自動氣象站雷擊故障處理及防御

甄晴　章火寶

摘 要：在夏季雷暴多發(fā)季節(jié)，自動氣象站極易遭受雷擊出現(xiàn)故障，龍口國家基準(zhǔn)氣候站現(xiàn)用的自動氣象站在一次強(qiáng)對流天氣中，采集器和計(jì)算機(jī)均遭雷擊出現(xiàn)故障。通過從物理故障和軟件故障兩方面入手，對故障原因進(jìn)行了分析處理。并在此基礎(chǔ)上對自動氣象站觀測儀器設(shè)備進(jìn)行相關(guān)雷電防護(hù)措施分析，以有效防范雷電災(zāi)害，確保自動氣象站正常運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：雷擊；故障；采集器；通訊；避雷針；雷電防御

中圖分類號：P415.12 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）22-0192-02

近年來，隨著科學(xué)技術(shù)和氣象業(yè)務(wù)能力的不斷提升，地面氣象觀測已基本實(shí)現(xiàn)自動化。自動氣象站的廣泛應(yīng)用，為氣象資料的進(jìn)一步量化和數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定準(zhǔn)確起到了很好的作用，同時也為氣象預(yù)報服務(wù)提供了更為豐富的資料。因此，維護(hù)自動氣象站的穩(wěn)定運(yùn)行就顯得更為重要。

自動氣象站安裝在室外，由大量電子設(shè)備構(gòu)成，對電磁干擾敏感，抗雷電過電壓的能力脆弱，極易受到雷電損害，特別是在夏季雷暴多發(fā)季節(jié)，觀測場室雷電的防御以及遭雷擊后自動氣象站各類觀測儀器設(shè)備的及時維護(hù)維修就成為重中之重。

龍口國家基準(zhǔn)氣候站的CAWS600型自動氣象站，在夏季的一次強(qiáng)對流天氣中遭受雷擊，停止工作，觀測場內(nèi)采集器電源燈不亮，室內(nèi)計(jì)算機(jī)上的OSSSMO軟件打不開。從室外自動站采集器、傳感器到室內(nèi)計(jì)算機(jī)等逐項(xiàng)進(jìn)行故障排查，分析處理。

1 采集器故障處理

采集器工作狀態(tài)指示燈D1，位于內(nèi)機(jī)殼右上角。正常狀態(tài)為紅色，閃爍間隔為3秒。

1.1 故障現(xiàn)象

D1燈不亮。

1.2 處理步驟

檢查供電，正常值為12VDC。用萬用表測量供電電壓，供電電池輸入交流電壓220伏，輸出電壓12VDC。供電正常。然后，拔下采集器上所有傳感器插頭，只留供電端，重新開機(jī)，D1燈仍不亮，說明數(shù)據(jù)采集器DT500故障。

1.3 解決方法

更換數(shù)據(jù)采集器DT500。

2 通訊故障排查

2.1 故障現(xiàn)象

采集器恢復(fù)正常，OSSSMO軟件仍然無法打開。

2.2 處理步驟

更換采集器后，OSSSMO軟件仍然無法打開。將采集器直接連到筆記本上進(jìn)行調(diào)試，數(shù)據(jù)均能正常傳輸?shù)焦P記本，說明采集器已經(jīng)能夠正常采集數(shù)據(jù)。

首先從通訊線路上排查，懷疑串口隔離器被雷擊壞，更換新的串口隔離器，但軟件仍然無法打開。

在室內(nèi)計(jì)算機(jī)上用串口調(diào)試軟件SSCOM32進(jìn)行調(diào)試，給采集器發(fā)送命令，沒有反應(yīng)，但每分鐘都會收到采集器發(fā)來的自動站分鐘數(shù)據(jù)，這說明現(xiàn)在計(jì)算機(jī)和采集器間的通訊，不能雙向通訊，只能由采集器向電腦發(fā)送數(shù)據(jù)，所以判斷計(jì)算機(jī)的通訊串口被雷擊出現(xiàn)故障。

