新型農業(yè)自動氣象站防雷檢測技術要求與設計

黃運忠 江 聰

（江西省全南縣氣象局，江西 贛州 341899）

目前，隨著我國社會經濟的不斷發(fā)展與完善，也伴隨著公共安全方面問題的出現(xiàn)。新時期，公共安全已成為各個領域關注的話題，人類社會的發(fā)展對環(huán)境造成了一定的影響，從而引發(fā)全球氣候變暖等問題，隨之而來的則是洪澇、雷電和暴雨等自然災害的發(fā)生。新型自動氣象站作為氣象觀測的主要手段，依托自身的優(yōu)勢，來監(jiān)測地球環(huán)境與天氣，以此為將來的天氣變化提供有力的參考數(shù)據(jù)。

1.新型農業(yè)自動氣象站簡要概述

新型農業(yè)自動氣象站即針對農業(yè)生態(tài)環(huán)境實時監(jiān)控以及農業(yè)生產相關的環(huán)境監(jiān)測，農田氣象環(huán)境調控等需求設計的一款綜合小型自動氣象監(jiān)測系統(tǒng)。其可以對農作物與植物相關的環(huán)境因素進行信息的采集，比如水分、土壤、熱度和光照等農業(yè)氣象，可以實時監(jiān)測農作物的生產情況，并將監(jiān)測結果與采集到的信息加以分析展現(xiàn)在人們的面前，人們可以及時對農田情況加以掌握，如果農田受某些條件制約而影響其生長情況，人們可以及時采用相關的防范對策。其在農業(yè)研究、標準測量與農業(yè)生產方面被廣泛應用。比如，農業(yè)氣象預報、農業(yè)災害預警等。農業(yè)氣象站有著自身特點，其中包括多樣化傳感介入、高精度數(shù)據(jù)呈現(xiàn)、低耗太陽能模式和大數(shù)據(jù)監(jiān)控平臺等。新型自動氣象站就其自身組成來看，通常由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析等裝置組合而成，在此期間的采集裝置就是人們所說的自動站。一般情況下，自動站可以分為如下幾個部分，包含線路連接、傳感設備、通訊和供電系統(tǒng)等。新型自動氣象站的在具體運轉的過程中，是依靠中央處理器完成對數(shù)據(jù)的采集、分析與執(zhí)行等操作的。

隨著城市化的發(fā)展，新型自動氣象站也迎來了新一輪的市場機遇與挑戰(zhàn)，新型自動氣象站對地形與外部環(huán)境有著較高的要求，需要將其建立在地形相對較高與開闊的區(qū)域，為此采取相應的防雷技術措施變得極為重要。其次，防雷技術可分為雷電波入侵防護與直擊雷兩部分。其中的雷電波入侵即雷擊感應，在云對地面放電以及云層放電同時發(fā)生時，如果受到雷擊會增加半導體的電壓，比如自動氣象站附近的架空線纜或尖端物體遭到雷擊，這時就會產生雷電電磁感應，由此形成的感應過電壓傳遞到自動氣象站，就會對數(shù)據(jù)采集裝置造成直接影響，乃至擊穿線路的絕緣層，破壞系統(tǒng)的傳感裝置，從而導致事故的發(fā)生。而直擊雷是云層和地面之間形成的雷電，觀測裝置被擊中后會損壞自動站的電子設備，導致數(shù)據(jù)收集出現(xiàn)問題，甚至影響數(shù)據(jù)的正常傳輸。為此，必須做好農業(yè)自動氣象站防雷檢測技術，盡可能地降低雷電災害造成的損失幾率。

2.新型農業(yè)自動氣象站綜合防雷工程設計要求及原則

首先，新型農業(yè)自動氣象站綜合防雷工程設計要求必須按照自動氣象站所在地的地質、環(huán)境和氣候等因素以及雷電活動情況，與自動氣象站的特點與要求相聯(lián)系，通過分流、接閃、等電位、屏蔽、電涌保護以及綜合布線等方式，系統(tǒng)性地設計自動氣象站。其次，防雷裝置的架設與安裝不能影響到新型自動氣象站的正常工作，獨立接閃桿不應對地面的溫度與光照輻射造成影響。最后，互相連接的防雷裝置必須使用同一材質，同時嚴格按照防雷規(guī)范與要求，積極開展整體雷電防護工作，堅持層層把關、多級防御的原則。

