ADTD型閃電定位儀雷擊分析及防雷防靜電措施

徐耕 焦美玲 白鐸

摘 要：2019年9月，慶陽市布設(shè)的ADTD型閃電定位儀遭遇雷擊事故。本文分析了該電子設(shè)備遭受雷擊的原因與雷電流的入侵途徑，提出了防雷防靜電的措施，為ADTD型閃電定位儀的正常運行提供有力保障。

關(guān)鍵詞：ADTD型閃電定位儀;防雷防靜電;雷擊分析

中圖分類號：P415.3文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2020）02-0153-03

Abstract： In September 2019， the ADTD lightning locator deployed in Qingyang City encountered a lightning strike. This paper analyzed the cause of the lightning strike and the invasion path of the lightning current， and proposed anti-lightning and anti-electrostatic measures， which could provide a strong guarantee for the normal operation of ADTD lightning locator.

Keywords： ADTD lightning locator;anti-lightning and anti-electrostatic;lightning strike analysis

ADTD型閃電定位儀是一種監(jiān)測雷電發(fā)生的氣象探測儀器，它通過監(jiān)測云地閃輻射的甚低頻（VLF）信號，再經(jīng)波形判斷給出閃電信號并將其送達(dá)傳感器，可全天候、長期連續(xù)運行，可詳細(xì)記錄雷電發(fā)生的時間、位置、強度和極性等各項數(shù)據(jù)。它主要由天線罩、電磁場天線、GPS模塊、電子艙、電源盒、通信模塊和配電等系統(tǒng)組成，如圖1所示。目前，甘肅省已建設(shè)雷電監(jiān)測系統(tǒng)和閃電定位儀共19套，都已正常運行。慶陽市位于甘肅省最東部，為溫帶大陸性氣候，夏季強對流天氣頻發(fā)，雷電活動較多。西峰國家基本氣象觀測站位于慶陽市西峰區(qū)長慶大道95號（東經(jīng)107°38′，北緯35°44′），2019年9月雷暴天氣經(jīng)過測站后，安裝在觀測場中的ADTD型閃電定位儀出現(xiàn)故障，造成多日數(shù)據(jù)無法上傳。本文就閃電定位儀的雷擊故障診斷和如何做好雷電防護安全進行探究，為ADTD型閃電定位儀的正常運行提供保障。

1 ADTD型閃電定位儀受雷擊方式

雷電直接擊中架空線纜，以高壓雷電波的形式沿著外漏線路進入觀測站值班室內(nèi)，損壞設(shè)備。在設(shè)備通信、電源線路旁發(fā)生雷擊時，雷電的靜電感應(yīng)或電磁感應(yīng)會在線路內(nèi)部產(chǎn)生過電壓及過電流，造成定位儀內(nèi)部元件直接被擊穿，或者通過供電線路、信號線路、數(shù)據(jù)線路等途徑進入室內(nèi)，損壞終端接收系統(tǒng)。

直擊雷在建筑物附近通過接地網(wǎng)泄放雷電流時，在接地網(wǎng)上會產(chǎn)生瞬間高壓電流，雷電流通過引下線、電源系統(tǒng)的零線、接地線和通信線路，以雷電波的入侵室內(nèi)，導(dǎo)致儀器設(shè)備損壞。

2 ADTD型閃電定位儀遭受雷擊損壞的原因

經(jīng)現(xiàn)場勘察，西峰基本氣象觀測站內(nèi)的ADTD型閃電定位儀表面無變色、碳化發(fā)黑等現(xiàn)象，電腦終端接收設(shè)備亦未出現(xiàn)損壞。首先排除直擊雷對定位儀造成損壞的原因。隨即對定位儀的防雷接地電阻進行了檢測，雖然阻值合格，但是檢測人員發(fā)現(xiàn)所用的防雷接地引下線截面積較小，不能有效地進行靜電與雷電流的釋放，就考慮到可能是雷電感應(yīng)造成設(shè)備損壞。在與當(dāng)值業(yè)務(wù)人員及上級保障中心技術(shù)人員交流探討后，初步判斷為雷電靜電感應(yīng)出的過電壓或電流入侵設(shè)備線路，因防雷接地線工藝不達(dá)標(biāo)，導(dǎo)致產(chǎn)生的感應(yīng)電流不能有效地泄入大地，導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)故障。

