自動(dòng)氣象站雷電防雷技術(shù)的探索

摘要:自動(dòng)氣象站要求安裝在建筑物高處或野外，由于微電子裝置的脆弱性以及沛縣地處雷暴較多發(fā)區(qū)，自動(dòng)站設(shè)備易遭受雷電損害。通過沛縣自動(dòng)氣象站防雷設(shè)計(jì)的實(shí)踐，作者對(duì)自動(dòng)氣象站防雷以及自動(dòng)站數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡(luò)防雷技術(shù)進(jìn)行了研究。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)氣象站防雷技術(shù)

中圖分類號(hào)：TP399文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X(2012)03(b)-0000-00

雷電災(zāi)害是一種較為嚴(yán)重的自然災(zāi)害，由于它在很大程度上的不可預(yù)測(cè)性，給人類生命財(cái)產(chǎn)甚至文明成果、生態(tài)環(huán)境帶來巨大的損失乃至毀滅性打擊，人類迫切需要認(rèn)識(shí)這種災(zāi)害發(fā)生的原因，尋找規(guī)避、減小災(zāi)害的有效辦法，以確保自身安全，促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的全面發(fā)展。

隨著中尺度氣象觀測(cè)網(wǎng)組建任務(wù)的實(shí)施，自動(dòng)氣象觀測(cè)站的建設(shè)已提到各級(jí)氣象臺(tái)站當(dāng)前1-2年工作的重要議程。由于沛縣自動(dòng)站一般都是建在高大建筑物的樓頂或建在地勢(shì)較高較空曠的野外，都是容易受到雷擊的地區(qū)。自動(dòng)站的微電子設(shè)備對(duì)雷電感應(yīng)的敏感性，使得防雷工作成為自動(dòng)站建設(shè)中的一個(gè)非常重要的組成部分。#61472;

1 現(xiàn)代防雷工程技術(shù)分析

1.1接閃

接閃也稱為攔截，就是將雷電按照設(shè)計(jì)的路徑把能量釋放到大地。避雷針、避雷帶、避雷網(wǎng)格以及避雷線作為接閃器就是利用這一原理。直擊雷的防護(hù)主要取決于有效地利用接閃裝置。另一種利用阻抗限流技術(shù)的避雷針也叫限流或優(yōu)化避雷針，其特點(diǎn)是在避雷針中增加電抗來減少雷電流的幅度和陡度。這樣可以減少雷電流的電磁效應(yīng)及雷電電磁脈沖的干擾。

1.2分流

分流就是在從建筑物外引入的導(dǎo)線（電力供電線、電話線、網(wǎng)絡(luò)線等）與接地線之間安裝非線性器件。分流使用的非線性器件在IEC中稱為浪涌保護(hù)器（簡(jiǎn)稱SPD）。SPD是防雷工程中對(duì)電子設(shè)備保護(hù)的關(guān)鍵器件。SPD內(nèi)部的器件主要有氣體放電管、氧化鋅壓敏電阻、半導(dǎo)體器件。它們各有其不同的工作原理和特點(diǎn)。

1.3均壓

均壓也稱為均衡連接或等電位連接。接閃裝置遭受雷擊時(shí)，接地引下線上有較大的雷電流流過，由于引下線的分布電感和內(nèi)阻，結(jié)果導(dǎo)致引下線上產(chǎn)生很高的電位。這個(gè)很高的電位會(huì)對(duì)周圍未接地的金屬導(dǎo)體或其它物體發(fā)生二次閃擊，使其電位升高，對(duì)附近的人員或設(shè)備造成危害。

1.4屏蔽

屏蔽就是用導(dǎo)電或?qū)Т挪牧现瞥傻暮?、殼、屏、板等將電磁能限制在一定的空間范圍內(nèi)，使場(chǎng)的能量從屏蔽體的一面?zhèn)鞯搅硪幻鏁r(shí)受到很大衰減的防電磁干擾措施。屏蔽措施主要分為輻射屏蔽和建筑物屏蔽兩個(gè)方面。