3.新型農業(yè)自動氣象站雷電入侵的途徑

3.1 高壓電脈沖入侵途徑

如果氣象站周圍有高層建筑物遭到雷擊，靜電感應或者電磁感應則可能對過電壓產生感應，同時借助電源線纜將電流輸送至室內，造成氣象站的傳感器與采集器等設施破壞，甚至有時可能對通信電纜絕緣層破裂區(qū)域產生高電壓，把通信電纜當作傳輸媒介將電流輸送至值班室，嚴重損壞傳感器，此時就會影響氣象站整個觀測系統(tǒng)，致使其出現(xiàn)故障無法正常運行，同時還會造成觀測信息的缺失，對農業(yè)工作者造成極大地損失。

3.2 直擊雷與接地線入侵途徑

對于直擊雷的侵入，一旦其擊中觀測設備，就會損傷氣象站所有電子設施，嚴重影響氣象站氣象要素的收集與上傳。而接地線入侵時，接近地面的新型自動氣象站遭雷襲擊，接近地面的電位在短時間內迅速聚集與增加，從而造成高電位沿著站內接地線進入，導致強電流的電路，極易引發(fā)電路元件燃燒的情況，最終對觀測儀器造成損壞。

4.新型農業(yè)自動氣象站防雷檢測技術要求探析

自從自動氣象站投入使用以來，時常出現(xiàn)計算機、電話機以及儀器等設備受到雷擊的情況。對此，對相關的防雷系統(tǒng)設計提出更高的要求并對其進行檢測是很有必要的。

4.1 外部防雷之接閃器

按照《建筑物防雷設計規(guī)范》的基本要求，對新型自動氣象站所要架設的觀測場地進行相應的防雷設計和技術施工。通過接閃器或接閃桿，利用引下線和地網(wǎng)相連接的方式，真正實現(xiàn)基本防雷設計的標準，同時依靠滾球法來計算接閃器的保護范圍，保證自動氣象站下的電子設備皆受到接閃器的有效保護，以防雷電侵入。自動氣象站下的建筑物有很多，其中包括值班室、機房以及辦公樓，在此范圍內的接閃器都利用避雷帶或者避雷網(wǎng)的方式構成防雷系統(tǒng)?？梢圆捎?2mm的鍍鋅圓鋼材質，支撐卡子可以使用0.15m，兩者最好保持1m左右的距離。針對其它特殊區(qū)域可以使用避雷帶或者避雷網(wǎng)，在此期間則應當沿著容易受到雷擊的位置鋪設。而接閃網(wǎng)的網(wǎng)格要求應小于10m*10m。對于觀測場地的接閃器，相關人員可以依靠風塔安裝避雷針，其長度要求應當在11m左右。

4.2 外部防雷之引下線及接地裝置

新型自動氣象站中的每個設備皆須用引下線和地網(wǎng)相連。同時，要求引下線的數(shù)目在2至3根。其次，則是接地裝置。新型自動氣象站使用的防雷接地技術，主要為單點接地和共用地網(wǎng)接地等方法，其對接地電阻也有相關的要求，其接地電阻必須在4Ω以內。此外，還需要保證接地引線長度與截面面積，要求其必須符合相關規(guī)范要求。

4.3 內部防雷之等電位連接

首先，需采用25mm*4mm的鍍鋅扁鋼，將傳感器、自動氣象站、接地裝置和百葉箱等向連接，自動氣象站觀測場地的金屬欄桿要與接地裝置焊接。接著，需采用5*5m的網(wǎng)狀接地裝置對觀測場地的地面進行電位壓處理。此外，每隔2個風塔在其中間鋪設1*1m的接地裝置，同時與跨步電壓地網(wǎng)相聯(lián)系，從而搭建一個閉合環(huán)路的系統(tǒng)。另外，還需對共用接地網(wǎng)與衛(wèi)星、太陽能板等金屬物進行等電位連接。

