防雷關(guān)鍵技術(shù)在自動(dòng)氣象站系統(tǒng)中的運(yùn)用探討

李振山

（烏蘭浩特市氣象局，內(nèi)蒙古 烏蘭浩特 137400）

由于經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展和社會(huì)的快速進(jìn)步，自然災(zāi)害預(yù)警在氣象部門突發(fā)公共安全事件決策中發(fā)揮著十分重要的作用。作為氣象部門的基礎(chǔ)業(yè)務(wù)和日常工作生命線，通過自動(dòng)氣象站可獲取到高準(zhǔn)確度的氣象觀測(cè)資料，再加上業(yè)務(wù)成本低和觀測(cè)時(shí)空密度大，使得自動(dòng)氣象站在各級(jí)氣象部門得到了廣泛應(yīng)用，進(jìn)一步增強(qiáng)了氣象觀測(cè)質(zhì)量，對(duì)災(zāi)害性天氣預(yù)測(cè)的精確度水平也得到了大幅度增強(qiáng)。因?yàn)橛^測(cè)氣象需要周邊空曠，且地勢(shì)比較高，因此氣象站的儀器大部分都在室外，發(fā)生雷雨等災(zāi)害天氣容易遭受雷擊影響，有些儀器精密度很高，所以更易受損。如果防雷措施沒有做好，帶來的后果就是財(cái)產(chǎn)損失，延誤預(yù)報(bào)工作，如果雷電波借助于導(dǎo)線入侵到室內(nèi)，甚至?xí)?duì)室內(nèi)人員構(gòu)成人身安全的威脅。所以，相關(guān)人員要全面掌握雷電影響的種類，并做好自動(dòng)氣象站內(nèi)各方面的防雷措施。

1 自動(dòng)氣象站系統(tǒng)組成及工作原理

對(duì)于自動(dòng)氣象站來說，其系統(tǒng)都是由兩部分構(gòu)成，分別是自動(dòng)站數(shù)據(jù)采集器設(shè)備和數(shù)據(jù)接收處理中心。自動(dòng)站數(shù)據(jù)采集設(shè)備包含了傳感器、數(shù)據(jù)采集器、連接電纜、通訊及供電單元五部分。自動(dòng)氣象站在控制和采集器氣象要素?cái)?shù)據(jù)的過程中主要借助于微處理器。隨著各個(gè)氣象要素的變化，對(duì)應(yīng)不同種類的氣象要素傳感器輸出的電量也會(huì)發(fā)生改變，這種變化是因采集器對(duì)氣象要素進(jìn)行采集，之后開展線性化和定標(biāo)處理，確保工程量轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的氣象要素，并對(duì)采集的氣象要素?cái)?shù)據(jù)開展質(zhì)量控制；儀器在進(jìn)行初步處理流程之后就可以顯示出最新的氣象變化要素，通過傳輸線傳到計(jì)算機(jī)供人工收集。

2 自動(dòng)氣象站雷電入侵途徑

2.1 直擊雷

雷電直接擊中建筑物或地面上的相關(guān)設(shè)備稱之為直擊雷。直擊雷的破壞力巨大，若是雷電擊中自動(dòng)氣象站中的觀測(cè)儀器設(shè)備，短時(shí)間內(nèi)將會(huì)有強(qiáng)大的電壓產(chǎn)生，同時(shí)會(huì)出現(xiàn)火花放電，之后就會(huì)瞬間爆發(fā)很大的熱能量，產(chǎn)生爆炸或者是著火而毀壞自動(dòng)氣象站。

2.2 雷電波侵入

在出現(xiàn)雷雨天氣時(shí)，一旦導(dǎo)體遭到雷擊，此時(shí)會(huì)產(chǎn)生巨大的電壓波和電流波，且從雷擊點(diǎn)不斷傳播到導(dǎo)體兩端。因此，盡快雷電沒有直接擊中自動(dòng)氣象站中的相關(guān)儀器設(shè)備，若是與臺(tái)站相連的導(dǎo)體，如電源線和信號(hào)線被雷電擊中，雷電波會(huì)借助于耦合的方式傳輸?shù)脚_(tái)站觀測(cè)儀器設(shè)備上，進(jìn)而損壞儀器設(shè)備安全。[1]