2.3 解決方法

計(jì)算機(jī)主板上的通訊串口被雷擊壞，更換新的計(jì)算機(jī)。

3 軟件問題處理

3.1 故障

WIN7系統(tǒng)安裝OSSSMO軟件，出現(xiàn)數(shù)據(jù)下載不正常情況。

3.2 處理步驟

在新的計(jì)算機(jī)上（新計(jì)算機(jī)系統(tǒng)為32位WIN7系統(tǒng)，原來用的計(jì)算機(jī)是WIN98系統(tǒng)）安裝軟件，將原計(jì)算機(jī)上的軟件設(shè)置和數(shù)據(jù)均復(fù)制到新的計(jì)算機(jī)上，打開軟件。軟件通過自檢之后可以打開了，但是新的問題又出現(xiàn)了，不下載數(shù)據(jù)。

又用串口調(diào)試軟件SSCOM32進(jìn)行調(diào)試，發(fā)送和接受數(shù)據(jù)均正常。檢查發(fā)現(xiàn)采集器時間和計(jì)算機(jī)時間不一致，遂重新校對采集器和計(jì)算機(jī)時間，數(shù)據(jù)下載正常。

待軟件運(yùn)行了幾個小時之后，發(fā)現(xiàn)每個整點(diǎn)01分?jǐn)?shù)據(jù)均下載失敗，其它時次均正常。檢查OSSSMO軟件設(shè)置沒有問題，通訊情況也都正常。

檢查計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相關(guān)設(shè)置，對OSSSMO軟件運(yùn)行是否有影響。最后發(fā)現(xiàn)，是WIN7系統(tǒng)限制了OSSSMO軟件的訪問權(quán)限。

3.3 處理方法

在“控制面板”的“系統(tǒng)和安全”下，更改“用戶賬戶控制設(shè)置”，使OSSSMO軟件有權(quán)限訪問計(jì)算機(jī)，更改和保存相關(guān)設(shè)置和數(shù)據(jù)，使OSSSMO軟件有權(quán)限訪問計(jì)算機(jī)，更改和保存相關(guān)設(shè)置和數(shù)據(jù)。重啟計(jì)算機(jī)后，數(shù)據(jù)下載正常。

4 自動氣象站存在的雷擊隱患分析

此次雷擊事故，屬于較嚴(yán)重的一次。不僅室外的采集器被雷擊壞，室內(nèi)的計(jì)算機(jī)也通過通訊電纜將雷電電磁脈沖引入室內(nèi)，將主板上的通訊串口擊壞。各類傳感器斷電重啟后均運(yùn)行正常，沒有出現(xiàn)故障。

對于自動氣象站來說是技術(shù)性很強(qiáng)的綜合性電子電氣設(shè)備系統(tǒng)，它主要是集計(jì)算機(jī)計(jì)算處理數(shù)據(jù)、通信、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)自動采集、傳輸和數(shù)據(jù)存儲等技術(shù)為一體。因此，若防雷措施不當(dāng)，極易遭受雷擊。

自動氣象站采集器和各氣象要素傳感器置于室外空曠的觀測場內(nèi)，數(shù)據(jù)儲存和處理用計(jì)算機(jī)安裝在值班室內(nèi)，室外采集器通過信號電纜與室內(nèi)計(jì)算機(jī)相連接。

