自动气象站防雷击电磁脉冲设计

摘要：本文的防雷击电磁脉冲的设计是针对观测场和值班室进行的，并且涵盖了接闪、引下、接地、等电位、电涌保护和屏蔽措施，以为观测站的安全可靠运行提供有力的保障，也对类似的自动气象站的雷电防护有一定的参考价值。

关键词： 雷电防护 电磁脉冲 自动气象站

中图分类号：S761.5 文献标识码：A 文章编号：

引言

雷击电磁脉冲的存在使得雷电受灾面积大大扩大，并且使雷电从二维空间入侵变为三维空间入侵，而这种现象的出现是由于微电子器件的广泛使用。实际上在自动气象站中遭直击雷的可能性还是小的，而雷电波入侵以及雷击电磁脉冲对观测场和值班室的影响是很大的。自动气象站中大量的仪器设备都是以微电子技术为基础的电子信息设备，使得雷击电磁脉冲的危害尤为突出，所以需从以下几个方面采取措施进行防护设计。

一、等电位连接和共用接地的设计

等电位连接是将分开的导电装置用等电位连接导体或电涌保护器连接，以减小金属构件和设备之间或设备与设备之间因雷击产生电位差。为了更好的实施等电位连接设计，首先应进行地网的设计。

观测场地网沿围栏四周敷设成环形闭合接地网，并从地网四角及每条边的中间处引入观测场内，观测场内的地网直接和线缆地沟重合敷设，接地体敷设在线缆地沟的底部，离地面1m，安装完后填土夯实。接地体用40×4mm的镀锌扁钢，为了降低接地电阻，可用长度为2.5m，直径为50mm，壁厚不小于3.5mm的镀锌钢管或50×50×5mm的角钢作为垂直接地体，间隔距离为3-5m打入地下，并与水平接地极可靠焊接，接地网离地面的深度为1m，

整个地网的接地电阻值应小于4Ω。

观测场地网的接地电阻可近视用公式：R=0.5ρ/√A，其中ρ是土壤电阻率，A是地网的面积，取ρ=44.2Ω·m，A=81.2×45m2，代入计算得：

R=0.52Ω，符合要求，不需要外加接地体。

值班室可以直接利用它的基础钢筋作为接地网，也应在适当的位置预留接地端子。移动观测站的地网采用环形接地体。

实施等电位连接设计时，将观测场中的所有设备金属外壳，如百叶箱支架、雨量器、小型蒸发皿、辐射测量仪、气候塔、自动气象站金属转接盒等金属外壳，大型金属构件（如围栏）就近用截面大于10mm的多股铜导线或3mm×40mm的铜带与接地网连接，如图6。

图6 观测场地网和等电位连接设计图

值班室中的设备金属外壳，金属构件和金属管道也要就近与接地汇流排相连，如图7，并且所有进入值班室的各种电缆金属外壳和金属管线在入户处要和接地装置作等电位连接。由于值班室和观测场之间的距离达不到安全距离时（实际距离约为8.5m，小于20m），为了减小在它们之间产生电位差，应将观测场地网和值班室地网用40mm×4mm的镀锌扁钢进行可靠焊接，以实现等电位连接的共用接地系统。

图7 值班室的等电位连接示意图

二、屏蔽措施

屏蔽是减少电磁干扰的基本措施。屏蔽的基本机理是将电磁波进行吸收、反射和多次反射以达到衰减的目的。屏蔽的目的是防止外来电磁干扰以及内部的电磁泄漏。雷电电磁脉冲对测站的危害可以直接侵入值班室，在值班室中的闭合导线回路中感应出干扰电流，也可以通过室外的各种导线耦合到线路中，再危及微电子设备。为了减少感应效应宜采用以下措施：外部屏蔽措施、线路敷设于合适的路径、线路屏蔽。这些措施宜联合使用。

实际在对该观测站实施屏蔽措施时，从下面三个方面实施。

第一，利用气象站业务系统和装备所在值班室钢筋混凝土结构中的金属构件构成格栅形的大空间屏蔽。为了改善房间的屏蔽效果，在金属门窗上分别加装金属网并与门窗框进行电气连接，这样便构成了一个完整的屏蔽笼，该屏蔽笼在结构上虽然是稀疏的，但它毕竟可以构成对电磁脉冲辐射的初级屏蔽。对雷击电磁场敏感程度较高的设备放置在LPZ2或LPZ3区内，不宜设置在靠近建筑物外墙结构柱。

第二，对于值班室中非常重要的微电子设备，为了防止雷击电磁脉冲造成的误操作、假性摔坏以及永久性摔坏，需要对它作设备的屏蔽，屏蔽体采用金属柜，金属柜要和值班室的接地系统良好的连接。

第三，就是对引入值班室的线路进行屏蔽，如果采用的是屏蔽电缆，其金属屏蔽层应在电缆的两端以及穿过雷电防护区交界处做等电位连接，电缆连接器要进行屏蔽处理。如果用非屏蔽电缆，在入户前要穿钢管并埋入地中并且埋入地中的距离大于10m。

尤其要注意观测场和值班室之间的数据传输线路的屏蔽措施，因为如果没有屏蔽措施，雷击电磁脉冲产生的过电压容易对计算机设备的端口造成破坏，所以应用壁厚为4mm的铁质钢管穿数据传输线进行敷设，如图8所示，在施工中应注意，如下技术要求：①要保证金属管管身完整，不能存在缝隙，尤其是纵向的缝隙；②金属管两端和设备的金属外壳要衔接紧密；③金属管要和观测场、值班室中的防雷装置就近连接。

图8 观测场与值班室之间的数据传输线路的屏蔽

结论

本文的防雷击电磁脉冲的设计是针对观测场和值班室进行的，依据《建筑防雷设计规范》GB50057-94，《气象台（站）防雷技术规范》QX4-2000，《气象信息系统雷击电磁脉冲防护规范》QX3-2000，和《自动气象站场室的防雷技术规范》QX-T-30-2004，并结合实际，提出了防雷电电磁脉冲的设计。防雷电电磁脉冲的设计包括观测场和值班室的地网设计、等电位连接，以及观测场与值班室之间的线路的屏蔽。通过这些措施可以为该自动站的安全运行提供保障。

参考文献

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[5] 建筑防雷设计规范，GB50057-94[S].

[6]气象台（站）防雷技术规范.QX4-2000[S].

[7]气象信息系统雷击电磁脉冲防护技术规范，QX3-2000[s].