面向電源安全的氣象觀測場設(shè)備雷電防護(hù)措施設(shè)計(jì)

鄭棟棟，黃志成，陳斌源

（福建省漳州市氣象局，福建漳州 363000）

雷電既會(huì)擊毀、破壞物體，其放電所形成的電磁感應(yīng)還將嚴(yán)重威脅計(jì)算機(jī)、電力等設(shè)備安全，形成雷電災(zāi)害[1]。若氣象觀測場遭到雷擊，勢必會(huì)損壞設(shè)備，引發(fā)設(shè)備故障，降低氣象觀測水平，因此，為了獲取更準(zhǔn)確、更具代表性的氣象觀測數(shù)據(jù)，防止觀測資料丟失，需做好觀測場的雷電防護(hù)措施。

雷電防護(hù)技術(shù)在各個(gè)相關(guān)領(lǐng)域得到了廣泛研究，例如：蔡國偉等人[2]在高寒地區(qū)風(fēng)電機(jī)組雷電防護(hù)研究中，根據(jù)高寒地區(qū)風(fēng)電機(jī)組屬性、環(huán)境、雷電等情況，總結(jié)風(fēng)電機(jī)組雷擊特征，從雷電防護(hù)系統(tǒng)、直擊損壞機(jī)理、電磁暫態(tài)等階段，對(duì)風(fēng)電機(jī)組雷電防護(hù)作出分析總結(jié)；向文等人[3]依據(jù)初選措施、權(quán)重求解、效果評(píng)價(jià)、措施制定等步驟，結(jié)合輸電線路的地形特點(diǎn)，初步選定防雷措施，采用層次分析優(yōu)化策略求解各措施權(quán)重，制定綜合防雷措施，基于模糊綜合評(píng)價(jià)法，對(duì)最終措施展開評(píng)價(jià)。由于上述文獻(xiàn)方法無法解決氣象觀測場中高靈敏度弱電設(shè)備較差的過電壓耐受力問題，并不適用于當(dāng)前較為普及的電氣設(shè)備雷電防護(hù)，因此，該文針對(duì)氣象觀測場設(shè)備的電源安全，提出一種雷電防護(hù)措施。通過計(jì)算防雷裝置到受防護(hù)設(shè)備的距離，避免防雷裝置被雷擊電流經(jīng)過后生成高電位，反擊至受防護(hù)設(shè)備；構(gòu)建接地防護(hù)舉措，減小地網(wǎng)電位差異，使各類雷電電流成功泄入大地；應(yīng)用熱鍍鋅鋼材制作地網(wǎng)，提升接地防護(hù)措施的熱穩(wěn)定性、雷電流承受性能、導(dǎo)電性以及耐腐蝕性，最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的有效性。

1 面向電源安全的氣象觀測場相關(guān)分析

氣象觀測場常位于空曠位置的高處，其部分設(shè)備為單獨(dú)矗立的金屬物，比如日照計(jì)[4]、風(fēng)桿等。觀測氣象不受季節(jié)、假日以及天氣狀況等影響，屬于一種持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的過程，因此，為確保氣象觀測場的電源安全，使之能夠不間斷地正常工作，應(yīng)從風(fēng)桿、值班室電磁感應(yīng)以及閃電反擊等多個(gè)角度展開分析，為制定合理、有效的雷電防護(hù)措施奠定基礎(chǔ)。具體分析策略描述如下：

1）風(fēng)桿：位于觀測場風(fēng)桿頂端的風(fēng)向與風(fēng)速傳感器[5]，是較易對(duì)設(shè)備電源安全產(chǎn)生威脅的因素。當(dāng)風(fēng)桿中敷設(shè)數(shù)據(jù)線后無法可靠連接地網(wǎng)時(shí)，假設(shè)引下線單位長度電感與雷擊電流分別為L0、i，通過該引下線的雷擊電流的時(shí)間與波前時(shí)間各是di、dt，接地電阻為R，觀測點(diǎn)與大地間的垂直距離是H，則風(fēng)桿上的風(fēng)速傳感器電位可通過式（1）解得：