4.4 內部防雷之屏蔽與浪涌保護器的安裝

首先，可以沿著供電室引出一條電纜，利用布設的鋼管進行埋入，做好屏蔽處理工作。除此之外，還需要在防雷保護區(qū)域內連接等電位且與防雷接地裝置相聯(lián)系。接著，則是對浪涌保護器的安裝。自動氣象站的通信機房和配電箱都需要進行浪涌保護器的安裝，而與網(wǎng)絡相關的調制解調器，可以在其前方安裝RJ11接口的保護器，在計算機網(wǎng)絡設備附近安裝RJ45接口的保護器。在此過程中，要求浪涌保護器的電壓要大于1.5Uc，響應時間大于10s。數(shù)據(jù)采集器上面一般包括RS458的通信接口，應當安裝與之相適合規(guī)格的保護器。

5.新型農業(yè)自動氣象站防雷設計策略

5.1 預防雷電波侵入

在雷電放電時會產生很強的電磁場，同時，在如此極端的天氣條件下電動勢會直接進入氣象站，此時相關人員可以采取相關有效的措施保護氣象站遭雷擊，比如，相關人員可以安裝電涌保護器，讓電源線通過并聯(lián)的方式把雷電產生的電流引到地面，同時還需要避免雷電流對電源線造成損壞。其次，要想保證保護器可以在暴雨等極端天氣下正常穩(wěn)定的運轉，可以采取三級保護。一級則是把保護器加裝在建筑物主配電開關的電源線上，在雷電期間及早切斷電源。二級即將保護器布置在機房開關的控制區(qū)域，起到直接保護作用。三級則是把保護器放置在設施的電源插座部分，通過中斷用電來對電源線路實施保護，一旦保護電源線中斷且沒有雷電前兩個保護級別，此時的自動氣象站終端就額可以預防雷電破壞氣象站。如果導體被雷電襲擊產生強電流波，那么被雷擊中的中心部位點會把強電流輸送至導體的兩端。而電流波利用線路侵入這一途徑進入氣象站，對設備與儀器造成損壞，對觀測工作造成嚴重的影響。在此，可以采取強化氣象站機房保護相關措施，同時應保證地板的抗靜電作用，防止由靜電導致雷擊事故。此外，還可以在靜電地板之下設置通電的閉合電位連接網(wǎng)或者連接帶，同時按照對角線加裝接地母線，要求其和接地網(wǎng)建立雙向連接，用來觀察雷電感應，消除氣象站的觀測場地和機房的電位差。

5.2 預防直擊雷

新型自動氣象站的場室通常由兩部分組成，分別為工作室與室外觀測場。尤其是我國北方的夏季，雷雨天氣最為常見，是一種嚴重強對流的氣候。一旦出現(xiàn)雷雨天氣，天空中就會產生更多的烏云，而這些烏云皆是大氣層中的帶電云。在帶電云和地面低距離的事物發(fā)生碰撞時，比如，在地面上的高層建筑物，則會產生較強的放電現(xiàn)象，此時強電流亦有可能產生更加強大的熱效應，更有甚者會在金屬物表面產生機械的力量。針對帶電云造成的巨大破壞性，比如氣象站這一建筑物，更需要強化防雷技術的保護。一般情況下，氣象站的雷電預防皆以室外風桿為主，在此過程中，要想真正實現(xiàn)自動氣象站的防護功能，最直接的辦法則是架設接閃桿，通常有兩種方式對接閃桿進行架設。首先，把獨立接閃桿架設在觀測場地外，同時，利用滾球方法對架設接閃桿的高度進行精確的計算。在架設期間，最值得注意的一點則是保持風傳感器系統(tǒng)與接閃桿之間的安全距離，兩者間的距離是最重要的，如果距離控制不好就會造成相互干擾的情況，不利于氣象站的防雷作用。接著，如果此方法不可行，便可以直接把接閃桿架設在風傳感器的金屬架上面，且還需利用滾球方法來測量接閃桿的架設高度。在架設接閃桿的過程中，倘若受到場地這一基礎條件的制約，則需要充分考慮風傳感器和接閃桿兩者的間距，相關人員應及時地做出改進。比如，還可以使用避雷針。