1.5接地

雷電防護(hù)中的接地是指防雷裝置及其電子設(shè)備的金屬外殼通過引下線與大地相接。防雷工程設(shè)計(jì)中接地主要是：電子設(shè)備的金屬外殼的接地，通過建筑物內(nèi)墻的主鋼筋進(jìn)行接地；建筑物內(nèi)的電子設(shè)備單獨(dú)接地；各類接地系統(tǒng)在進(jìn)行相互連接時(shí)，采用先單點(diǎn)接地在等電位連接等形式。

1.6合理布線

合理布線一方面指現(xiàn)代化智能建筑內(nèi)的通信系統(tǒng)、辦公自動(dòng)化系統(tǒng)、建筑

設(shè)備自動(dòng)化系統(tǒng)的綜合布線技術(shù)。另一方面指在雷電防護(hù)中，合理的布線減少雷電波對(duì)建筑內(nèi)的設(shè)備或物體造成的影響。

2 自動(dòng)站的防雷環(huán)境

自動(dòng)站一般建在樓頂或野外，其防雷環(huán)境相當(dāng)惡劣。按照IEC1312-1介紹，應(yīng)將需要保護(hù)的空間劃分為不同的防雷區(qū)（LPZ），以確定各部分空間不同的LEMP（雷閃電磁脈沖）的嚴(yán)重程度和相應(yīng)的防護(hù)對(duì)策。分為直擊雷非防護(hù)區(qū)(LPZ0Ａ)、直擊雷防護(hù)區(qū)（LPZ0Ｂ）、防LEMP沖擊區(qū)LPZ１。通常防雷區(qū)劃分級(jí)數(shù)越多，電磁環(huán)境的參數(shù)就越低。根據(jù)以上劃分原則，沛縣自動(dòng)氣象站處于LPZ１區(qū)，其具體劃分如下：值班室外墻以外，觀測(cè)場(chǎng)風(fēng)桿（兼獨(dú)立避雷針）保護(hù)范圍以內(nèi)、數(shù)據(jù)采集傳感器金屬殼以外確定為L(zhǎng)PZ0Ｂ區(qū)；值班室內(nèi)設(shè)備，地溝內(nèi)電源、信號(hào)線纜、數(shù)據(jù)采集傳感器內(nèi)電路板確定為L(zhǎng)PZ１區(qū)。

3 自動(dòng)站直擊雷防護(hù)構(gòu)想和措施

自動(dòng)氣象站由室外感應(yīng)和室內(nèi)資料處理顯示部分組成，加上室內(nèi)外數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備構(gòu)成一個(gè)自動(dòng)氣象觀測(cè)站系統(tǒng)。下面針對(duì)雷電對(duì)自動(dòng)站的危害和解決思路逐步予以說明。

3.1直擊雷的危害

直擊雷的危害性主要表現(xiàn)在雷電放電時(shí)產(chǎn)生所出現(xiàn)的各種物理效應(yīng)作用，具有很大的破壞力。按其破壞機(jī)制可分為電效應(yīng)、熱效應(yīng)、電磁效應(yīng)和機(jī)械效應(yīng)。造成電力系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)、變壓器、斷路器等電氣線路和設(shè)備燒毀，引起絕緣擊穿而發(fā)生短路，導(dǎo)致可燃燒和爆炸現(xiàn)象。

3.2自動(dòng)站直擊雷防護(hù)措施

沛縣地面站自動(dòng)站儀器和避雷針作如下設(shè)計(jì)施工，拆掉一根原有風(fēng)向竿，在原裝風(fēng)向竿的位置安裝自動(dòng)站風(fēng)向竿，在風(fēng)向竿的正南1.5米處安裝自動(dòng)站信號(hào)采集器，在原最西邊百葉箱位置安裝自動(dòng)站配備的玻璃鋼百葉箱（內(nèi)裝溫度、濕度感應(yīng)器），在自動(dòng)站風(fēng)向竿西邊5米處（剛好在觀測(cè)場(chǎng)圍欄外）安裝塔式避雷針，避雷針高度20米，（按防雷滾球法計(jì)算要求高度）；地網(wǎng)在觀測(cè)場(chǎng)地外，接地電阻為3歐姆。在日射觀測(cè)架東北45度處的觀測(cè)場(chǎng)外圍欄邊裝一根15米高的獨(dú)立避雷針，接地網(wǎng)在觀測(cè)場(chǎng)東外側(cè)，接地電阻為3歐姆。值班室樓頂安裝一根長(zhǎng)8米的獨(dú)立避雷針，該針接地電阻為2.5歐姆。加上原風(fēng)向竿的避雷針和自動(dòng)站風(fēng)向竿的避雷針，整個(gè)觀測(cè)場(chǎng)已有4根避雷針。對(duì)觀測(cè)場(chǎng)設(shè)備防直擊雷起到了很好的作用。