2）值班室電磁感應(yīng)：假設(shè)邊長為L的值班室東側(cè)與西側(cè)到觀測場避雷針的距離分別為X1與X2的長度，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律[6]，推導(dǎo)出在忽略電壓方向前提下的開口金屬環(huán)感應(yīng)電勢EM，表達(dá)式如下所示：

式中，M表示互感系數(shù)，其表達(dá)式如下所示：

式中，μ0表示空氣磁介質(zhì)常數(shù)，I與I′分別表示矩形金屬環(huán)的長和寬，l表示閉環(huán)積分線路，Φ為穿過金屬環(huán)的磁通量，如式（4）：

式中，X1表示磁場分布，X2表示電磁感應(yīng)強(qiáng)度。

將X2=L+X1與式（3）合并整理得到下列表達(dá)式：

根據(jù)以上各式，可將感應(yīng)電勢轉(zhuǎn)化為式（6）：

若雷電電磁感應(yīng)電壓與市電220 V 較為接近，則值班室部分并非是導(dǎo)致設(shè)備電源發(fā)生故障的主要因素。

3）閃電反擊：求解防雷裝置到受防護(hù)設(shè)備的距離，以避免防雷裝置被雷擊電流經(jīng)過后生成高電位，反擊至受防護(hù)設(shè)備。根據(jù)圖1 所示的值班室中各設(shè)備方位與接地狀態(tài)，構(gòu)建防雷裝置與受防護(hù)設(shè)備間距計(jì)算公式，如下所示：

圖1 值班室各設(shè)備方位與接地狀態(tài)

式中，ER與EL分別表示電阻電壓和電感電壓的空氣擊穿強(qiáng)度，hx表示防雷裝置的地上高度。

2 該文方法設(shè)計(jì)

以多個(gè)雷電干擾因素分析結(jié)果為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)氣象觀測場設(shè)備雷電防護(hù)措施。由于氣象觀測場受直擊雷與感應(yīng)雷沖擊概率較高，故從接地、直擊雷以及感應(yīng)雷3 個(gè)方面做好電源安全下雷電防護(hù)措施具有一定的必要性，以保證觀測場設(shè)備與業(yè)務(wù)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.1 接地防護(hù)措施

為使各類雷電電流成功泄入大地，降低雷電對(duì)目標(biāo)區(qū)域的危害，該文通過連接防雷地區(qū)、設(shè)備防護(hù)地區(qū)以及工作地區(qū)，建立一個(gè)良好、安全、可靠的接地防護(hù)措施，減小地網(wǎng)電位差異，避免高地位反擊與設(shè)備故障。

將地網(wǎng)呈環(huán)形閉合狀鋪設(shè)于觀測場地外部，以便于施工，采用地網(wǎng)四角與四周中線，牽引場中地線，在深約1 m 的線纜地溝中埋設(shè)水平接地體后夯實(shí)泥土。為有效泄放過電流，設(shè)計(jì)如圖2 所示的地網(wǎng)連接觀測場。

圖2 地網(wǎng)連接觀測場示意圖

根據(jù)圖2 可知，地網(wǎng)連接觀測中包含金屬支架、風(fēng)桿、扶手、數(shù)據(jù)采集箱以及金屬圍欄等設(shè)備。依據(jù)GB50057-2010 建筑物防雷規(guī)范中的相關(guān)要求，選取熱鍍鋅鋼材[7]制作地網(wǎng)，提升接地防護(hù)措施的熱穩(wěn)定性、雷電流承受性能、導(dǎo)電性以及耐腐蝕性。

2.2 直擊雷電防護(hù)措施

在風(fēng)桿頂部安裝已提前固定好引下線的避雷針，令引下線與接地體可靠連接，避免直擊雷的過電流導(dǎo)致設(shè)備發(fā)生故障。其中，避雷針的針體應(yīng)采用20 mm 直徑的銅包圓鋼，利用滾球法[8-9]，如式（8）所示，明確針體高度，確保針尖體承受的最大雷電流沖擊與風(fēng)速分別是143 kA 與58 m/s。

