自動(dòng)氣象站防雷保護(hù)的探討

摘 要：自動(dòng)氣象站是一種自動(dòng)化的氣象觀測(cè)系統(tǒng)，應(yīng)用目的在于節(jié)省人力或測(cè)量偏遠(yuǎn)地域的相關(guān)氣象信息。由于內(nèi)部存在大量的電子設(shè)備，獨(dú)立運(yùn)行時(shí)會(huì)遭受各種氣象天氣，雷擊成為了損壞自動(dòng)氣象站的最常見(jiàn)原因之一。文章主要結(jié)合現(xiàn)代雷電防護(hù)技術(shù)，研究并討論了如何減少雷擊帶來(lái)的損害的原因和保護(hù)自動(dòng)氣象站的正常工作措施。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)氣象站；雷電防護(hù)；防雷

中圖分類號(hào)：P415.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2014）3-0050-02

自動(dòng)氣象站的基本結(jié)構(gòu)一般為傳感器、采集器、系統(tǒng)電源、通信接口及外圍設(shè)備（計(jì)算機(jī)）等組成。整個(gè)自動(dòng)氣象站系統(tǒng)對(duì)來(lái)自外部的氣象情況進(jìn)行如全面收集氣壓、溫度、風(fēng)向、風(fēng)速、濕度等氣象信息收集，整個(gè)系統(tǒng)是以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的氣象處理系統(tǒng)。除開(kāi)人為干擾，雷電這樣的自然及其產(chǎn)生的電磁干擾對(duì)自動(dòng)氣象站會(huì)產(chǎn)生極大的影響。自動(dòng)氣象站的雷電防護(hù)工作成為了其面對(duì)惡劣天氣重要保障之一。

1 雷擊對(duì)于自動(dòng)氣象站的隱患

自動(dòng)氣象站所遭受的雷電侵害主要是在雷擊時(shí)產(chǎn)生傳導(dǎo)耦合和輻射耦合對(duì)電子設(shè)備的損壞。室外的觀測(cè)設(shè)備一般處于開(kāi)闊場(chǎng)地，無(wú)高大建筑物干擾。風(fēng)向風(fēng)速感應(yīng)儀器處于金屬桿體之上，雷擊對(duì)于高敏感度的金屬探頭的破壞是極大的。同時(shí)，桿體遭受雷擊會(huì)產(chǎn)生電磁脈沖通過(guò)電纜傳輸破壞設(shè)備。雷擊避雷針會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)破壞力的暫態(tài)電磁場(chǎng)，自動(dòng)氣象站上各部分的傳感器遭受電磁耦合現(xiàn)象，此時(shí)產(chǎn)生的局部高電位會(huì)發(fā)生地電位反擊，這些都會(huì)導(dǎo)致自動(dòng)氣象站內(nèi)部的設(shè)備損壞。室內(nèi)設(shè)備如信號(hào)采集器、計(jì)算機(jī)以及電氣設(shè)備在雷擊發(fā)生之時(shí)，也會(huì)通過(guò)信號(hào)線等傳送的電磁脈沖遭受破壞。

在自動(dòng)氣象站除開(kāi)自然環(huán)境的影響，設(shè)備在安裝和設(shè)計(jì)之時(shí)存在的不足更是導(dǎo)致設(shè)備損害的常見(jiàn)問(wèn)題。獨(dú)立避雷針是自動(dòng)氣象站最直接的保護(hù)。根據(jù)地上的空間距離大于等于0.1倍沖擊接地電阻和保護(hù)物或計(jì)算點(diǎn)的高度之和；地中空中距離大于等于0.4倍沖擊接地電阻，這兩條標(biāo)準(zhǔn)明確規(guī)定了保護(hù)物件或建筑、避雷針和接地裝置之間的間距。當(dāng)雷擊發(fā)生時(shí)，接閃的避雷針會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的電磁脈沖和電位差，對(duì)于自動(dòng)氣象站這種無(wú)人自動(dòng)控制設(shè)備更需要嚴(yán)謹(jǐn)?shù)淖裱?guī)定設(shè)計(jì)，保持避雷針與其的距離。屏蔽設(shè)備的安裝不正確或缺漏也會(huì)導(dǎo)致自動(dòng)氣象站遭受破壞。自動(dòng)氣象站內(nèi)部設(shè)備都需要獨(dú)立避雷設(shè)計(jì)。

