自动气象站雷电防护技术探析

赤峰市气象局 王明磊

前言

自动气象站在防灾减灾和气象服务方面发挥着关键性作用，但由于存在较高的雷击几率，雷击影响导致气象观测数据丢失的问题往往频繁出现，气象工作开展因此受到严重制约。为降低雷电对自动气象站安全稳定运行带来的影响，正是本文围绕自动气象站雷电防护技术开展具体研究的原因所在。

1 自动气象站雷电防护常用技术

1.1 防地闪回击保护技术

直击雷电对自动气象站的威胁较大，直击雷防护能力不足是很多自动气象站存在的通病，因此需采用防地闪回击保护技术，以此实现对富兰克林避雷针不足和缺陷的弥补，强化自动气象站的直击雷防护性能，该技术的应用需以防地闪回击保护装置为核心。防地闪回击保护技术能够对雷电主放电渠道进行改变，通过雷电与防地闪回击保护装置的“梯级先导”相互作用，保护物上方的电场强度和电流密度即可得到有效控制，保证具体数值不会达到击穿空气标准，自动气象站可由此实现地闪“回击”的有效预防并规避直击雷问题。防地闪回击保护装置能够由雷云电场启动，雷电自身能量可在防地闪回击保护技术作用下开展雷击发生的抵御，属于无源设备的防地闪回击保护装置存在较低的接地电阻值要求，在自动气象站中的应用价值较高。

图1 典型的防地闪回击保护装置

1.2 地网优化设计技术

自动气象站雷电防护还需要得到地网优化设计技术的支持，该技术能够有效地解决电位反击、电磁辐射等雷电相关问题，具体应用需关注四方面内容：第一，科学设置隔离措施，地网优化设计技术的应用需结合自动气象站实际进行接地装置的独立设置，保证其他金属管线与观测场内地网间的安全距离达标。考虑到一些特殊因素影响下自动气象站无法独立设置接地装置，此时可采用共用接地的独立接闪杆地网与观测场内地网，同时保证二者连接于地网最远端，沿接地体的两者地网连接长度最小应控制为20m，土壤电阻率带来的影响需同时得到重视；第二，采用正方形网格状环形地网。均匀分布的地网电位直接影响自动气象站雷电防护性能，基于地网优化设计技术，可考虑设置正方形网格状环形地网，以此优化控制各地网节点地电位差。具体需保证存在5m×5m内的尺寸，并遵循一类防雷网格标准进行正方形网格状环形地网的布置，且与值班室地网并电位连接，最少需存在2处连接点；第三，合理设置等电位连接带。在风杆接闪杆接地线附近直接将观测场电缆沟接入的情况较为常见，而结合地网优化设计技术，需在该处进行等电位连接带的合理设置，等电位连接带应以安全散流距离作为主要依据，均压水平接地极的敷设需与电缆沟平行；第四，垂直接地极的针对性增设。为实现自动气象站对地电位反击和电磁辐射的更好应对，基于地网优化设计技术，还应关注垂直接地极的科学增设，接闪杆、主采集器等设备的接地处应设置垂直接地极，接闪杆外引接地需同时设置深基础接地，作为自然接地体的风杆拉线塔基础可得到有效利用，具体接地深度需要不小于3m[2]。

1.3 SPD保护技术

自动气象站很容易受到雷击接闪杆带来的影响，因此SPD保护技术需要得到充分应用，以此强化信号系统和电源系统的保护。SPD保护技术在信号系统中的应用可选择PCB集成电路板式设计，这种SPD设计能够适应有限的采集终端安装空间，有效实现分采终端、主采集器、主采集器至分采终端的SPD保护。同时，该SPD设计需结合高能量信号电涌保护器（D1类），有效防护直击雷能量；SPD保护技术在电源系统的应用需基于场室低压配电线路的具体需要设置专线供电，电缆需具备金属护套或绝缘护套，以此穿金属管全线埋地引入电缆，同时需要就近可靠接地电缆金属管及金属护套两端。为保护低压配电系统，SPD需科学设置，一般主采集器箱保护选用SPD4（B+C型），也可以采用复合型SPD，充分利用其直击雷与感应雷防护功能，直击雷能量地电位反击可实现有效应对[3]。

2 自动气象站雷电防护技术的具体应用

2.1 案例概况

为提升研究的实践价值，本文以某自动气象站作为研究对象，该自动气象站距离海面约3km，位于南方沿海强雷暴区，年平均雷暴日数、年最高雷暴日数分别为75d、92d，防雷等级为二级，属于典型的地面气象观测场（室），雷暴发生于全年各月，最高存在200KA以上的闪电强度。自动气象站观测场南面和东面空旷，位于小山顶，较为容易出现落雷。2018年10月，该自动气象站建成投入运行，至2019年6月期间，该自动气象站多次遭遇雷击，其中2019年4月20日遭受直接雷击的自动气象站出现业务计算机串口隔离器损坏，采集器数据无法接收，同时主采集器、地温数据采集处理集成板也因雷击损坏，此后遭遇的多次雷击还导致了业务计算机屏幕空白、温湿分采集器损坏等故障。在遭受雷击后，测量避雷塔塔身（剩磁测试仪）可得到0.7MT以上的剩磁量，这说明独立避雷塔引入雷电流，而由于观测场地网与避雷塔地网的共网，瞬间抬升的观测场地电位引发的地电位反击导致设备损坏，这是由于遭受直击雷时共用地网存在超过电子元件耐压水平的瞬间升高地电位，而由于信号线将雷击感应耦合产生的雷电波传至值班室，进一步的损坏问题出现，为有效解决问题，案例在独立接地网设置、感应雷防护、直击雷防护方面开展了一系列实践，最终取得了令人满意的成果。