式中，h′表示避雷針高度，r和分別表示滾球半徑與防護(hù)設(shè)備高度。

采用GFW 系列接閃線安裝法[10]與橫截面積不小于25 mm2的304 不銹鋼鋼絞線，按照從上到下的方向沿著風(fēng)桿上層拉線，用含有絕緣子的扎線把鋼絞線按1 m 距離與風(fēng)桿拉線捆扎在一起，用塑料管保護(hù)與地面接近的鋼絞線，構(gòu)建觀測場直擊雷防護(hù)措施，并在抻直的前提下實(shí)現(xiàn)最短距離接地，令桿線接閃器的防護(hù)范圍覆蓋觀測場設(shè)備，避免接閃線與風(fēng)感應(yīng)器間的反擊[11]。避雷針及其針桿的連接選用針線組合形式，防止長時(shí)間被風(fēng)吹，致使避雷針發(fā)生脫落。當(dāng)鋼絞線銹蝕程度大于30%時(shí)，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行替換。

2.3 感應(yīng)雷電防護(hù)措施

感應(yīng)雷電造成設(shè)備故障的原因是經(jīng)電源線與信號(hào)線的電磁或者靜電感應(yīng)發(fā)生耦合反應(yīng)，所生成的短暫高壓脈沖又反擊回氣象觀測場[12]。為避免受感應(yīng)雷沖擊，將浪涌保護(hù)器SPD（Smart Power Distribution）安裝于不同種類的通道入口位置，通過快速下降阻值令雷電流釋放，防護(hù)位于其后的有關(guān)設(shè)備[13]。基于電源安全的浪涌保護(hù)器各組件感應(yīng)雷電防護(hù)措施具體描述如下：

1）電源感應(yīng)雷電防護(hù)：一般情況下，氣象觀測場采用交流或低壓直流的供電形式[14-15]。針對(duì)交流電源形式的觀測場設(shè)備，制定如圖3 所示的雷電防護(hù)措施。

圖3 交流電源感應(yīng)雷電防護(hù)元件

針對(duì)低壓直流電源形式的觀測場設(shè)備，利用單體電源雷電防護(hù)組件，創(chuàng)建出如圖4 所示的雷電防護(hù)措施。

圖4 低壓直流電源感應(yīng)雷電防護(hù)元件

2）RS485 總線感應(yīng)雷電防護(hù)：當(dāng)RS485 進(jìn)行遠(yuǎn)距離電力傳輸時(shí)，雷電擊打與靜電感應(yīng)極易使傳輸線形成過電壓，造成設(shè)備故障，因此，在設(shè)備前端按照?qǐng)D5 所示模式，完成信號(hào)避雷器連接[16]，并將RS485 傳輸線掩埋于地下，防止雷電直擊。

圖5 RS485總線感應(yīng)雷電防護(hù)元件

3）主控板感應(yīng)雷電防護(hù)：作為電源的二級(jí)雷電防護(hù)等級(jí)，主控板雷電防護(hù)元件（見圖6）位于電源雷電防護(hù)元件的正后方。串聯(lián)壓敏電阻和溫度保險(xiǎn)絲后，將其與印制電路板（Printed Circuit Board，PCB）板電源的后方電路并聯(lián)在一起[17]。其中，壓敏電阻選用220KD20 型號(hào)。

圖6 主控板雷電防護(hù)元件

把143 ℃的溫度保險(xiǎn)絲放置于壓敏電阻前端，一旦壓敏電阻達(dá)到一定高溫，就熔斷保險(xiǎn)絲，避免壓敏電阻因長時(shí)間工作造成發(fā)熱、老化以及燃燒。溫度保險(xiǎn)絲與壓敏電阻的安裝模式如圖7 所示，這樣可令保險(xiǎn)絲充分受熱，通過固定熱縮套管，更好地感知壓敏電阻溫度[18]。

