自动气象站雷电灾害特征与防护措施

廖 芳，廖江璐

（1.江西信息应用职业技术学院，江西 南昌 330043;2.南昌市气象局，江西 南昌 330043）

1 自动气象站雷电灾害的形成特征分析

1.1 从自动气象站的构成要素特点，来分析雷电灾害的形成

自动气象站是一种利用电子技术手段进行气象要素自动观测的现代化观测系统，它是由气象要素传感器、数据采集器、微机终端和电源等部分组成，是一种需要电力系统供电、来保持其正常工作的综合性电子设备，主要完成气象要素的数据采集、信号变换、传输、信息处理、存储、发送等工作任务。

从自动气象站的构成要素特点来分析，其雷电灾害的形成具有以下特征:

（1）自动气象站设备的敏感及脆弱极易遭受雷电感应的侵害。自动气象站设备是由非常敏感的电子器件构成的电子信息系统，由于电子器件的抗电磁干扰能力、耐压能力、抗冲击电流能力薄弱，耐受能量的能力为毫焦耳级（mJ）、甚至更低（10-6～10-8焦耳J），而雷电每次释放的能量在百兆焦耳（MJ）（见文献[3]），与电子器件的耐受能量悬殊极大，因此当雷电到来时，强雷电感应电压（可达几十千伏-几百万伏）极易造成电子器件的击穿、爆裂，印制电路板线路熔化、烧断，造成自动气象站设备系统的永久性损坏。

（2）错综复杂的线缆易传播雷电感应过电压和雷电电磁脉冲。自动气象站设备的工作大多需要电力线路供电，同时，气象要素的数据采集、传输、处理、发送，都需要多根信号线缆完成信号的收发，因而自动气象站系统有一个较庞大且复杂的线缆布局。错综复杂的室内、室外线路电缆，极易将感应雷引入自动气象站的设备系统，雷电的电磁感应，也会在电缆上诱发感应过电压和过电流，使供电网线缆上的电压高达100KV以上，电信电缆的电压可达几十KV以上，并沿着线缆四处传播，对与线缆连接的设备、终端构成严重的危害。

1.2 从自动气象站的安装环境，来分析雷电灾害的形成

为了准确地采集气象信息，自动气象站多建设在空旷、凸现的地理环境中，如图1所示，气象要素采集装置 （包括气象要素传感器及数据采集器）暴露在无遮挡的凸显状态，特别是室外安置的测量风向、风速的风传感器，其安装的高度距自动气象站地面高出1O～12m以上的位置，其高耸、孤立的状态极易形成雷电的放电通道，造成气象要素采集装置（特别是风传感器）遭受直击雷的破坏。

图1 自动气象站的地理环境

1.3 从江西省的地域、气候特点，来分析雷电灾害的形成

江西省位于长江中游南岸赣江两岸，地形以山地丘陵为主，其水域广、山脉多、空气湿润的地域特征，极易形成雷暴天气。根据资料统计，江西省的年平均雷暴日数为45.7～67.2天（见文献[2]附录D），其年平均落雷17万至20万个，属高雷区。江西省雷电天气多发的气候特征，造成江西省自动气象站更易发生雷击事故和雷电灾害。

2 自动气象站雷电防护的应对措施

经过对江西省自动气象站2007年-2011年五年来遭受雷击的资料统计及现场查看，发现了江西省自动气象站雷击事故的一些规律及雷电防护中出现的问题，研究探讨了一些自动气象站雷电防护的应对措施。

2.1 设置独立的风传感器的接闪装置

由于自动气象站的风传感器安装在距观测场地面10～12m以上的高度位置，处于高耸、孤立的状态，是最容易收集雷电信号的部件，极易遭受直击雷侵害。在一些气象台站，还存在着承载风传感器的铁塔与接闪杆支撑架共用或混合安装的情况（如图1所示），造成接闪杆直接将雷电引向风传感器，风传感器成为直击雷首要入侵口，其遭受雷击的可能性增大，雷电破坏程度更加严重。

根据防雷设计规范，为减小直击雷对风传感器的雷击及破坏，在离风传感器铁塔的3m远的地方，应装设高于风传感器最高位置的、独立的接闪杆，并连接可靠的雷电流引下线、做好符合接地电阻要求（冲击接地电阻）（参考文献[1]第4.2.1条）的接地，使风传感器处于独立接闪杆的直击雷防护区（LPZOB区）范围内，减小直击雷对风传感器造成的雷击事故。接闪杆的具体高度可按文献[1]附录D的滚球法进行设计计算。

2.2 增加直击雷的接闪装置范围

自动气象站分布在气象观测场地的各个角落，由于气象观测场地的面积较大，一个独立的接闪杆装置的防直击雷范围有限，无法让整个观测场地处于直击雷防护区（LPZOB）。直击雷发生时，在直击雷非防范区（LPZOA区）的传感器、设备或线路，就会遭受直击雷的侵害，且直击雷产生的雷电感应或电磁脉冲、有可能沿着线缆传递到其它自动气象站设备，造成更大的危害。

为减少直击雷对自动气象站的危害，可以设计用金属（热镀锌圆钢或钢管）制作观测场围栏，并均匀对称地设置不少于2根的引下线，引下线的间距（参考文献[1]第4.4.1条），冲击接地电阻，构成由独立接闪杆+接闪带并存的接闪装置。这种接闪装置，可以达到不破坏观测场地布局的情况下，增加自动气象站的直击雷防护范围，有效减少直击雷对自动气象站设备的侵害。

