新型自动气象站观测场室防雷工程设计

陈 刚， 杨小民

(湖南省气象局，湖南长沙 410125)

0 引言

新型自动气象站是以自动气候站为基础，采用稳定的电子测量、数据传输和控制系统技术，基于现代总线技术和嵌入式系统技术构建的自动气象站，满足地面气象观测温/湿度、气压、雨量、风向、地表温度，以及浅层地温和深层地温的观测等要求，需要时可以扩充能见度、称重降水、日照、辐射等要素或传感器。

新型自动气象站在硬件结构设计上采用积木式结构和CAN总线技术，利用双绞线互连主采集器和各分采集器。数据采集器是自动气象站的核心，由硬件和嵌入式软件组成。硬件包含高性能的嵌入式处理器、高精度的A/D电路、高精度的实时时钟电路、大容量的程序和数据存储器、传感器接口、通信接口、CAN总线接口、外接存储器接口、以太网接口、监测电路、指示灯等。嵌入式软件包含主采集系统、地温采集系统、温/湿度智能传感器等。

从雷电防护的角度看，各传感器、数据采集系统分布在室外LPZ1区，额定工作电压仅十几伏，对电磁干扰极其敏感，而雷电的电压可高达数十万伏，瞬间电流可高达数十万安培，对信息系统具有极大的破坏性。信息系统环节多、接口多、线路长，给雷电的耦合提供了条件，是雷电感应脉冲过电压容易入侵的原因，也是感应脉冲过电压入侵的主要通道。若防雷措施采取不当，将严重影响新型自动气象站的正常业务运行。要实现观测业务自动化，提高观测数据的传输时效和数据质量，保障自动气象站设备运行环境至关重要。

本文针对新型自动气象观测站场室雷电防护的特点及要求，采取切实有效的防护措施，对提高新型自动气象站场室的安全性、可靠性具有重要的意义。

1 雷电防护工程设计

雷电防护系统主要由外部雷电防护和内部雷电防护组成。外部雷电防护措施包括接闪器、引下线、接地装置等。内部雷电措施有建筑物的自然屏蔽、电线电缆的屏蔽、仪表设备的屏蔽、接地、等电位联结、合理布线、配备电涌保护器(Surge Protective Device，SPD)等。

1.1 外部雷电防护工程设计

新型自动气象站观测场室一般由地面气象观测场和值班室机房组成。

观测场采用接闪杆进行直击雷防护，所有观测设备均应处于LPZ0B区内。当采用风向杆作为接闪杆的支撑件，尚有部分设备不在LPZ0B区内时，应在设备附近安装接闪杆，并使其处于LPZ0B区内。风向杆高度一般为10～12 m，观测场内除风向杆外相对较高的设备包括高度约为2.2 m的百叶箱、采样区中心高度为2.8 m的能见度仪和高度约为1.5 m的称重式降水传感器。以10 m接闪杆为例，按照滚球法经计算，高度分别为2.2 m、2.8 m，其保护半径分别为17.068 m、15.051 m，一般情况均处于接闪杆的保护范围内。另外，接闪杆的接地体应单独接地。观测场风向杆宜采用金属管作支撑件，应在距风杆顶端200～300 mm处设置接闪杆，接闪杆通过绝缘杆固定于风杆上;接闪杆应选用直径≥16 mm、长度≥1 500 mm的铜管，与风杆的水平绝缘距离不应小于500 mm。避雷针引下线应沿风向杆上端拉线入地，应通过绝缘等级为35 kV(1.2/50 μs)的拉线绝缘子与风向杆绝缘，引下线宜采用屏蔽电缆(芯线的多股铜线的截面积≥50 mm2)。引下线入地点附近应设置垂直接地体，并与观测场共用地网作可靠电气连接。风向杆直击雷防护如图1所示。

