浅析自动气象站场室防雷技术的设计要求

摘要：随着科学技术的高速发展，计算机网络得到迅速普及，气象探测手段也得到了更新，各基层气象台站普遍装配了各类型号的自动站。本文通过分析雷电入侵的途径，对自动气象站场室的建筑设施和仪器设备的防雷问题进行综合分析，并提出了自动气象站场室的防雷技术要求。

关键词：自动站；防雷；技术；设计要求

Abstract: with the rapid development of science and technology, computer network rapid popularization, meteorological observation method has been updated, the grassroots meteorological offices and stations is generally equipped with various models of automatic station. Based on the analysis of lightning invasion pathways, of automatic meteorological station room building lightning protection facilities and equipment for comprehensive analysis, and put forward the automatic weather station lightning protection technology requirements of the chamber.

Key words: automatic station; Lightning protection; Technology; The design requirements

中图分类号：P415.12文献标识码：A文章编号：2095-2104(2013)

引言

按照中国气象局的统一要求，随着气象服务领域向着更广领域的拓展，全国的大气监测自动化进程已近尾声。自动气象站专门用于气象数据的自动采集、计算处理和存贮的设备，利用各个气象要素在传感器的变化，使得相应的传感器输出的电量产生变化，这种变化由数据采集器所采集，经预处理后传入计算机数据处理，应用于我们的天气预报预测，所以在天气预报制作中，预报准确率的高低，自动气象站的资料准确性已经起到了决定性的作用。自动气象站系统作为微电子系统，又多分布于空矿远离城市的郊区，传感器分别位于不同的防雷区，显然防雷至关重要。目前，全国大都建成了自动气象站，现已投入正常的业务运行。无疑对综合防雷提出更高的要求。因此，对自动气象站场室的防雷技术设计要求进行研究探讨是十分必要的。

一、雷电高电位引入自动气象站的途径以及损坏原因1.自动气象站雷电高电位引入的主要途径有

（1）直击雷击直接击中架空线缆，让高压雷电以波的形式沿着导线两边传播而引入室内。

(2)静电感应或电磁感应，感应出过电压，通过线缆引入室内。

2.仪器设备被雷击损坏的原因

(1)雷电产生强加热效应和电动力作用使被击物体损坏。

(2)由于静电感应和电磁感应作用，使导体产生火花，引起爆炸或灾害。

(3)由于闪电或静电释放引起的电位瞬变，通过上述几种途径侵入到网络系统中。

(4)接地技术或等电位处理不当引起地电位反击。

(5)瞬态电位抬高使仪器设备损坏。

二、自动气象站场室防雷技术的设计原则

1.自动气象站场室在进行防雷设计时，应依据当地的地理、地质、气侯、环境等因素和雷电活动规律，结合自动气象站的性能特点进行系统设计，综合防护。

2.自动气象站场室的防雷设计、施工宜与自动气象站场室的建设或改造同步进行。

3.自动气象站场室直击雷的防雷设计应按GB50057 规定的第二类或第三类防雷建筑物的相关规定进行设计。自动气象站场室雷击电磁脉冲防护应按QX3的相关规定进行设计。

4.自动气象站场室的防雷设计应采用接闪、分流、屏蔽、等电位连接、综合布线、电涌保护和共用接地系统等进行综合防护。

5.自动气象站场室使用的防雷装置应符合现行国家和行业标准规定的使用要求。

三、自动气象站场室防雷技术的设计要求

1.自动气象站观测场的雷电防护设计

（1）观测场直接雷的防护

在观测场中自动气象站的风传感器安装在10．5m高的风杆上，所以必须在传感器顶设置避雷针予以保护。避雷针可安装在风杆顶部且保证避雷针与风向传感器之间的距离有足够远，避雷针的针体高度应使风传感器置于其保护范围之内，具体应按文献规范的滚球法方法计算确定。安装在观测场外的独立避雷针塔的高度应确保观测人员在保护范围内。

(2)跨步电压和接触电压的防护

跨步电压地面相距0．8m，2点间的电压的防护是针对于进入观测场进行观测人员的保护措施，由于观测场内的风干上装设的避雷针及其安装在观测场外的独立避雷针的引雷作用，很可能使观测人员发生跨步电压和接触电压(人的脚站在与它相距0．8m处用手触到金属外壳时，人的手与脚之间的电压)的危险。

在闪电电流泄人地下，闪电电流在地表之下流动时，大地的电阻同样要产生电位差，闪电人地点电位最高(如果雷电流是正的)，远处雷电流几乎为零的这些地方，电位最低，即工程上所谓的零电位，人的两腿分开站着，两脚之间的电位差(跨步电压)也可致人毙命。为降低跨步电压的危险性，防直击雷的接地装置要与出入口人行道的距离不应小于3m，否则就可能遭到跨步电压的危险。

接地网的制作

接地体是任何一项防雷措施必须不可少的关键，接地效果的好坏直接影响到整套防雷系统的防护效果。根据国内外经验，一般采取垂直接地体和水平接地体相结合的复合式接地体。

自动站地网接地电阻可适当放宽，但要求采用多根环型接地体和多支线外延接地体，外延接地体的外延长度应小于接地网的有效长度。也可以采用置换土壤法，人工处理法(在接地体周围土壤中加入煤渣、木炭、炉渣、碳黑以及盐类等也可以降低土壤电阻率)，深埋接地体等方法降低共用接地网的接地电阻值。