圖7 安裝模式圖

3 防護(hù)效果模擬實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

利用AR4105A 型號(hào)的高精度防雷測試儀，監(jiān)測采集某氣象觀測場應(yīng)用雷電防護(hù)措施前三年與后兩年的逐日閃電數(shù)據(jù)。將當(dāng)?shù)貧庀缶职l(fā)布的數(shù)據(jù)與雷電測試系統(tǒng)獲取的數(shù)據(jù)結(jié)果作為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來源，測試不同方法的雷電防護(hù)效果。

3.2 雷電防護(hù)效果分析

表1 為該氣象觀測場2016-2020 年連續(xù)五年雷暴天數(shù)。

表1 某氣象觀測場連續(xù)五年雷暴天數(shù)

根據(jù)統(tǒng)計(jì)的雷擊次數(shù)前后變化可以看出，該文方法通過連接防雷地區(qū)、設(shè)備防護(hù)地區(qū)以及工作地區(qū)，建立了一個(gè)良好、安全、可靠的接地防護(hù)措施，并在風(fēng)桿頂部上安裝已提前固定好引下線的避雷針，令引下線與接地體可靠連接，避免了直擊雷的過電流導(dǎo)致設(shè)備發(fā)生故障，將浪涌保護(hù)器安裝于不同種類的通道入口位置，通過快速下降阻值令雷電流釋放，防護(hù)了位于其后的有關(guān)設(shè)備，故具有良好的雷電防護(hù)有效性，大幅降低了觀測場區(qū)域被雷擊的概率，確保氣象站正常運(yùn)行。

同時(shí)，根據(jù)該氣象觀測場環(huán)境，結(jié)合GB50343-2012 與QX30-2004 防雷技術(shù)規(guī)范以及IEC61312 電磁脈沖防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)分類，該觀測場雷電防護(hù)等級(jí)為一級(jí)，直擊雷防護(hù)等級(jí)為二類，電源線路雷電防護(hù)等級(jí)為三級(jí)，確保滿足觀測場設(shè)備電源安全需求。

為驗(yàn)證防護(hù)措施的可行性，分別采用文獻(xiàn)[2]方法、文獻(xiàn)[3]方法以及該文方法，對(duì)所選觀測場的設(shè)備及其電路展開雷電防護(hù)實(shí)驗(yàn)，所得實(shí)驗(yàn)波形圖如圖8所示。

通過圖8 中波形可以看出，該文方法通過深入分析氣象觀測場的風(fēng)桿、值班室電磁感應(yīng)以及閃電反擊等多個(gè)因素，合理制定了地網(wǎng)、直擊雷避雷針以及浪涌保護(hù)器電源、主控板、RS485 總線等方面更具針對(duì)性的雷電防護(hù)措施，因此，將輸入的電壓信號(hào)可以調(diào)整至相對(duì)理想的電壓水平，確保了設(shè)備及其電路的正常工作，較文獻(xiàn)[2-3]方法更合理、性能更穩(wěn)定。

圖8 設(shè)備及其電路波形圖

4 結(jié)論

氣象事業(yè)飛速進(jìn)步，各類高科技水平的觀測設(shè)備逐漸替代傳統(tǒng)觀測方法?，F(xiàn)代電子設(shè)備普遍存在絕緣強(qiáng)度較低、過電壓耐受能力較差等問題，較易受到雷電影響，日益演變?yōu)闅庀笥^測場雷電防護(hù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。因此，該文面向設(shè)備電源安全，設(shè)計(jì)氣象觀測場雷電防護(hù)措施，提升觀測場的整體雷電防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。氣象觀測場的雷電防護(hù)屬于一種綜合工程，影響因素多種多樣，在今后的工作中應(yīng)充分考量各方面雷電防護(hù)細(xì)節(jié)，確保各環(huán)節(jié)均能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)，從根本上提升防護(hù)效果；應(yīng)分別安裝避雷針與風(fēng)向風(fēng)速傳感器，利用電磁屏蔽避雷針引下線與數(shù)據(jù)線，保證雷電防護(hù)水平；需嘗試結(jié)合嵌入式、物聯(lián)網(wǎng)等各類創(chuàng)新型技術(shù)，爭取早日實(shí)現(xiàn)觀測場雷電防護(hù)措施的可視化，使其更具規(guī)范性。