新型自动气象站工作值班室对安全程度要求较高，其遭受直击雷损害的几率较电磁干扰损害更小，在直击雷防护上，不建议采用避雷针进行防护，宜采用接闪网进行防护;值班室的规模较小，投资差别不大。接闪器宜采用明敷接闪带和暗敷避雷网相结合的方式，网格尺寸≤5 m×5 m或6 m×4 m，明敷接闪带可保证女儿墙不受损伤。值班室一般不高，在允许屋顶遭雷击时混凝土会有一些碎片脱开以及小块防水、保温层遭破坏，可利用值班室屋顶钢筋作为暗敷避雷网，具有安全、可靠、使用周期长、维修费用低等优点。由于防雷装置全部或大部分埋设在建筑结构件内或利用建筑本身的金属构件，因此防雷及接地装置的使用寿命与建筑物的使用寿命是相同的，契合自动气象站长期存在的特点。

图1 风向杆直击雷防护

接闪网应设置多根间距≤12 m的专用引下线，引下线宜设置在观测场室的外墙四角。围绕观测场室应设置环形接地装置，接闪网引下线应就近直接接入接地装置。观测场室建筑物的钢筋等金属体不宜作为防直击雷装置的引下线。接闪带与专用引下线的材质可采用传统的圆钢。由于新型自动气象站相对封闭，故专用引下线接触电压的风险可忽略不计。

观测场室的防雷接地、防静电接地、电气设备的保护接地、仪表系统的工作接地、屏蔽接地、SPD接地等应共用接地装置。共用接地系统由工作室地网、室外观测场地网组成，两地网间的连接带不应少于2条，应选用不小于φ16 mm的镀锌圆钢进行连接，连接带的埋设深度不宜小于500 mm。根据QX 30—2004《自动气象站场室防雷技术规范》，共用接地系统的接地电阻不宜大于4 Ω，但在土壤电阻率＞1 000 Ω·m的地区，可适当放宽其接地电阻值要求。这是因为在等电位原理的防雷理论中，地网只是总的电位基准点，并不是绝对的零电位点。一般情况下，新型自动气象站的地网面积不大，接地电阻要达到小于4 Ω并不容易，建议借鉴YD 5098—2005《通信局(站)防雷接地工程设计规范》第6.2.7条规定:所在地区土壤电阻率≤700 Ω·m时，地网的工频接地电阻宜控制在10 Ω以内;当土壤电阻率＞700 Ω·m时，可不对地网的工频接地电阻予以限制。同时，考虑到自动气象站全天候工作的特点，须注意跨步电压的防护，风向杆3 m范围内应采取均压措施、铺设卵石或沥青地面。

1.2 内部雷电防护工程设计

内部雷电防护工程应做好屏蔽、接地、等电位联结、配装SPD和合理布线等。

1.2.1 屏蔽

(1)建筑物的自然屏蔽。新型自动气象站观测场室一般为钢筋混凝土结构，根据QX 2—2000《新一代天气雷达站防雷技术规范》第9.2条规定，在窗上加设网孔≤200 mm×200 mm的金属网，建筑物的金属构件、金属门窗、网及建筑钢筋等应进行等电位联结，形成一个完整的法拉第笼(对雷电空间磁场起初级屏蔽保护作用)。

(2)电线电缆的屏蔽。观测设备的数据传输线应选用带屏蔽层的电缆，并宜穿金属管埋地敷设。金属管和数据传输线的外屏蔽层在进入电缆沟处和外转接盒处应就近接入观测场地网，金属管首尾应电气贯通。风向、风速数据传输线应采用带屏蔽层的线缆，经金属风向杆内敷设，传输线的外屏蔽层首尾两端应与风向杆电气连接。

(3)仪表设备的屏蔽。现场仪表的金属外壳、金属保护器应为全封闭式，需要进行雷电防护的非金属外壳仪表应装在钢材材质的仪表保护箱内。调整交换机的摆放位置，尽量远离建筑物的结构柱和外墙，减少雷电脉冲对设备的损坏。接地机柜是很好的屏蔽体，机柜或仪表箱应采用钢板材料，机柜的门、顶、底等活动部件应采用4 mm2绝缘多股铜芯电线连接。