2.3 雷電電磁感應(yīng)

在雷擊放電中，強(qiáng)力的電壓和電流會(huì)產(chǎn)生普通物體無法承受的磁場，導(dǎo)體感應(yīng)到大電動(dòng)勢(shì)就是在電磁場中。一旦該導(dǎo)體同自動(dòng)氣象設(shè)備進(jìn)行連接，因電動(dòng)勢(shì)強(qiáng)度較大，會(huì)借助于導(dǎo)體朝著觀測(cè)儀器設(shè)備上進(jìn)行傳輸，進(jìn)而損壞自動(dòng)站相關(guān)設(shè)備安全。

2.4 地電位反擊

倘若自動(dòng)氣象站內(nèi)鋪設(shè)的防雷地下網(wǎng)路沒有按照標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行，且在接地電阻值過大時(shí)，很難保證雷電流在短時(shí)間內(nèi)泄放進(jìn)入大地。若是出現(xiàn)雷擊，雷擊周圍會(huì)堆積有強(qiáng)大的電荷，電位發(fā)生波動(dòng)的時(shí)候，很可能就會(huì)產(chǎn)生高壓，從而損壞機(jī)器，進(jìn)而造成設(shè)備受損，影響自動(dòng)氣象站正常運(yùn)行。

3 自動(dòng)氣象站系統(tǒng)中的防雷關(guān)鍵技術(shù)

3.1 信號(hào)線路防雷

通常情況下，自動(dòng)觀測(cè)儀器設(shè)備在運(yùn)行過程中主要選擇了50Hz、220±22V 交流電，且這種設(shè)備用電是從配電盤中連接專線進(jìn)行供電，應(yīng)避免同其他用電混合使用。為了確保自動(dòng)氣象站電源線安全，應(yīng)將三級(jí)防雷保護(hù)工作做好，可在配電房進(jìn)線總開關(guān)處安裝浪涌保護(hù)器，且該浪涌保護(hù)器的型號(hào)是380V、通流量為60kA（8/20μs），將其作為第一級(jí)防護(hù)；在值班室總配電開關(guān)處布設(shè)同第一級(jí)防護(hù)型號(hào)相同的浪涌保護(hù)器，將其作為第二級(jí)感應(yīng)雷電防護(hù)。對(duì)于從配電房引入到值班室內(nèi)的電源線，需要選擇金屬管進(jìn)行保護(hù)，還要沿著電纜溝將埋地敷設(shè)工作做好，配電房保護(hù)與金屬管道首末兩端需將接地屏蔽工作做好。在自動(dòng)站UPS前端安裝浪涌保護(hù)器，其型號(hào)是220V、通流量為20kA（8/20μs），將其作為第三級(jí)感應(yīng)雷防護(hù)。

需要引起注意的是，從自動(dòng)站UPS 短輸出的電路包含了兩路，分別是給自動(dòng)站供電器供電、打印機(jī)或計(jì)算機(jī)供電。

另外，電源輸出時(shí)也有兩條線路，分別是室外風(fēng)電傳感器專用的交流電、室內(nèi)繼電器專用直流電，為了確保這些電源線路的安全，應(yīng)將電源線的感應(yīng)雷防護(hù)工作做好，還要關(guān)注風(fēng)傳感器電源線的金屬管屏蔽工作，可沿著自動(dòng)站電纜溝對(duì)金屬管直接敷設(shè)，同時(shí)還要將金屬管首尾兩端的接地工作做好。[2]

3.2 供電線路防雷關(guān)鍵技術(shù)