在進一步對閃電定位儀內(nèi)部元件進行檢查后，檢測人員發(fā)現(xiàn)，電源盒上的工作指示燈已滅，處于停止工作狀態(tài)，隨即從供電方面入手查找問題[1]。ADTD型閃電定位儀由220V交流市電進行供電，經(jīng)電源盒轉(zhuǎn)換系統(tǒng)處理后，才能變?yōu)樵O(shè)備日常工作運行所需的低壓直流電源。盒體內(nèi)部構(gòu)造如圖2所示。

在對故障設(shè)備電源盒輸出端測量后，檢測人員發(fā)現(xiàn)，直流端口均無輸出電流，且保險管內(nèi)部保險絲已斷，可暫定為雷電產(chǎn)生的感應(yīng)電壓造成保險絲熔斷。打開電源盒蓋，用萬用表通斷檔位對壓敏電阻防雷模塊進行測量，其均呈現(xiàn)短路狀態(tài)，已被雷電擊穿，證實了雷暴天氣過境產(chǎn)生的感應(yīng)電壓造成定位儀損壞的想法。雷電的靜電感應(yīng)會對電子元器件放電，使其損壞失效。靜電對電子元件的危害不僅體現(xiàn)在其制造過程中，也體現(xiàn)在測試、組裝、運輸和運行中，會因靜電而使其損壞。防止靜電積累和靜電感應(yīng)的根本辦法是將積累的靜電電荷徹底釋放到大地中。

3 防雷、防靜電措施

3.1 增設(shè)觀測場內(nèi)儀器設(shè)備接地網(wǎng)

可以在觀測場內(nèi)建設(shè)閃電定位儀和氣象觀測設(shè)備共用接地網(wǎng)。為防止地電位的反擊，儀器設(shè)備接地網(wǎng)應(yīng)與觀測站防雷接地網(wǎng)的距離應(yīng)保持在5m以上，儀器設(shè)備接地網(wǎng)可沿觀測場地溝進行敷設(shè)，采用熱鍍鋅圓鋼或角鋼每隔5 m打入地下，作為人工垂直接地體，再用規(guī)格40 mm×4 mm的熱鍍鋅扁鐵與垂直接地體相進行焊接，焊接長度不能小于圓鋼直徑的10倍。觀測場內(nèi)各儀器設(shè)備及安裝金屬支架等所有金屬體均應(yīng)就近與預(yù)留的接地端子進行可靠的電氣連接，且儀器設(shè)備接地網(wǎng)的接地電阻應(yīng)不大于4 Ω，在達(dá)不到要求時，可采用降阻劑、改變土壤結(jié)構(gòu)及增加接地極的方法來處理，使其符合規(guī)范要求[2]。這樣不僅可有效泄放雷電流，也能保證設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生的靜電及時釋放，保證閃電定位儀及氣象觀測設(shè)備的正常運行。

3.2 信號線與電源線的屏蔽

對觀測場內(nèi)的ADTD型閃電定位儀的信號線纜用套金屬管（槽）的方法進行屏蔽接地處理;供電系統(tǒng)的線路應(yīng)采用具有金屬護套或絕緣護套的電纜穿金屬管;電纜溝內(nèi)的信號線和電源線應(yīng)該分開放置，防止電源系統(tǒng)與信號傳輸系統(tǒng)線路之間出現(xiàn)靜電耦合。