为了降低雷击时计算机的工作实效概率和元器件损坏概率，通常将计算机设备的金属外壳进行有效接地，使其发挥一定的屏蔽作用。

1.2.2 接地

观测场内风向杆、金属围栏、百叶箱支架、雨量器、遥测雨量计、小型蒸发皿、信号转接盒等金属外壳，应就近与观测场地网进行电气连接。

1.2.3 等电位联结

仪表系统属于低频小信号系统，采用单点接地方式，接地连接宜采用S型网络的结构形式。观测场室内的机柜、电器和电子设备的外壳和机架、计算机直流地(逻辑地)、防静电接地、金属屏蔽线的线外屏蔽层、交流地(PE线)和对供电系统的相线和中性线进行保护的SPD接地端等，均应进行等电位联结，并直接与接地连接导体连接，或导体与接地连接导体连接。连接导线应采用截面积≥4 mm2、长度≤0.5 m的多股绞合绝缘铜线，接地连接导体应采用4 mm×40 mm的热镀锌扁钢。

1.2.4 合理布线

在建筑物内进行电子系统布线时，要避免出现较大的线路回路。

1.2.5 配装SPD

新型自动气象站观测场室低压配电应采用TN-C-S系统，供电系统按照业务用设备、辅助设备、照明三个独立的部分设计，采用三相五线制，电源线的规格、大小应满足最大负荷要求，并留有裕量。所有工作设备必须从进户配电盘单独使用一相专线供电，不得与其他电器混用;进值班室前功率负荷 ＞2.0 kVA(含原有设备)，电源为AC 220 V。供电线路宜采用金属护套或绝缘护套电缆，穿金属管埋地引入，埋地长度最短不应小于15 m。另外，金属管及电缆金属护套两端应就近可靠接地。

观测场室的供电系统由蓄电池、充电电源模块、万能式断路器、防雷模块组成。12 V蓄电池(100 Ah)在断电的情况下，安全运行≥7 d;充电电源模块将AC 220 V转换为直流电输出，一路直接为系统供电，另一路给蓄电池充电。万能式断路器和防雷模块对过压、过流保护，当电压或电流超出范围时，万能式断路器会自动关闭;当有雷电过电压对系统产生危害时，防雷模块将发挥保护作用。

根据QX 30—2004，气象站的防雷类别为一级，应安装三级电源SPD进行防护。

(1)第一级SPD安装在总配电柜上，标称放电电流In≥80 kA，电压保护水平≤2.5 kV。

(2)第二级SPD安装在分配电盘上，每条相线和中性线上的标称放电电流In≥15 kA，电压保护水平≤1.5 kV。

(3)第三级SPD安装在设备前端，每条相线和中性线上标称放电电流In≥5 kA，电压保护水平≤0.9 kV。

使用直流电源供电的新型自动气象站设备，应在直流电源线路上安装与设备额定电压相适应的SPD。

对于新型自动气象站观测场室照明及其他辅助设备系统，宜在电源线输出装置处安装标称放电电流 In≥40 kA(8/20 μs)的 SPD。

在数据传输线端口安装防雷器，可有效地防止过电压对设备造成的破坏。观测室调制解调器前端应加装符合其接口型式(RJ11、RJ45)的信号SPD;在计算机前端的网络数据线上安装符合接口型式(RS-232、RJ45)的信号SPD。信号SPD的最大持续工作电压应大于1.5Uc，其中Uc为SPD最大交流电压有效值，在设备前端加装标称放电电流In＞5 kA(8/20 μs)的信号SPD，其他参数应符合系统要求。

2 工程维护与管理

新型自动气象站在每年雷雨季节前应对接地系统进行检查和维护。主要对接地电阻进行复测，检查连接处是否锈蚀，避雷器是否运行正常。必要时应开挖基础抽查地网锈蚀情况，如发现问题，应及时处理。

3 结语

新型自动气象站观测场室的防雷工程是一项比较复杂的系统工作，必须综合应用现有的防雷技术，而不局限于QX 30—2004的条款要求，不断完善，采取有效的防雷措施，保障新型自动气象站的正常运行。

［1］ GB 50057—2010 建筑物防雷设计规范［S］.

［2］ QX 30—2004 自动气象站场室防雷技术规范［S］.

［3］ SH/T 3164—2012 石油化工仪表系统防雷设计规范［S］.

［4］ YD 5098—2005 通信局(站)防雷接地工程设计规范［S］.

［5］ QX 2—2000 新一代天气雷达站防雷技术规范［S］.