由于供電系統(tǒng)的線路較長，在雷雨天氣出現(xiàn)時(shí)，遭受雷擊或雷電電磁感應(yīng)的概率較高，很容易引入雷電波，室內(nèi)的人員和財(cái)產(chǎn)都面臨著雷擊風(fēng)險(xiǎn)。因此，臺(tái)站工作人員應(yīng)重視起雷電波防護(hù)工作。尤其是商業(yè)配電柜供電線路中的低壓，若是V 型負(fù)荷電纜不能準(zhǔn)確埋入地下，可優(yōu)先選擇護(hù)套電纜，并沿著電纜溝把保護(hù)套套在管子上然后埋入地下就行，這個(gè)過程中也要注意電纜的安裝要在電線的連接處。另外，應(yīng)將金屬橫擔(dān)、電桿拉線和電涌保護(hù)器同接地裝置進(jìn)行有效連接。若是線纜直接選用架空方式連接，可將電涌保護(hù)器布設(shè)在商務(wù)樓配電柜內(nèi)部，同商務(wù)樓的兩根基極金屬橫桿需做好接地工作。若是低壓線路是從配電盤引入觀測(cè)點(diǎn)附近，可選擇V 型線纜或者是穿鋼管引入后直接埋地。若是值班室同觀測(cè)點(diǎn)之間有較遠(yuǎn)的距離，需在引入處直接安裝緩動(dòng)式浪涌保護(hù)器。與此同時(shí)，將浪涌保護(hù)器分別與鋼管兩端、電纜金屬皮進(jìn)行有效連接。若是低壓線路同商業(yè)建筑觀測(cè)場地的距離較遠(yuǎn)，且鉑載電纜不能全部埋入地下，可選擇護(hù)套電纜或?qū)K載電纜穿鋼管或護(hù)套電纜引入。將接地裝置分別與電纜金屬外皮、浪涌保護(hù)器、拉線、電桿金屬橫擔(dān)、鋼管端頭進(jìn)行有效連接。

為了避免雷擊不會(huì)侵害到供電線路，可以相應(yīng)的改變一下接地方式，比如中性點(diǎn)非有效接地可以作為防雷系統(tǒng)的基礎(chǔ)，這樣的接地方式也能應(yīng)對(duì)雷電，還可以避免就地故障，還能防止短路和跳閘等方面的問題出現(xiàn)。在面對(duì)二相或三相落雷時(shí)，該方法避雷的作用也較為明顯?？蛇x擇對(duì)地閃絡(luò)的一相作為避雷線使用，將雷擊對(duì)線路和設(shè)備的危害降到最低，進(jìn)一步增強(qiáng)分流及耦合作用，使得雷擊出現(xiàn)的閃絡(luò)相電壓大幅度減少，確保線路的避雷和耐雷能力有效增強(qiáng)。

3.3 氣象信號(hào)線防雷關(guān)鍵技術(shù)

實(shí)際上，自動(dòng)氣象站中的風(fēng)向風(fēng)速、降水量和濕度傳感器等主要借助于各種信號(hào)傳輸線對(duì)氣象要素變化信號(hào)進(jìn)行采集，且這些信號(hào)傳輸線主要在室外專用信號(hào)機(jī)的信號(hào)1 和信號(hào)2 中進(jìn)行組裝，而在觀測(cè)場則是L 箱所在位置。風(fēng)向、風(fēng)速、濕度、風(fēng)向等氣象信號(hào)主要利用這兩條專用線路進(jìn)行連接和采集。對(duì)于集電極接口電路來說，其抗感應(yīng)雷擊功能較為強(qiáng)大，可防止因長信號(hào)電纜引發(fā)的雷擊受損或電磁干擾。在遙測(cè)信號(hào)電纜入口處并不用對(duì)信號(hào)浪涌保護(hù)器進(jìn)行安裝。但為了保證信號(hào)箱有良好的接地，需要保證觀測(cè)場與信號(hào)箱的地網(wǎng)可以牢固連接。另外，對(duì)于信號(hào)1 和信號(hào)2 傳輸線來說，應(yīng)選擇金屬槽進(jìn)行屏蔽，金屬槽型號(hào)主要是100mm×50mm，在敷設(shè)中應(yīng)沿著自動(dòng)電纜槽四周進(jìn)行，電纜槽尺寸以500m×400mm 規(guī)格為主。為了確保設(shè)備接地的可靠性水平，應(yīng)將金屬線槽的一端同觀測(cè)場網(wǎng)進(jìn)行有效連接，另一端則要同值班室入口處的工作場網(wǎng)進(jìn)行連接。應(yīng)保證兩端接地的可靠性水平，在降低沿著遙測(cè)信號(hào)線入侵雷電波的同時(shí)，還可以控制電壓幅度，使其始終位于集電極接口電路允許范圍內(nèi)，保證設(shè)備接地的可靠性和運(yùn)行安全。另外，為了規(guī)避雨水和老鼠的侵入，可從風(fēng)桿內(nèi)部引入數(shù)據(jù)線到電纜溝，確保氣象信號(hào)線安全。[3]

