自动气象站雷电过电压的防护措施

摘要：介绍自动气象站的组成结构和工作原理，以及雷电侵入自动气象站系统的主要途径。通过分析雷电过电压造成的损坏案例，探索具体原因和问题，提出屏蔽、接地和安装SPD采取改进措施，尽量减少雷电对自动气象站的危害，对自动气象站雷电防护设施的建设具有一定的指导意义。

关键词：自动气象站 雷击过电压 防护措施

中图分类号：S761文献标识码： A

引言

近年来，全球极端气候日益突出，重大气象灾害时有发生，给人民生命财产安全和生命带来了巨大威胁和影响。然而，随着气象水平的不断提高，气象在国民经济和社会生活领域发挥了重要作用，有效地减少了各种气象灾害造成的损失。为了更准确、更快地获取各种气象基础数据，进一步提高气象预报的准确性和精细化水平，自动气象站逐步推广，建设规模逐年扩大。然而，由于自动气象站的组成部分大多采用半导体材料，这些设备一般具有绝缘性低、过电流和过电压耐受性差、电磁干扰能力弱等缺点。此外，自动气象站的建设环境要求开放、平坦、无遮挡，使自动气象站容易受到雷电的伤害。因此，防止雷电过电压入侵是自动气象站的重要任务。本文分析了自动气象站雷电过电压损坏的原因，并在案例分析结果的基础上提出了有针对性的自动气象站防雷技术。

1自动气象站的结构和工作原理

自动气象站是一种由传感器、数据收集器、主控计算机、信号传输电缆、电源系统和打印机组成的气象信息自动收集、处理、存储和传输的装置。其中，室外部分有温、压、风、雨、湿等传感器，数据采集器，连接箱等；室内部分有主控计算机、打印机、电源等(见图1)。随着气象元素值的变化，相应传感器传感器元件输出的功率也发生了变化，数据采集器通过采集、线性和定量处理实现了从数量到元素的转换 ，再通过数据筛选对数据进行质量控制；经过预处理的气象要素通过信号传输系统传送到主控微机，并实时显示。

采用数据采集器通信接口RS-232-C数字信号1和0的工作电平分别为-15~-5V、5～15V。数据采集器的工作电压范围为：AC 9～18V，DC 11～24V。传感器的工作电压为4.5V，采集的信号输出范围为-2.5～2.5V。从以上数据可以看出，自动气象站系统的主要部件耐压性很低，容易受到雷电过电压的冲击而损坏。

图1 由自动气象站组成

雷电电流入侵的几种主要途径

从理论上讲，雷电能量传输有两种方式，场和路。所谓场，指LEMP(Lightning Electromagnetic Pulse，雷击电磁脉冲)以电磁波的形式从空间传播到建筑物内部，在建筑物内的各种金属电路中产生电磁感应，形成感应过电压和过电流，导致电路串联 中间的电子设备终端被击穿损坏。所谓路，是指雷击引起的过电压或过电流沿各种金属线传输到建筑物内部，损坏与金属线连接的电子设备终端。对于自动气象站系统，雷电流引入建筑物的金属线路主要包括电源线、数据传输线和接地电路。

从实际情况来看，自动气象站设备的雷电流损坏主要包括：（1）雷电的直接攻击。安装避雷针时，发生这种情况的概率相对较小。（2）由于防雷系统与数据传输线之间的高电位差，导致反击，使雷电流进入自动气象站系统。（3）雷击电磁脉冲干扰附近线路的电磁耦合。

3自动气象站雷击损坏分析及原因

3.自动气象站防雷设施

位于双流县彭镇的自动气象站，周围是林地，地势空旷，周围没有高楼大厦和树木。自动气象站建成时的防雷设施 ：(1)闪杆:使用风杆(高10m)作为支撑，在风杆水平横杆下方0.8m位置采用水平支撑杆来固定一支约1m 接闪杆的实际高度仅高于测风仪.3m，水平距离约为0.5m，闪杆与风杆绝缘。(2)25mm沿风杆内设置多股铜芯线，与地面接地装置连接。(3)接地装置采用人工接地装置，水平接地体为40×4mm热镀锌扁钢，垂直接地50×50×5mm热镀锌角钢。(4)等电位连接:数据处理终端设备箱、风杆等大型金属构件10mm多股铜芯线电位连接。(5)屏蔽:无屏蔽布线，电缆采用套筒PVC埋地敷设。(6)电涌保护器(SPD)：未安装SPD进行保护。