4.1 室外傳感器存在的雷擊隱患

室外傳感器有溫濕度傳感器、雨量傳感器、蒸發(fā)傳感器、地溫傳感器、能見度傳感器和風(fēng)向風(fēng)速傳感器等，不同傳感器都具有自身特點(diǎn)和布置環(huán)境，且這些傳感器處于開闊的觀測場內(nèi)，四周無高大建筑物，百葉箱、能見度傳感器的探頭、安裝風(fēng)向風(fēng)速傳感器的風(fēng)桿等都是觀測場上突出物體，而且風(fēng)向風(fēng)速傳感器探頭為金屬體，敏感度極高，極易引雷。盡管風(fēng)桿上裝有避雷針或處于避雷針保護(hù)范圍內(nèi)，但雷電擊中風(fēng)桿時，感應(yīng)電磁脈沖會沿著風(fēng)桿連接的采集器傳輸電纜線入侵室內(nèi)損壞室內(nèi)設(shè)備等。觀測場安裝的避雷針設(shè)備遭到雷擊時會產(chǎn)生局部高電位，而地電位的反擊可損壞自動氣象站金屬探頭；而且避雷針遭雷擊還會產(chǎn)生強(qiáng)大的暫態(tài)電磁場，然后經(jīng)溫濕度、雨量、地溫等傳感器信號電纜電磁耦合至弱電設(shè)備，致使其損壞。

4.2 室內(nèi)采集器、計(jì)算機(jī)設(shè)備存在的雷擊隱患

雷電電磁脈沖入侵自動氣象站值班室內(nèi)，會對室內(nèi)的計(jì)算機(jī)、通訊盒等弱電設(shè)備造成損壞。雷電電磁脈沖沿連接采集器的傳輸線路進(jìn)入室內(nèi)損壞電子設(shè)備后，可致使自動氣象站系統(tǒng)處于癱瘓狀態(tài)；雷電電磁脈沖還可通過電源線路進(jìn)入室內(nèi)損壞電子電氣設(shè)備，而且室內(nèi)不規(guī)范的接地系統(tǒng)，使得各電子設(shè)備之間存在一定的電位差，而造成電子設(shè)備等的損壞。

5 提高自動氣象站雷電防護(hù)措施

5.1 單獨(dú)設(shè)立避雷針

設(shè)計(jì)單獨(dú)避雷針可在較大程度上避免接閃雷擊對風(fēng)傳感器和傳輸線的影響。防雷器在上方單獨(dú)增設(shè)避雷針，選用16米高度為宜，使避雷針與金屬管進(jìn)行等電位連接后在觀測場地同存，確保整個觀測場設(shè)施均在避雷針的有效保護(hù)范圍內(nèi)。安裝位置與周圍建筑物、設(shè)備之間應(yīng)留有足夠的間距，確保避雷針在接閃時雷電流有單獨(dú)低阻抗泄放通道，對周圍其它設(shè)備無影響。一般選擇安裝到測風(fēng)桿在觀測場所處的位置，避雷針與測風(fēng)桿之間至少保持3米的距離。

5.2 做好接地防護(hù)

接地可有效防護(hù)直擊雷、感應(yīng)雷等多種雷擊，良好的接地措施可以把雷電流泄入大地。根據(jù)自動站弱電子設(shè)備的特性，其防雷標(biāo)準(zhǔn)要求較高，接地電阻以小于4歐姆為宜。根據(jù)自動氣象站管線布局情況，使地網(wǎng)繞觀測場一周，沿著管道安裝接地體并預(yù)留接地端子。

5.3 地網(wǎng)鋪設(shè)

自動氣象站觀測場室的地網(wǎng)鋪設(shè)可采用獨(dú)立防雷或共地方式。

若采用防雷地網(wǎng)，則把防雷地敷設(shè)在觀測場外，與觀測場內(nèi)的地網(wǎng)和線纜隔離，以減少對場內(nèi)設(shè)備的干擾。

而常見的采用共地系統(tǒng)，地網(wǎng)由工作室地網(wǎng)和室外觀測場地地網(wǎng)構(gòu)成，并對兩者進(jìn)行不少于2處的等電位連接。若兩者之間間距大于100米可不連接，確保地網(wǎng)沖擊電阻符合要求即可。自動站觀測場的接地系統(tǒng)一般采用垂直接地體與水平接地體相結(jié)合的方式，接地埋入深度不小于0.5米。垂直接地體宜采用角鋼、圓鋼沿水平接地均勻、對稱分布。

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