3.4 值班室防雷關(guān)鍵技術(shù)

對(duì)于值班室內(nèi)的等電位連接銅排來說，應(yīng)選擇科學(xué)方法進(jìn)行布設(shè)。通常情況下，應(yīng)將距離地面的高度控制在1.5m 左右，選擇一根引下線將其與銅排進(jìn)行有效焊接，而且在值班室地下的防雷地網(wǎng)同樣有標(biāo)準(zhǔn)要求，應(yīng)妥善連接，將電阻值控制在3Ω 以內(nèi)。另外，對(duì)于值班室內(nèi)的所有電源插座均要將接地工作做好，設(shè)備內(nèi)部有金屬類材料的話可增加6mm2的軟銅芯線，使其同匯流銅排進(jìn)行有效連接。該部分的防雷需要獨(dú)立施工，值班室地下的防雷網(wǎng)路和外邊的觀測(cè)場要分開進(jìn)行施工，在同標(biāo)準(zhǔn)要求相符后，需做好等電位連接工作，且接地點(diǎn)數(shù)量至少有兩處，管道的兩個(gè)端口與室內(nèi)室外都進(jìn)行可靠連接。

3.5 智能監(jiān)管預(yù)警系統(tǒng)防雷關(guān)鍵技術(shù)

自動(dòng)氣象站內(nèi)所安裝的防雷措施主要是借助于浪涌保護(hù)器來監(jiān)測(cè)遙信端口，防雷系統(tǒng)會(huì)通過端口用自身的設(shè)定程序來采集信號(hào)，如果正在采集信號(hào)的流程中出現(xiàn)了斷開信號(hào)的狀況，智能監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)會(huì)發(fā)出報(bào)警提示。空氣開關(guān)檢測(cè)也在智能監(jiān)管預(yù)警系統(tǒng)中包含著，可時(shí)監(jiān)測(cè)空氣開關(guān)閉合及斷開狀態(tài)，若是出現(xiàn)雷電天氣，會(huì)智能地?cái)嚅_空氣開關(guān)，系統(tǒng)可第一時(shí)間發(fā)布報(bào)警提示，技術(shù)人員就有了足夠的時(shí)間來進(jìn)行應(yīng)對(duì)。雷擊技術(shù)監(jiān)測(cè)的主要組成部分有信號(hào)處理電路、電磁技術(shù)器、電流感應(yīng)器件等，而電流感應(yīng)器件在浪涌保護(hù)器接地線的作用可以感應(yīng)到電流信號(hào)，之后通過限幅、整流、濾波等一系列環(huán)節(jié)后，驅(qū)動(dòng)電磁計(jì)數(shù)器對(duì)雷電次數(shù)進(jìn)行記錄，若是受損，系統(tǒng)會(huì)及時(shí)報(bào)警。

4 自動(dòng)氣象站系統(tǒng)防雷設(shè)施維護(hù)