為了保證設(shè)備的安全，當(dāng)直擊雷暴強(qiáng)烈時(shí)，在非數(shù)據(jù)采集時(shí)間段，建議該站外電源短時(shí)停電，即將所有設(shè)備的外供電立即關(guān)掉，待直擊強(qiáng)雷暴過后再恢復(fù)設(shè)備正常供電。

4 自動(dòng)站感應(yīng)雷防護(hù)構(gòu)想和措施

在有直擊雷防護(hù)的前提下，感應(yīng)雷可以說是自動(dòng)站設(shè)備損害的元兇。當(dāng)雷電流在50～100μs的時(shí)間內(nèi)，從0A變化到幾十萬A，在其周圍空間產(chǎn)生瞬變的強(qiáng)電磁場(chǎng)。在空間變化電磁場(chǎng)中的的被保護(hù)物，不論是導(dǎo)體還是非導(dǎo)體均作切割磁力線運(yùn)動(dòng)，使其產(chǎn)生很高的電磁電動(dòng)勢(shì)造成危害；同時(shí)，閃電能輻射出從頻率為幾Hz的極低頻率直到幾千GHz的特高頻率，其中以5～10kHz的電磁輻射強(qiáng)度最大。當(dāng)被保護(hù)物距離雷電較近時(shí)，主要受靜電感應(yīng)影響，距離雷電較遠(yuǎn)時(shí)，主要受電磁輻射的影響，做好電磁屏蔽并將屏蔽層可靠接地是原則，確保不遺漏可靠連接和接地是關(guān)鍵。感應(yīng)雷電對(duì)自動(dòng)氣象站損害的概率較大，其防護(hù)手段也較為復(fù)雜，因此，我們對(duì)我縣自動(dòng)站的感應(yīng)雷、電磁感應(yīng)、雷電波入侵作了重點(diǎn)考慮。

4.1電源系統(tǒng)

由于電源線很多是架空敷設(shè)的，因此電源線是最容易給感應(yīng)雷侵入的通道。根據(jù)普遍認(rèn)可的研究標(biāo)準(zhǔn)，在一般電源線路上的感應(yīng)雷電流通常是3kA左右，不超過10kA，電壓則在6kv以下。為此，該自動(dòng)站電源在單位總配電箱引出后，即全程采用套Φ40 mm金屬管埋地引入值班室配電箱，在配電箱總空氣開關(guān)后安裝首級(jí)低壓電源避雷器。

避雷器的選用，由保護(hù)需要確定。IEC61312定義了防雷的保護(hù)分區(qū)，根據(jù)保護(hù)分區(qū)的要求需要在每個(gè)分區(qū)的交界處，安裝相對(duì)應(yīng)的防雷器，在LPZ0B區(qū)與LPZ1區(qū)的交界處安裝B級(jí)（即第一級(jí)）防雷器，在LPZ1區(qū)與LPZ2區(qū)的交界處安裝C級(jí)（即第二級(jí)）防雷器，在LPZ2區(qū)的設(shè)備前端安裝D級(jí)（即第三級(jí)）防雷器。

根據(jù)VDE0675對(duì)B、C、D三級(jí)防雷器保護(hù)水平的要求

防雷器保護(hù)水平防雷器安裝等級(jí)