观测场地网的设置

观测场地网应沿围栏四周敷设成环形闭合接地地网，接地极尽量安置在观测场围栏外，使得数据线缆等可以保持与接地连接线之间的安全距离，距离不够时，设法使线缆与接地线的交角增大，最好成直角。观测场内所有设备，如金属支架、箱体、风杆(塔)、金属围栏、扶手等均要与地网牢固连接。同时观测场地网沿自动站线缆地沟辐射延伸至值班室，与值班室设备保护地及设备工作地合设共极，辐射延伸接地体敷设在线缆地沟底部，埋设深度离地面1m，安装完成后回土夯实。

2.自动气象站工作室的雷电防护设计

（1）良好屏蔽

屏蔽是防止任何形式电磁干扰的基本手段之一。屏蔽的目的，一是限制某一区域内部的电磁能量向外传播，二是防止或降低外界电磁辐射能量向被保护的空间传播。自动气象站的通信电缆线、信号电缆线采用金属护套电缆或敷处设在金属管内，电缆线金属护套或金属管应在顶部及进入自动气象站机房入口处的外侧就近分别接地，进入自动气象站的低压电力电缆宜全程埋地引入，电缆埋地长度不应小于15m。

（2)均压等电位

均压也称电位均衡连接（简称等电位连接）。就是把所有导体相互作良好的导电性连接，并与接地系统连通。其中非带电导体直接用导线连接，带电导体通过避雷器连接。其本质是由可靠的接地系统、等电位连接用的金属导线、等电位连接器（即避雷器、地线隔离器）和所有导体组成一个电位补偿系统。因此，自动气象站应采用共用接地系统。站内的电子设备应共用一组接地装置，按均压、等电位的原理，将工作地、保护地和防雷地组成一个联合接地网。站内各类接地线应从接地汇集线或接地网上分别引入。

(3)分流

分流是将雷电流能量向大地泄放过程中应符合层次性原则。层次性就是按照所划分的防雷保护区对雷电能量分级泻放。尽可能多、尽可能将多余能量在引入信息系统之前泄放入地。由于雷电过电压的能量很大，单一的措施或一道防线都无法消除雷电过电压的侵害，必须采取多级防护措施才能将侵入的雷电过电压限制在安全的、设备能够承受的范围之内。自动气象站的电源线一般为架空引入，供电方式为TT 制式。在总配电箱安装一套避雷器为第一级电源防雷箱，在自动气象站机房入线端安装一套电源避雷器为第二级电源防雷器。第一级与第二级防雷器之间的线路应保持5m 以上距离。机房内所有设备的机壳及防雷器接地线都连接在等电位连接排上，注意设备机壳及防雷器地线良好接地，所有接地线共用一组接地装置，防雷器前端串接20A 动力型空气开关。

(4)合理接地

接地是分流和泻放直击雷和雷电电磁干扰能量的最有效的手段之一，也是电位均衡补偿系统基础。目的是使雷电流通过低阻抗接地系统向大地泄放，从而保护建筑物、人员和设备的安全。没有良好的接地系统或者接地不良的避雷设施会成为引雷入室的祸患；避雷装置接地不好，还提供了雷电电磁脉冲对电气和电子设备产生电感性、电容性耦合干扰的机会。

合理接地，将自动气象站信息系统的接地和防雷接地实行共地。即由公共接地点提供保护接地、工作接地和防雷接地等所需的基准零电位，避免出现因各系统分别接地在个各地线间产生毁坏性电位差。在实践中应注意处理好如下几个方面的接地问题：一是，电子信息设备的单点接地。各设备应与系统接地线相连，连接距离应尽可能短，统一接地极再与地网相连。目的是防止或减少共同的阻抗耦合形成的感应干扰，保持各设备间等电位；二是，电子信息设备接地与建筑物防雷接地。电子信息设备与避雷装置接地系统之间未做到保持安全的绝缘距离，从而当避雷装置接闪时可能发生反击事故。一般情况两者保持一定安全距离确有困难，按防雷规范要求电子信息设备接地应与防雷接地系统接到一个统一的地网上，但又容易出现低频杂散电流的干扰。采用办法：为防止低频杂散电流的干扰，用低压避雷器或放电器将两接地系统之间相连，以使得在雷击时放电器等自动导通连接，并可防止闪络或者击穿；三是，信号传输电缆的全屏蔽（多点接地）与电子设备的单点接地。全屏蔽多点接地可保护人员与设备安全，但各接地点之间将存在低频干扰分量，将影响电子设备正常工作性能。单点接地又不符合防雷安全要求，两者如何兼顾？这就要求把观测场和自动气象站机房所有连接电缆穿入金属管内，并且在金属管两端处就近接地，而其内部的电缆此时可单点接地。这样就兼顾了防止低频干扰和防雷安全两方面问题。

结束语

由于自动站所处的位置一般位于较高视野开阔的凸出地带，所以对自动站以及室外观测场地的全面防护显得尤为重要。自动气象站的防雷措施应采取综合防雷措施，对自动站系统进行层层设防，综合治理，坚持用“接闪、屏蔽、等电位连接、均压、分流、限压、接地”等措施进行综合防护。以提高自动站运行的安全性和可靠性。

参考文献：

[1]QX 3—2000气象信息系统雷击电磁脉冲防护规范.

[2]苏邦礼等，雷电与避雷工程.广州：中山大学出版社，1999.

[3]张小青，建筑物内电子设备的防雷保护，北京：电子工业出版社，2001.