，鋼筋混凝土及金屬管道等構(gòu)成的屏蔽層面形成，從0級保護(hù)區(qū)到最內(nèi)層保護(hù)區(qū)，必須實(shí)行分級保護(hù)，對于電源系統(tǒng)，分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級，從而將過電壓降到設(shè)備能承受的水平。對于信息系統(tǒng)，則分為粗保護(hù)和精細(xì)保護(hù)，粗保護(hù)量級根據(jù)所屬保護(hù)區(qū)的級別，而精細(xì)保護(hù)則是根據(jù)電子設(shè)備的敏感度來進(jìn)行選擇，從理論上講，雷電流約有50%是直接流入大地，還有50%將平均流入各電氣通道（如電源線、信號線和金屬管道等），因此，必須進(jìn)行電源系統(tǒng)的分級防雷。

2.1 電源的第一級防雷

危險的過電壓可產(chǎn)生于建筑外，當(dāng)雷電擊中電力傳輸線或電力公司切換負(fù)載時，危險過電壓就可產(chǎn)生并沿電力線傳輸。如果在你的建筑進(jìn)口沒有保護(hù)，這些危險瞬態(tài)過電壓將進(jìn)入樓內(nèi)損壞敏感設(shè)備，在雷擊損壞事故中，有 70%～80%的雷擊損壞事故是外部危險過電壓造成的。所以要進(jìn)行第一級防護(hù)，安裝電源防雷保護(hù)器，位置應(yīng)在電力線進(jìn)入建筑物入口處的主配電盤，將瞬態(tài)過電壓限制在安全范圍內(nèi)，保證設(shè)備不受損壞。

2.2 電源的第二級防雷

危險的過電壓，也可產(chǎn)生于建筑內(nèi)部，當(dāng)空調(diào)、電梯或其它大型設(shè)備開關(guān)和運(yùn)行時，可引起瞬態(tài)過電壓，破壞敏感的電氣設(shè)備并縮短其使用壽命，故要設(shè)第二級防護(hù)，位置設(shè)在建筑內(nèi)的配電盤處，安裝電源防雷保護(hù)器保護(hù)使用該配電盤供電的所有設(shè)備。

2.3 電源的第三級防雷、第四級防雷

分別為對電子設(shè)備的精細(xì)保護(hù)，一般均考慮所保護(hù)的電子設(shè)備的耐壓水平而確定。自動觀測站所使用的計(jì)算機(jī)及所有用電設(shè)備最好使用具有防雷作用的插座。

3 計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)的雷電防護(hù)

早期的電子設(shè)備是用諸如繼電器、線圈和真空管等元件組成的，這些傳統(tǒng)元件對于突變的電磁及瞬變電源有一定的免疫力和耐受力，但是計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展至今，多層、超規(guī)模的集成芯片，電路更密集，集成度更高，元器件間隙更小，導(dǎo)線更細(xì)。幾年前，1 cm2的計(jì)算機(jī)芯片有2 000個晶體管，而現(xiàn)在的奔騰機(jī)則超過140 000個，從而增加了計(jì)算機(jī)受瞬間過電壓損壞的概率。由于計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)決定了它是在特定的電壓范圍內(nèi)進(jìn)行工作的，當(dāng)電壓超出計(jì)算機(jī)所能承受的電壓范圍時，計(jì)算機(jī)將出現(xiàn)數(shù)據(jù)亂碼、芯片被損壞、部件提前老化現(xiàn)象。這些癥狀包括：意外的數(shù)據(jù)錯誤，接收、傳輸數(shù)據(jù)的失敗，丟失文檔，工作失常，經(jīng)常需要維修，原因不明的故障和硬件問題等。而雷電產(chǎn)生的感應(yīng)瞬態(tài)過電壓強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了計(jì)算機(jī)和其它電氣設(shè)備所能承受的水平，絕大多數(shù)情況下，造成計(jì)算機(jī)的立即毀壞，數(shù)據(jù)永遠(yuǎn)的丟失。

3.1 計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)防雷主要由外部防雷系統(tǒng)和內(nèi)部防雷系統(tǒng)兩部分組成

