自动气象站综合防雷技术探析

郑思要 戴美弹 侯苏玲 陈乃调

【摘要】随着科技的进步和我国气象现代化建设的发展，气象部门在发布自然灾害预警，提供突发公共安全事件决策依据中起到了独特而重要的作用。其中自动气象站的普及大大提高了气象观测的质量、增强了灾害性天气预测的准确度。然而，自动气象站也因其安裝位置及系统结构的特殊性，在运行过程中较容易遭受雷电的侵袭，影响其安全运行。本文主要对自动气象站防雷工作存在的问题进行分析，并对自动气象站综合防雷技术进行论述，以供同仁参考。

【关键词】自动气象站；遭雷击原因；存在问题；综合防雷

一、自动气象站遭雷击的原因

根据有关资料和现场实地勘察，自动气象站的建设场地主要分为两大类：一类是建设在原气象观测场，另一类是根据气象数据监测的需要，建设在非气象观测场的其他场所，这类大为单要素自动气象站，有少部分为多要素自动气象站。对于建设在原气象观测场的自动气象站，其防雷接地系统主要是在原气象观测场防雷系统的基础上改建而成。由于以前的人工观测场大多为机械制式的设备，耐压能力较强，因此，雷击表现不是很严重。而自动气象站大多由集成度较高的电子弱电设备组成，且处理及传输设备均为电子弱电设备，其耐压能力相对较弱。在建设自动气象站时，由于对风杆的直击雷防护、等电位连接以及屏蔽措施考虑不周全，导致雷暴时自动气象站很容易损坏，严重影响了自动气象站的正常运行。而对于在非气象观测场的自动气象站，由于观测需要，大多建设在建筑物的屋顶或野外，其防雷措施一般仅安装一根接闪杆，基本上缺乏雷击电磁脉冲的防护措施，一旦自动气象站遭受雷击就很容易损坏。

二、自动气象站防雷工作存在的问题

（一）观测场接闪杆保护范围不合格。参考《建筑物防雷设计规范》（GB50057-2010）附录D，用滚球法计算接闪杆保护范围。

（二）承载风传感器的铁塔与避雷针混合安装。参考在《建筑物防雷设计规范》（GB/T50057-2O00）里第3.2.1条。

（三）金属护拦无接地，部分线路无穿钢管或金属槽敷设。屏蔽可以减小和防止雷电电磁脉冲干扰祸害。

（四）无安装避雷带和避雷网格。避雷带的规范安装显得尤为重要，它起着“挡箭牌”的作用，只有正确安装好接闪器，才能起到快速分流的作用，最大限度保护建筑物免遭直接雷击。

（五）总电源及各种通信线路无安装避雷器，避雷器的作用主要是泄放大的电流，一旦有雷电流（过电压）通过，避雷器会在断路器动作之前提前动作，把过电流泄放掉，从而保护电路及其后端的用电设备。

三、自动气象站综合防雷措施探析

（一）直击雷防护。自动气象站的风传感器安装在10m高的风杆上，所以必须在传感器顶设置避雷针予以保护。安装方式有两种：一是在观测场外安装独立避雷针，利用滚球法计算避雷针高度，但应尽量将避雷针系统与风传感器部分分开设置，并按照国家规范要求保持两个系统间的有效安全距离；二是如果受观测场地限制，确实无法将避雷针系统与风传感器部分分开设置时，可以在风传感器的金属支架上直接安装避雷针，并计算所安装避雷针的高度，但也应考虑将避雷针与风传感器保持更大的距离，并做好雷电流引下线与风数据传输线之间的线路屏蔽等问题。

（二）感应雷防护措施。感应雷是通过与自动气象站设备连接的电源线、通信线、遥测信号线的静电感应或电磁耦合产生的感应过电压（即瞬间高压脉冲），它直接沿电源线、通信线、遥测信号线侵入自动站设备，使设备遭到永久性损坏。因此，必须在感应雷入侵的各个通道的入口处装设各种合格的电涌保护器，并采用屏蔽和等电位连接防护措施，以防自动站设备遭感应雷击损坏。

1、自动站电源防雷。自动气象站设备用220V±10%、50Hz交流电，从配电盘接专线供电，不能与其他用电混用，对自动站电源线防雷可采用三级防雷保护措施。在配电房市电进线总开关处安装一个380V、通流量为60kA（8/20μs）电涌保护器SPD1作为感应雷防护的第一级，在值班室总配电开关处安装一个380V，通流量为40kA（8/20μs）的电涌保护器SPD2作为感应雷防护的第二级。配电房进入值班室的电源线应穿金属管并沿电缆沟埋地敷设，金属管首端与配电房保护地接地屏蔽，尾端入室处与值班室工作地接地屏蔽。在自动站UPS前端安装一个220V，通流量为20kA（8/20μs）的电涌保护器SPD3作为感应雷防护的末级。

2、自动站遥测信号线防雷。自动气象站的温度、湿度、雨量、地温、风向、风速传感器采集的气象要素变化信号经各个信号传输线汇集于室外专用信号箱（信号箱一般安装在观测场内）的信号1和信号2两条专用传输线，这六种气象信号经此两条专线接入采集器的接口电路，由于采集器接口电路内置防感应雷击功能，避免系统由于长的信号线缆所带来的雷电干扰和损坏。所以遥测信号线缆的入室处不用加装信号电涌保护器。但信号箱应与观测场的地网牢固连接，使信号箱接地良好，且信号箱输出线（即信号1和信号2传输线）要用金属线槽屏蔽。可选用100×50金属线槽，金属线槽沿自动站线缆地沟敷设，一般线缆地沟尺寸为500×400，金属线槽首端与观测场地网连接，尾端在进入值班室处与工作地网连接，两端接地要牢固可靠。这样的屏蔽措施可有效削减沿遥测信号线侵入的雷电波的幅值，使其幅值限压在采集器接口电路所允许的范围内，避免损坏设备。

（三）自动气象站共用接地系统防雷措施。安全接地是防雷措施中重要的组成部分，不管是防直击雷或防感应雷，最终都是将雷电流安全地泄流入地，所以没有合理、适当、良好的接地是不能避雷的。自动气象站的接地应采用联合共用接地，即将自动气象站观测场防雷地、设备保护地、设备工作地等联合共用为一个接地系统。联合共用接地网的接地电阻要求不宜大于4Ω。联合共用接地可明显降低地网之间的电位差，防止高地位反击损坏设备。

（1）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，并从地网四角及每条边的中间处引入观测场内，观测场内的地网可与线缆地沟重合敷设，其接地体可敷设在线缆地沟底部，埋设深度离地面1.0m，安装完成后回土夯实。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1.0m。

（2）接地网材料选择。选择自动站地网材料时要充分考虑其导电性、热稳定性、耐腐性和承受雷电流的能力。自动气象站地网可选用热镀锌钢材，垂直接地体选用50×50×5镀锌角钢，长度每根2.5m，水平接地母线选用-40×4镀锌扁钢，垂直接地体间距为每隔5m设置一根，接地体埋设深度宜大于0.7m，接地体所有焊接口均应作防腐处理。

四、结束语

自动气象站的防雷建设是一项根据接闪、屏蔽、均压、分流、接地与布线等现代防雷技术，综合考虑自动气象站的特点而进行的系统工程，其防雷技术难度比较大，需要不断归纳总结、不断完善，从而确保自动气象站的防雷安全，保障其在雷雨季节正常的运行。

参考文献：

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[3] 周新，自动气象站防雷技术探讨[J] 防灾减灾，2012（3）