實(shí)際上，防雷設(shè)施建設(shè)完成后并不是置之不管，隨著使用時(shí)間的延長，已經(jīng)安裝好的防雷設(shè)施會(huì)逐漸老化，再加上人為破壞或動(dòng)物撕咬，會(huì)使防雷效果大打折扣，很難確保觀測(cè)儀器設(shè)備安全。因此，做好防雷設(shè)施日常維護(hù)顯得極其重要。

4.1 加強(qiáng)防雷設(shè)施日常巡視

在日常工作中，需要技術(shù)人員定期巡視自動(dòng)氣象站防雷設(shè)施，主要檢查防雷設(shè)施外觀是否有明顯變化或破損，一旦發(fā)現(xiàn)異常情況，應(yīng)第一時(shí)間邀請(qǐng)專業(yè)防雷人員進(jìn)行檢測(cè)，并及時(shí)整改或更換已經(jīng)損壞的防雷設(shè)施，避免出現(xiàn)空檔，為氣象探測(cè)設(shè)備保駕護(hù)航。

4.2 避免人為或動(dòng)物損壞

對(duì)于臺(tái)站內(nèi)的工作人員來說，要清楚防雷設(shè)施性能和安裝位置，全面掌握防雷設(shè)施功能和日常維護(hù)辦法，避免損壞防雷設(shè)施。若是兄弟單位部門進(jìn)行參觀，要事先講明相關(guān)紀(jì)律，提前規(guī)劃行走路線和注意事項(xiàng)。若是臺(tái)站內(nèi)有施工建設(shè)工作，需標(biāo)記好隱蔽位置的防雷設(shè)施，并向施工人員詳細(xì)說明，防止因施工不當(dāng)而損壞防雷設(shè)施。禁止寵物和野生動(dòng)物進(jìn)入臺(tái)站內(nèi)，同時(shí)還要對(duì)老鼠蟲蟻定期進(jìn)行查收，避免其咬壞防雷設(shè)施。

4.3 定期進(jìn)行防雷檢測(cè)

實(shí)際上，自然老化、人為損壞或動(dòng)物蟲蟻均會(huì)對(duì)防雷效果產(chǎn)生影響，一旦發(fā)現(xiàn)要及時(shí)整改，若是防雷設(shè)施位置較為隱蔽和已經(jīng)受損的防雷產(chǎn)品，單純通過工作人員的肉眼觀察是很難發(fā)現(xiàn)的。因此，每年需定期對(duì)臺(tái)站防雷設(shè)施進(jìn)行檢測(cè)，可邀請(qǐng)專業(yè)防雷檢測(cè)機(jī)構(gòu)選擇專門設(shè)備檢查防雷設(shè)施，最好是在每年雷雨季節(jié)到來前檢測(cè)，若是發(fā)現(xiàn)防雷問題需及時(shí)整改，始終確保防雷設(shè)施的合格性水平，促進(jìn)臺(tái)站觀測(cè)設(shè)備可以持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。[4]

5 結(jié)論

綜上所述，對(duì)防雷設(shè)施進(jìn)行科學(xué)合理布設(shè)對(duì)于確保自動(dòng)氣象站持續(xù)運(yùn)行極為重要，為了將防雷設(shè)施的防雷作用充分發(fā)揮出來，在臺(tái)站建設(shè)之初就應(yīng)根據(jù)防雷設(shè)計(jì)要求，做好防雷和土建工程的同步施工、驗(yàn)收和投入使用。在臺(tái)站建設(shè)完成后，除了將觀測(cè)儀器設(shè)備日常維護(hù)保養(yǎng)工作做好外，還要加強(qiáng)防雷設(shè)施日常巡視，定期做好防雷檢測(cè)、避免人為和動(dòng)物因素?fù)p壞防雷設(shè)施，進(jìn)一步增強(qiáng)臺(tái)站防雷減災(zāi)能力，為氣象現(xiàn)代化工作的順利開展保駕護(hù)航。