2.3 数据采集器的合理安装及雷击的防范措施

数据采集器是自动气象站设备中，用于接收、处理原始气象要素数据的关键部件，多安装在室外。数据采集器是自动气象站遭受雷击概率最大的设备，其雷击损坏的概率占自动气象站雷击总故障的70%-80%。

实际调研过程中发现，一些气象台站将数据采集器悬挂在接闪杆的支撑铁架上（如图1所示），这种安装方式，使悬挂在接闪杆支撑铁架上的数据采集器有可能构成雷电电流释放通道的一部分，造成强雷电电流进入数据采集器，数据采集器遭受严重损坏。

另一方面，数据采集器是由大量的电子元器件、导线、电路板等构成，而电子元器件、导线及电路板的耐压低 （仅为几十伏）、对电磁信号十分敏感，因而在强雷电静电感应（可达几十千伏-几百万伏）的情况下，会造成电子元器件击穿、爆裂，印制电路板线路熔化、烧断，数据采集器损坏而无法工作。

为减少数据采集器受直击雷的侵害，将数据采集器从室外移至室内，可以消除直击雷对数据采集器的破坏；对于室内的数据采集器与室外气象要素传感器的线缆连接，要加强连接线缆的电磁屏蔽，防止从线缆上感应雷电波信号。方法一:使用屏蔽线缆作信号数据线，将线缆的金属屏蔽层在防雷区交界处及屏蔽线缆两端做好等电位连接和接地；方法二:在LPZOB区与LPZ1区的交界面及数据采集器入、出口处装接适配的浪涌保护器，并做好接地；方法三:各气象要素传感器的信号电缆，必须放置在已经接地的金属管或带有金属屏蔽层的PVC套管内，信号线和电源线分管穿行、埋地敷设。

对于室外安装的数据采集器，数据采集器的安装位置要远离接闪器（3m以上）的引下线，并覆盖在直击雷的防护范围内；同时要采取上段中论述的三种方法防感应雷电波的侵害。

2.4 线缆的合理布局及敷设

自动气象站中，气象要素采集装置-气象要素传感器及数据采集器放置于室外，气象数据处理装置及供电系统放置于室内。室外和室内部分通过多根数据线路相互连接；同时支撑数据采集器的正常工作需要电力线缆与数据采集器连接。

错综复杂的、不同类型的线缆，导致雷击发生时，强大的雷电流及其在空间产生的雷电电磁脉冲会通过传导、感应、耦合等方式，在线缆（电力线路或数据线路）上产生很高的感应过电压（供电电网上的感应电压达100KV，电信线路的感应电压可达几十KV），导致与线缆连接的设备遭受感应雷击。

在气象台站的查看中发现，一些台站的线缆布局随意，有埋地敷设的，有采取架空线敷设的，有将电力线缆和数据线缆捆扎在一起敷设的，线缆的端口处裸露且没有接地的，这些都导致了自动气象站雷击事故的发生。

线缆的合理布局及敷设是:自动气象站中的线缆必须放置在已经良好接地的金属管或带有金属屏蔽层的PVC套管内；数据信号线缆、电源线缆分管穿行，最好采用埋地敷设的方式；连接到设备的线缆两端及入、出建筑物的线缆连接浪涌保护器。

2.5 室内设备做好等电位连接

自动气象站的室内设备包括处理气象采集数据的微机终端、打印机、不间断电源及供电系统等。室内装置和设备的雷电侵害主要来自于线缆 （电源线、通信数据线）传递的感应过电压和雷电电磁脉冲。

为减小感应过电压和雷电电磁脉冲的干扰和破坏，放置自动气象站室内设备的建筑物应采取屏蔽和等电位连接等防护措施。自动气象站的室内设备必须处于第一防护区LPZ1（或更高的防护区）中，且做好室内的等电位连接。室内等电位接地端子板，最好用铜质材料，要有足够的面积和厚度（厚度≥3mm）；为减少等电位连接线产生的感应电压，等电位连接线尽量平直粗短；等电位连接端子板与公共接地端良好的连接。

2.6 电源线路的保护

当自动气象站系统设备采用TN交流配电系统供电时，配电线路必须采用TN-S系统的接地方式，即将零线N和保护地线PE分开的三相五线制连接方式；并在直击雷非防护区LPZOA或直击雷防护区LPZOB与第一防护区LPZ1交界处，安装通过Ⅰ级分类试验的浪涌保护器或限压保护器，浪涌保护器的连接导线应平直，其长度（见文献[2]第5.4.1）。

3 结论

自动气象站的雷电防护，应该坚持“预防为主、安全可靠、经济合理”的原则进行。作者对江西省自动气象站近5年来遭受的雷击事故进行分析，有一定的防范作用，但是大自然变化无穷，要大力减低雷击对自动气象站的损害，还需不断摸索和总结，为今后自动气象站的防护、增强自动气象站的工作可靠性探索新的途径。

[1]GB50057－2010.建筑物防雷设计规范[S].

[2]GB50343－2004.建筑物电子信息系统防雷技术规范[S].

[3]肖稳安.雷电与防护技术基础[M].北京.气象出版社，2006.