另外，因部分自動氣象站皆處于室外，受雷電影響較為頻繁，極有可能對氣象站的設備造成不同程度的損壞。對此，相關人員需要結合實際情況，想盡一切辦法，綜合采取多種防雷措施，實現(xiàn)最大限度的安全防雷目標。其中等電位連接是首先要做的，即需要在共同的地面上方建立聯(lián)合操作關系，有效避免各個自動氣象站的設備遭雷襲擊。然后，還需要在設備安裝室里面架設金屬框架門窗與鋼條等，建立一個趨于完整的屏蔽系統(tǒng)。接著，相關人員可以采用內置電纜，從而保證防雷設計的有效性。

5.3 接地網(wǎng)的制作

接地處理即分流雷電電磁干擾與直擊雷的最為行之有效的策略之一，也是均衡電位補償系統(tǒng)的基礎。其主要是為了雷電流經過低阻抗接地系統(tǒng)，從而向大地瀉放，以此保護人員、設施的安全。此方式是防雷設計中的一項必要手段，同時，接地的作用直接影響著防雷系統(tǒng)的總體防護成效，接地處理是否良好最終影響其防護質量。一般情況下，新型自動氣象站多采取水平接地與垂直接地的方法進行接地處理，在氣象站的防雷設計過程中，接地地網(wǎng)的電阻范圍應適當放寬，但仍需注意的是使用多種環(huán)形的物體進行接地處理，且采用多根支線進行延伸接地處理。在此期間，延伸接地的長度應當大于接地網(wǎng)的長度，以拓展電流經過范圍。除此之外，針對接地方面的處理還可以通過土壤交換的方式達到相同的目的，即在實踐中可以在接地物體周邊的土壤中，摻入適量的木炭與煤渣等，利用這些物質可以有效降低土壤本身的電阻率，從而真正起到保護作用。

5.4 加強防雷裝置的管理和維護工作

針對新型自動氣象站的場地與室內的防雷裝置，相關部門應當定期安排專人負責防雷裝置管理與維護相關的工作。比如，某單位可以派遣一位員工到各個農業(yè)氣象站對防雷裝置進行相應的檢測，并且嚴格按照施工圖紙、裝置參數(shù)、使用年限等基本標準與要求，使用相關儀器進行檢測，并對裝置進行維護與保養(yǎng)。防雷裝置由于長時間暴露于室外，容易受各種極端天氣的影響，如果不及時做好保養(yǎng)、維護工作，則會影響防雷裝置的功能且縮短其使用壽命。同時，還需要對防雷裝置的安裝、配線以及設計等資料、圖紙進行及時的保存與歸檔。此外，相關人員需要對每年雷雨季節(jié)氣象站的防雷裝置進行檢測與評估，并且制作評估報告，利用大小會議對防雷裝置進行分析，比如周會，將其納入月度報告會議中，以此引起人員的重視，并且每年制作的檢測報告必須完整的保存起來，倘若有需要改進的地方，則必須及早制定改進策略，付諸于實踐，以消除安全隱患。

6.結束語

綜上所述，在我國農業(yè)氣象產業(yè)不斷發(fā)展的背景下，自動氣象站大力引入防雷技術。但是，因天氣不確定性因素的影響和人類無法控制等特點，防雷檢測技術與方法只提高了防雷保護參數(shù)，并不能確保氣象站遭受雷擊的威脅。要想提升防雷成效，就必須強化防雷設備、裝置等的維護管理工作，并且還需要依托新時期科學技術的力量，使氣象站的防雷檢測技術充分發(fā)揮其自身的作用，提升新型氣象站運行質量。