2 自動(dòng)氣象站防雷技術(shù)措施

自動(dòng)氣象站采用綜合防護(hù)措施，整個(gè)措施貫穿雷擊過(guò)程，主要為：①直擊雷防護(hù)；②屏蔽；③等電位聯(lián)接；④均壓；⑤電流疏分；⑥電壓限制；⑦接地。為此國(guó)家制定了以《氣象信息系統(tǒng)雷電電磁脈沖防護(hù)規(guī)范》做標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)規(guī)范，相關(guān)自動(dòng)氣象站需要根據(jù)當(dāng)?shù)靥攸c(diǎn)結(jié)合規(guī)范制定和設(shè)計(jì)防雷保護(hù)措施。

2.1 直擊雷防護(hù)

直擊雷防護(hù)裝置是整個(gè)自動(dòng)氣象站防護(hù)系統(tǒng)最為關(guān)鍵的部分，良好的性能能大大提高自動(dòng)氣象站在復(fù)雜雷雨天氣下的存活。直擊雷所產(chǎn)生的電流在接閃器接閃后分流疏散導(dǎo)入大地。據(jù)《氣象臺(tái)（站）防雷技術(shù)規(guī)范》確定自動(dòng)氣象站所處場(chǎng)地的防雷等級(jí)，再依據(jù)按《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》確定接閃器的類型和組成方式（獨(dú)立型、混合型）。避雷針的規(guī)格按照表1所示設(shè)計(jì)和搭配。搭配2根以上的引下線能夠有效降低單位空間內(nèi)的因雷擊產(chǎn)生的熱和磁。同時(shí)也需要注意避雷針的接地電阻率，一般設(shè)計(jì)要求為小于2 Ω，此時(shí)能夠明顯的減少設(shè)備因雷擊產(chǎn)生的故障率。

2.2 屏蔽、等電位聯(lián)接與均壓

在確保接閃裝置后，需要保證設(shè)備在最短的距離和公共節(jié)點(diǎn)和接面相連后保持整個(gè)自動(dòng)氣象站系統(tǒng)內(nèi)部處于統(tǒng)一的電平基準(zhǔn)下。當(dāng)雷雨季節(jié)，地面上的物體受天空中雷電場(chǎng)的影響感應(yīng)出強(qiáng)大的靜電電荷，雷電場(chǎng)的閃現(xiàn)使得物體會(huì)發(fā)生靜電放電，此時(shí)就需要及時(shí)的疏導(dǎo)電流避免閃絡(luò)。因此，自動(dòng)氣象站中非帶電金屬部分都需要做到可靠的接地措施，同時(shí)電纜和信號(hào)線的屏蔽措施和設(shè)備的外部殼體確保電磁鏈接，關(guān)鍵部位的金屬格柵需要進(jìn)行電磁屏蔽，引下線需要和自動(dòng)氣象站保持3 m以上的距離。

同時(shí)以6 m為間隔來(lái)布置埋地線纜用的電纜井，電纜井接頭需用鐵皮緊包，防止老鼠啃食和地電波干擾的情況。

2.3 雷電流疏分泄放與SPD的使用

避雷器（SPD）主要用于是疏散雷擊產(chǎn)生的放大電流，一旦有雷電流（過(guò)電壓）通過(guò)，避雷器立刻動(dòng)作將雷擊產(chǎn)生的過(guò)電流疏泄，從而確保自動(dòng)氣象站內(nèi)部的電路和用電設(shè)備的安全； 終端用電設(shè)備也需要采用內(nèi)含電源防浪涌保護(hù)器的電源插座，屏蔽瞬態(tài)過(guò)電壓。自動(dòng)氣象站的供電系統(tǒng)和采集器端口在采用多級(jí)防浪涌保護(hù)，限制瞬間高電壓，疏分電流。絕緣防護(hù)需要電氣設(shè)備的絕緣強(qiáng)度在各種過(guò)電壓的作用下，均應(yīng)高于此處的過(guò)電壓水平，并留有適當(dāng)?shù)脑６取?/p>