B級(jí)防雷器一般采用具有較大通流量的防雷器，可以將較大的雷電流泄放入地，達(dá)到限流的目的，同時(shí)將過電壓減小到一定的程度。

C、D級(jí)防雷器采用具有較低殘壓的防雷器，可以將線路中剩余的雷電流泄放入地，達(dá)到限壓的效果，使過電壓減小到設(shè)備能承受的水平。

自動(dòng)氣象站所用部件及元器件的峰值沖擊電壓耐量，決定了防雷裝置允許的輸出殘壓值，由于采用不同方案、不同核心部件及元器件所組成的自動(dòng)氣象站，其峰值耐壓值會(huì)有較大差異。我國(guó)通信部門有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)指出在交流220V系統(tǒng)中，其元器件或部件的沖擊耐壓值應(yīng)達(dá)1500V；在直流48V系統(tǒng)中則為330V，電信交換與用戶終點(diǎn)設(shè)置為1000V。

沛縣自動(dòng)氣象站采用了多級(jí)避雷器共防的原則，即電源分兩級(jí)防雷，第一級(jí)對(duì)三相電源接了1組避雷器；第二級(jí)對(duì)入室單相電源加接2組避雷器；對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸線接了兩組網(wǎng)絡(luò)避雷器。所有避雷器都要通過BV—6mm2銅芯線與地網(wǎng)聯(lián)接。

為了將感應(yīng)雷擊減少到最低限度，從觀測(cè)場(chǎng)采集器到值班室終端，全程在設(shè)計(jì)傳輸線走向時(shí)完全做到避免架空，盡可能走地溝，無地溝可用則采用埋地20cm深，并加套Φ40 mm金屬套管，并在倆防雷區(qū)交界處安裝第二級(jí)低壓電源避雷器。

4.2通訊傳輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

自動(dòng)站采集到資料后，要傳輸給數(shù)據(jù)收集處理中心，其中的數(shù)據(jù)傳輸一定要通過通訊傳輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，加上自動(dòng)站到數(shù)據(jù)收集處理中心一般都不會(huì)在同一幢樓內(nèi)，經(jīng)過室外的網(wǎng)絡(luò)線也是很容易傳輸感應(yīng)雷的通道；對(duì)于用無線通訊方式傳輸資料時(shí)，發(fā)射和接受天線也很容易把雷引入設(shè)備。其防護(hù)措施，一是電纜外皮兩端接地；二是在設(shè)備前端依據(jù)不同需求安裝相應(yīng)的避雷器。

4.3傳感器通道引入

自動(dòng)站傳感器是要與處理器相連的，當(dāng)傳感器遭受雷擊時(shí)，也可以將雷電流引入處理器。因?yàn)槠浒惭b在鐵盒中，可以將鐵盒接地屏蔽電磁感應(yīng)。

5 地網(wǎng)設(shè)計(jì)和施工

由于自動(dòng)站微電子設(shè)備對(duì)輸入功率變化的脆弱性和低賴受性，防雷要求比較高，根據(jù)設(shè)備廠商要求，接地電阻必須小于4歐姆。按照防雷工程的基本要求，沛縣自動(dòng)氣象站在地網(wǎng)的設(shè)計(jì)施工時(shí)，圍觀測(cè)場(chǎng)外圍一圈、觀測(cè)場(chǎng)內(nèi)沿地溝敷設(shè)，整個(gè)接地體成為網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。水平接地體采用—40×4鍍鋅扁鋼，埋地深度為80cm；垂直接地體采用∠50×50×5×5000鍍鋅角鋼，每隔4m打入一條。使地網(wǎng)接地電阻降到了3歐姆，達(dá)到了設(shè)備要求。為設(shè)備的外殼接地，各采集器處留出接地引出端，采用Φ10鍍鋅圓鋼，匯流排采用30×4×10銅板制作，上鉆2個(gè)Φ2.5圓孔。

6 運(yùn)行情況

沛縣自動(dòng)氣象站從竣工投入運(yùn)行至今，一直保持全天候24小時(shí)安全運(yùn)行。經(jīng)每年2次的防雷定期檢查，發(fā)現(xiàn)暴露部分無銹蝕、開路等現(xiàn)象，第一級(jí)避雷器記數(shù)2次。第二級(jí)記數(shù)1次，各避雷器未見故障，結(jié)論都是合格。以上結(jié)果證明該防雷工程是有效的、合格的。實(shí)踐證明，只要高標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)要求，認(rèn)真對(duì)待，精心組織，自動(dòng)站的防雷工作還是可以做得很好的。

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