3.3 調(diào)整閃電定位儀在觀測場中的位置

觀測場內(nèi)的ADTD型閃電定位儀與風(fēng)塔之間的距離只有3m左右，風(fēng)塔高度超過12 m，在觀測場中位置最高，可能遭受雷擊的概率最大。距離風(fēng)塔較近的閃電定位儀極易遭受雷電波的侵入，造成電源及信號系統(tǒng)發(fā)生故障，因此將閃電定位儀的安裝位置遷移到與風(fēng)塔相距5m以上的位置，使閃電定位儀遭雷擊或地電位反擊的概率大大降低。

3.4 增設(shè)浪涌保護器（SPD）

在發(fā)生雷擊與雷電波入侵時，接地導(dǎo)體上會產(chǎn)生幾十千伏甚至上萬伏的高壓。在精密儀器設(shè)備中，雷電波主要從電源線路及信號線路進行入侵，因此選擇安裝相匹配的浪涌保護器是防止線路遭受雷擊或雷電波侵入的有效措施。壓敏電阻是具有非線性伏安特性的電阻器件，亦是組成浪涌保護器的重要元器件之一，作用為承受過壓時進行電壓鉗位，吸收多余的電流以保護敏感器件。在此次雷擊事件中，定位儀電源系統(tǒng)中的壓敏電阻防雷模塊對感應(yīng)電壓進行了控制處理，從而使設(shè)備及元器件免遭過電壓的二次沖擊，有效保護了閃電定位儀的重要元件。

按照我國家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》（GB 50057—2010）[3]和《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》（GB 50343—2012）[4]的要求，設(shè)備末端限制電壓（殘壓）應(yīng)該小于用電設(shè)備絕緣耐沖擊電壓水平。表1給出了三相交流系統(tǒng)各種設(shè)備絕緣耐沖擊過電壓的額定值，將耐沖電壓明確分為1.5、2.5、4、6 kV四類。在低壓電氣設(shè)計中，將電子信息SPD殘壓值設(shè)計在1.5 kV內(nèi)，從這個參數(shù)上來看，在電子設(shè)備的日常工作運行中，只要能確保相線與中線之間的電壓為1.5 kV絕緣電壓，就能滿足設(shè)備絕緣電壓的要求。在實際中，由于絕緣電壓直接進入設(shè)備整流及后續(xù)電路，1.5 kV的電壓有可能損壞電路。因此，在低壓電氣設(shè)計中考慮SPD相線對中線的保護，為確保安全，應(yīng)加裝相應(yīng)功能的模塊對其進行保護，充分發(fā)揮浪涌保護器（SPD）在雷暴天氣發(fā)生時對精密電子儀器的保護功能，有效防止雷電流對設(shè)備造成的損壞。

4 結(jié)語

ADTD型閃電定位儀是一種精密的電子設(shè)備，主要由雷電傳感器探頭、電源箱、天線、支柱等組成，以弱電方式運行，絕緣等級較低，設(shè)備內(nèi)部的元器件對雷電電磁場及雷電流的反應(yīng)極其敏感，因此做好雷電防護措施是保障閃電定位儀穩(wěn)定運行的基礎(chǔ)。在設(shè)備日常運行中，只要嚴(yán)格按照《氣象臺（站）防雷技術(shù)規(guī)范》（QX 4—2015）[2]及電子信息系統(tǒng)防雷要求，認(rèn)真做好防雷裝置的設(shè)計施工，并做好防雷設(shè)施的定期檢測及維護，就能減少雷電對ADTD型閃電定位儀造成的損壞。

參考文獻(xiàn)：

[1]虞蘇青，周楓.ADTD型閃電定位儀故障分析與處理[J].貴州氣象，2011（6）：44-46.

[2]中國氣象局.氣象臺（站）防雷技術(shù)規(guī)范：QX 4—2015[S].北京：氣象出版社，2015.

[3]房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.建筑物防雷設(shè)計規(guī)范：GB 50057—2010[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2012.

[4]住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范：GB 50343—2012[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012.