2.4 接地

室外的自動(dòng)氣象站和室內(nèi)的計(jì)算機(jī)、信號(hào)采集設(shè)備形成等電位。自動(dòng)氣象站、建筑物基礎(chǔ)接地、防雷接地及觀測(cè)場(chǎng)接地建成統(tǒng)一的接地網(wǎng)， 并和地面上的金屬導(dǎo)體相連， 形成等電位。

3 計(jì)算自動(dòng)氣象站防雷范圍

避雷針保護(hù)范圍的計(jì)算主要根據(jù)觀測(cè)場(chǎng)地內(nèi)最高設(shè)備的高度確定。一般在觀測(cè)場(chǎng)地最高的設(shè)備主要是測(cè)風(fēng)塔或風(fēng)桿的避雷針，其他設(shè)備或儀器離地面距離較近可以在計(jì)算之時(shí)不予考慮。單避雷針保護(hù)計(jì)算方法通過(guò)滾球法計(jì)算出避雷針的高度及保護(hù)半徑，再按以下方法輔助測(cè)算：

保護(hù)半徑=1.5×避雷針高度×避雷針高度影響的校正系數(shù)

當(dāng)避雷針高度≤30m時(shí)，避雷針高度影響的校正系數(shù)=1

按照計(jì)算方法，對(duì)于國(guó)家級(jí)的自動(dòng)氣象站保護(hù)范圍應(yīng)該完整包含外置轉(zhuǎn)接盒等設(shè)備的范圍實(shí)際值。

4 日常維護(hù)和檢查

自動(dòng)氣象站屬于少人和無(wú)人看管的設(shè)備，需要確保儀器正常運(yùn)行就需要定期的全面檢測(cè)。雷雨季節(jié)到來(lái)之前，工作人員需要全面檢查，并根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀笞兓鸵蠹皶r(shí)更新相關(guān)的防雷措施。接地系統(tǒng)和等電位，需要及時(shí)監(jiān)測(cè)接地電阻阻值大小、連接是否牢固，及時(shí)替換和松動(dòng)情況。電涌保護(hù)器是否存在接觸問(wèn)題、漏電流問(wèn)題和絕緣問(wèn)題，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)處理。同時(shí)注意檢測(cè)人員在維護(hù)工作時(shí)的安全。

5 結(jié) 語(yǔ)

自動(dòng)氣象站防雷保護(hù)工作除了直擊雷的防護(hù)，還要注意雷電感應(yīng)的防護(hù)。自動(dòng)氣象站所在地域內(nèi)的儀器都需要按照相關(guān)的防雷技術(shù)規(guī)范做到接地和引下線遵循標(biāo)準(zhǔn)和可靠。對(duì)于自動(dòng)氣象站的防雷工作人員需要責(zé)任到人，每年雷雨季節(jié)之前和過(guò)后都要進(jìn)行設(shè)備監(jiān)測(cè)和接地檢查。

結(jié)合自動(dòng)氣象站自身和當(dāng)?shù)貧夂蛱攸c(diǎn)， 對(duì)氣象站的雷擊事故和原因及時(shí)歸納分析，歸納總結(jié)不斷完善整個(gè)防雷過(guò)程，從而提高防雷措施的有效性，進(jìn)而提高我國(guó)天氣信息特別是復(fù)雜天氣的預(yù)報(bào)質(zhì)量。

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