外部防雷包括空氣截雷系統(tǒng)，即避雷針或避雷帶，引下線或接地系統(tǒng)；內(nèi)部防雷系統(tǒng)主要是對建筑物內(nèi)易受過電壓破壞的設(shè)備，如計(jì)算機(jī)及其通信接口、電話機(jī)、路由器、交換機(jī)、UPS、數(shù)據(jù)傳輸線等電子設(shè)備加裝過電壓保護(hù)裝置，采取有效防護(hù)技術(shù)措施，在設(shè)備受到電壓侵害時，保護(hù)裝置能快速動作，將能量泄放，從而保護(hù)設(shè)備不受損壞。

3.2 雷電對計(jì)算機(jī)通信系統(tǒng)的損害途徑是多方面的

雷電對計(jì)算機(jī)通信系統(tǒng)的損害途徑有通過通信線路感應(yīng)而傳入系統(tǒng)損壞設(shè)備的；有從雷擊建筑物或鄰近地區(qū)雷電放電，從而導(dǎo)致建筑物內(nèi)部計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)環(huán)路中由于空間電磁感應(yīng)產(chǎn)生瞬態(tài)過電壓造成的損壞；有通過供電線路的感應(yīng)而引入系統(tǒng)電源導(dǎo)致設(shè)備的損壞，另外從電磁瞬態(tài)脈沖感應(yīng)耦合的通道理論角度看，由于電子信息系統(tǒng)是由信號采集、加工處理、傳輸、存儲、檢索等眾多環(huán)節(jié)組成，由于系統(tǒng)環(huán)節(jié)多，接口多，線路長等原因，給雷電的耦合提供了條件。

3.3 計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)遭雷擊后的易損部位

計(jì)算機(jī)同軸網(wǎng)絡(luò)適配卡、特定功能的接口適配卡（例如：帶R232串行通信接口的多功能卡等），計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程通信用的調(diào)制解調(diào)器、路由器、交換機(jī)、采集器、計(jì)算機(jī)電源系統(tǒng)各器件等方面。尤其是像這些設(shè)備的連接MODEM的串口、連接雙絞線的RJ45端口等信號部分應(yīng)進(jìn)行信號部分的保護(hù)、避免因路由器、局域網(wǎng)交換機(jī)端口被雷擊或高電壓擊穿。對于局域網(wǎng)上所用的雙絞線，如果它連接的設(shè)備不在一個電源環(huán)境內(nèi)、或走線距離比較長時（不在一個房間內(nèi)或者跨越樓層），雙絞線兩端連接的設(shè)備都應(yīng)安裝防雷設(shè)備，避免因兩端設(shè)備電壓不一致時較高的電壓通過雙絞線擊向電壓較低的設(shè)備；局域網(wǎng)使用細(xì)纜作為傳輸介質(zhì)時，因其連接多臺設(shè)備、更應(yīng)安裝防雷設(shè)備。連接MODEM的專線和撥號線，均為架空線，且由室外進(jìn)入室內(nèi)，遭受雷擊的概率大于其它任何計(jì)算機(jī)設(shè)備，故必須首先提高通信接口和電源系統(tǒng)的自身抵抗力，在計(jì)算機(jī)各通信接口處安裝各類通信接口防雷器，特別是主機(jī)與采集器、寬帶路由器、服務(wù)器的輸出接口均要加裝信號防雷裝置。

4 結(jié)束語

總之，自動氣象站的防雷工作是十分重要的，由于雷擊造成的損害可能會使整個系統(tǒng)癱瘓，導(dǎo)致儀器設(shè)備不能正常采集，觀測數(shù)據(jù)永久丟失。因此，如何全面系統(tǒng)地做好防雷工作至關(guān)重要，同時也要考慮環(huán)境、地理位置等方方面面的因素，從根本上做好自動氣象站防雷工作，盡可能減少雷擊帶來的各種損害，保證氣象工作的正常順利運(yùn)行是我們還應(yīng)不斷探討的問題。

1 劉朝英、譚清波.自動氣象站防雷經(jīng)驗(yàn)[J].貴州氣象，2008（5）

2 王會兵、徐志敏.峨眉山（高山）自動氣象站防雷探討[J].四川氣象，2007（3）