3.22自动气象站雷击损坏

该自动气象站建于2006年，采用CAWS600B类型设备，车站根据施工方案进行了简单的防雷施工，但自动气象站自运行以来遭受了多次雷击，特别是室外接线盒中的多路选择开关芯片，多次被雷击损坏，每次更换备份芯片。自动气象站最严重的雷击损坏是2007年7月12日，观测场的风自动传感器损坏。与风传感器共用塔杆的闪光杆有明显的燃烧痕迹，信号收集器、计算机主板和打印机都被损坏。这不仅损坏了自动气象站设备，还影响了气象元素的不连续观测记录和正常业务发展。

3.3原因分析

由于自动气象站系统的主要部件耐压水平很低，很容易受到雷电过电压的冲击而损坏。雷电直接击中闪光或附近，在周围空间产生强脉冲暂态磁场，该空间暂态磁场除了在宽电路中感应过电压外，还可以通过平行信号线或平行电源线感应临时过电压，特别是通信设施是雷电感应过电压和雷电波入侵的关键通道。当闪电击中闪电时，雷电流将沿着接地网络泄漏到地球上。信号传输电缆与闪电杆并排离线，很可能发生雷电流感应，即闪电杆连接后，铜芯线立即通过数十条kA 雷电电流在与导线平行的信号传输电缆上感应较大的过电流，过电流传输到电缆末端的自动气象站数据处理终端，导致终端设备损坏。其次，室外金属电缆穿透PVC管道敷设在电缆沟中，水平接地体与通信电缆平行敷设。当雷电流通过水平接地体时，接地体周围产生强大的临时电磁场，平行敷设的通信线路容易感应较大的过电压。线路未屏蔽布置也是雷击造成设备损坏的原因之一。暴露在雷击电磁场下的金属导线会感应到高电位差，可能会对线路两端的设备造成损坏；第三，由于接地位置不同，单点接地的等电位连接类型会产生不同的电位差，也可能导致雷击时设备损坏；第四，电源系统中未安装电源SPD，雷电流侵入电源系统时，可能会通过电源线侵入，造成设备损坏。

4防雷装置改进措施

4.11使用金属管屏蔽数据电缆

自动气象站雷电损坏的主要原因是雷电感应形成的共模和差模过电压超过超过设备的耐压水平[1]。雷电流通过外部防雷系统进入接地网络的电磁耦合干扰是自动气象站防雷设计的核心，重视自动气象站防雷屏蔽措施的应用，采用高磁导率的铁金属管完全屏蔽室外到室内的电缆，具有良好的保护效果。

4.2.建立统一的接地网系统

为了充分发挥金属屏蔽管的屏蔽效率，需要建立良好的接地系统，使雷电流在地面上均匀消散，不会形成太大的电位梯度，防止接地系统与信号电缆之间的反击，也可以减少信号线的电磁耦合干扰，根据自动气象站室防雷技术规范(QX30-2004)[2]要求。M型地网应敷设在观测场，水平接地体可选择40*4mm镀锌扁钢，垂直接地50*50*5mm镀锌角钢，接地埋深应大于0.5m，保证焊接良好，并采取防腐措施。值班室接地应与观测场地网连接，形成统一的共用接地系统。

4.安装电源避雷器

按照《气象信息系统雷击电磁脉冲防护规范》，在机房配电柜和设备前段安装电源避雷器(QX3-2000)[3]要求安装电源SPD一级安装在总配电柜上电柜上，每条相线和中性线选择冲击电流limp不小于20 KA 或标称放电电流ln不小于80KA ，电压保护水平不大于2.5KV的SPD；标称放电电流安装在分配电盘上，每条相线和中性线上ln不小于15KA ，电压保护水平不大于1，.5KV的SPD；设备前端安装第三级，标称放电电流选择每条相线和中性线ln不小于5KA，电压保护水平不大.9KV的SPD。使用直流电源的新型自动气象站设备应安装与设备额定电压等级相同的直流电源SPD。

5结束语

以双流自动气象站为例，分析了自动气象站的雷电过电压入侵途径，并对自动气象站的雷电保护提出了改进措施。建立统一的接地网、金属管屏蔽和安装SPD完善防雷设施。采取上述防护措施后，有效保证了自动气象站的正常工作。也为自动气象站防雷设施的改进提供了参考。

参考文献

[1]在自动气象站雷电防护设计中，施广全、王振会、屏蔽措施的作用[J].气象与环境科学，Nov.2008：88-91.

[3]重庆市气象局、中国气象局监测网络司、黑龙江省气象局等Q X 30 -2004年自动气象站室防雷技术规范[S].北京:2005年中国标准出版社.

[3]中国气象局.QX雷击电磁脉冲防护规范3-2000气象信息系统[S].2000版.北京：2001年气象出版社.