2.2 独立接地网设置

为强化自动气象站雷电防护，案例自动气象站首先开展了独立接地网的优化设置，具体从两方面入手：第一，避雷塔独立接地装置设置。由于观测场内的电子系统会受到共用地网带来的威胁，因此需要断开观测场地网与避雷塔接地，并进行独立接地网的新建。通过对观测场外侧地网接地电阻进行计算可以确定，由于土壤电阻率为200Ω·m，结合山顶观测场的特殊性，需建设地网于观测场的西面、南面、东面，水平敷设总长度80m的热镀锌扁钢，规格为50×5mm，埋设水平接地体深度为0.8m。对属于L型的不闭合地网来说，基于图2所示的水平接地体形状系数对应值，可确定水平接地体形状系数取0.378，最终可求得5.16Ω的接地电阻，这说明水平铺设地观测场外侧接地网无法满足要求（4Ω），因此每5m同时设置人工垂直接地的热镀锌角钢，规格为50×50×5×2000mm，同时施放长效降阻剂于地沟中，完成施工后可得到3.4Ω的接地电阻，设计目标得以满足；第二，观测场围栏内地网设置。除按地沟布设地网，还需要沿围栏边0.8m处布设观测场内环型地网，以此便于连接金属围栏，采用热镀锌角钢作为垂直接地体，间距、规格为4~5m、50×50×5×2000mm，同时采用热镀锌圆钢作为水平接地体，选择的国标热镀锌圆钢规格为Φ12，按照0.6~0.7m深度埋设地网水平接地体，回土夯实后进行测量，可得到2.9Ω的观测场接地电阻[4]。

图2 水平接地体形状系数对应值

2.3 感应雷防护

案例从电源进线防护、信号进线防护、等电位连接三方面进行感应雷防护。电源进线防护采用分级泄放的方式，电源进线可由此逐步泄放雷击能量到大地。由于在五层大楼的第四层设置值班室，因此并联接入试验电源浪涌保护器于总配电处开关处，规格为，其属于第一级防护。同时设置的电源避雷器于第四层，其属于第二级防护。值班室内安装的电源避雷器，其属于第三级防护，同时将插座式电源防浪涌保护器设置于UPS前作为精密防护，最终可有效防护电源浪涌。此外，并联工业控制系统电涌保护器于采集体处理箱处，其额定电流、额定工作电压、电压保护水平分别为5kA、12V、≤30V，由此可强化对自动气象站国产设备的保护；信号进线防护需关注最初信号线的过电压防护，需将工业控制信号防雷器与传输信号线串联，对于分采箱汇总各要素信号的串口隔离器，需采用一套多接口信号避雷器串联，需保证存在10kA的通流容量，插入损耗、传输速率分别为0.3dB、10mpbs。另一套还需要串联于总信号线传输到值班室处，以此实现多重保护。网络信号避雷器采用RJ45接口安装于与外线连接的值班室计算机处，音频线路防雷器采用RJ11接口安装于电话进线处；在等电位连接中，从值班室到观测场的信号线和电源线需分别单独穿屏蔽管和钢管，屏蔽管和钢管两端接地，以此提升电磁屏蔽效果，所有观测场内的信号传输线屏蔽管、电源线管、金属设备均需要可靠连接预留的接地铜排，螺栓连接的防腐处理也不容忽视。

2.4 直击雷防护

为有效防护直击雷，案例自动气象站主要从两方面工作入手：第一，科学开展气象仪器设施安装布局。安装仪器设施需遵循中国气象局发布的标准要求，以此在观测场东北部设置自动气象站风杆，观测场西北部设置自动气象站风杆，能见度仪设置于中间。观测场中间部分布有数据采集传送箱、百叶箱、雨量筒，深层地温场、日照计、浅层地温场设置于南面部分；第二，独立塔保护。为保证观测场内仪器和工作人员不会受到雷电直接雷击，基于已建成的19m避雷塔（自动气象站西北面），需在东北面增设高出地面19m避雷塔于同一纬度观测场外4m处，同时设置独立避雷针于南边外约4m处，需高出地面10m，自动气象站的数据采集箱、地温场等设备可得到更好保护，保护有效范围也可由此扩展至整个观测场。

3 结论

综上所述，自动气象站雷电防护技术的应用需关注多方面因素影响。在此基础上，本文涉及的防地闪回击保护技术、SPD保护技术、独立接地网设置、直击雷防护等内容，则直观展示了可行性较高的自动气象站雷电防护技术应用路径。为更好强化自动气象站雷电防护，自动气象站特点的深入研究、新型防雷技术与设备的积极应用、国家和行业有关规范的严格遵循同样需要得到重视。