浅谈自动气象站雷击电磁脉冲防护措施

苏贵岭，刘建东

（葫芦岛市气象局，辽宁 葫芦岛 125000）

雷击电磁脉冲是雷电流经电阻、电感、电容耦合产生的电磁效应，包含闪电电涌和辐射电磁场[1]，使附近导体上感应出很高的电动势，表现为过电压、过电流的瞬态波[1]，通过金属导线和金属管网进入观测仪器和站房内部造成事故。传感器、数据采集系统分布在室外LPZ0B区内，雷击电磁场强度没有衰减。各观测设备不太可能遭到雷电直接雷击，但由于自动气象站系统的电子元器件的绝缘强度低、耐压能力、抗电磁干扰能力以及抗冲击电流能力较弱。因此，极易受到雷电过电压的冲击而损坏。

1 雷击电磁脉冲的入侵途径

自动气象站包含多种观测传感器和主采集器，电子设备高度集成化，涵盖气象主管机构统一布局的19项已实现仪器自动观测的项目，以及13项可通过综合判识或图像识别实现自动观测的项目。采用的系统结构包括主采集器、外部总线、分采集器、传感器、电源箱等。各采集器之间采用CAN总线进行数据通讯。主采集器与工作室终端计算机采用双绞线或光纤进行数据传输。

设备工作电压仅几伏，对电磁干扰极其敏感，传感器前端也没有防过电流保护措施，经双绞线连接至数据采集器防雷板，线端未做SPD防护。由于系统中金属外壳设备多、接口多，线路老化等原因，易造成闪电电涌侵入，使得自动气象站中的传感器、采集器等设备遭受不同程度的损伤。

雷击电磁脉冲侵入工作室的途径包括电子系统的电源线、信号线、接地线等都是工作室的进雷通道以及直击雷雷击点的高电位反冲。同时，由于雷电对架空线路、电缆线路或金属管道的作用，由闪电静电感应或雷击电磁脉冲引发的闪电电涌可能沿着这些管线侵入屋内，危及人身安全或损坏设备[1]。

葫芦岛市的自动气象站多次发生风向传感器遭雷击事故，造成多种要素观测中断。调查分析发现接闪杆成功接闪，但传感器和数据线不同程度被损坏，经检测观测场接地阻值合格，采集器防雷板不止风向风速线路被烧毁，旁边多路传感器数据通道亦受损，从而整体上造成自动化气象站无法进行有效的数据采集，并且造成很大的人力、钱财的损失。通过对一些可能存在的因素分析，认为采用避雷针共用风杆方式的自动站，避雷针与风向风速传感器水平距离过近而且风杆或风塔均为金属材质，闪电放电时，在附近导体上产生的雷电静电感应和雷电电磁感应可能使金属部件之间产生火花放电[1]以及雷击电流流过金属杆时所产生的高电位对传感器造成的反击，瞬态电流沿损坏的线路侵入设备中，一旦出现电位差，容易击穿电子设备，造成电子设备的损坏以及后期维修的困难。

数据传输线路一般铺设在地沟中，长度也较长，甚至多余的线路盘在一起。防雷装置的地网一般就直接埋在观测场内。避雷针接闪时，雷电流通过地网就近泄入地中。由于雷电流迅速变化在其周围空间产生瞬变的强电磁场，接地线和数据线之间如果发生电磁耦合，感应出很高的电动势，产生的感应过电压通过数据线侵入采集器中[2]。地线与数据线间距过近、夹角过小也会造成雷击过程中地线与数据线之间的电感耦合[2]。

2 雷击电磁脉冲的防护措施

在自动气象站施工建设过程中，应依据当地环境因素，考虑其性能特点进行系统设计，结合自动站雷击事故分析，进行雷击电磁脉冲的防护。具体来说，可以从观测场接地装置、等电位连接、屏蔽以及浪涌保护器等方面综合防护雷击电磁脉冲，同时，加强工作人员日常维护管理，科学检测接地情况。

2.1 观测场接地装置

针对风向风速传感器多次遭雷击，自动气象站防直击雷防护等级按照一级标准设计独立接闪杆，选择在雷暴主导路径上风方，高度不低于风杆避雷针并且保证与观测场≥10 m的安全距离[2]，这样才能独立出接地装置，确保避雷针在接闪时，雷电流有单独的低阻抗泄放通道，降低闪电电涌和辐射电磁场的电磁效应影响而不会干扰到观测场设备。独立避雷针接地阻值按观测场接地阻值要求设计，减小相邻地网的电压差。

同时，观测场内水平接地体和接地线的布置、周围线缆的埋设位置应当综合考虑电感、电磁耦合影响后再做决定。接地体尽量避开观测设备，避免接地线和数据线距离过近，水平接地体尽量不要与数据线平行敷设以及多余的数据线路不要盘在一起，这样做是为了避免受到外在因素的影响，确保观测场内的环境足够稳定、安全。

2.2 防雷等电位连接

自动气象站分布在多个防雷区，在2个防雷区的界面上做等电位连接是减小雷击电磁脉冲影响行之有效的方法。将各种观测设备、电力设施以及各金属外壳等直接用连接导体或经电涌保护器连接到防雷装置上以减小雷电流引发的电位差[1]，防止雷电泄流时产生的高电位对附近传感器金属外壳或电子系统线路的反击。观测场电缆沟内安设等电位连接带，设备金属外壳及其金属支撑架就近连接等电位连接带，不要直接与接地网连接。电源线、数据线应选用带屏蔽层的电缆，分别穿金属管（桥架）沿观测场电缆沟敷设，金属管（桥架）应首尾电气贯通，并在进出电缆沟处就近连接等电位连接带。增大金属管间距或采用金属线跨接，金属桥架在电缆沟拐角处，做好跨接并增设等电位连接。线缆屏蔽层和金属管应在主采集器入口处与主采集器金属外壳进行等电位连接。

工作室内的电子系统应与建筑物的接地装置做好等电位连接。电子系统与工作室所处建筑物宜共地。向电子系统供电的配电箱的保护地线（PE线）应就近与建筑物的等电位连接网络做等电位连接[1]。电气和电子设备的金属外壳、机柜、操作台、屏蔽线缆外层、设备防静电接地、电源保护接地、浪涌保护器以及机房静电地板接地端等均应与等电位连接网络的接地端子连接。这样，在雷电袭击时，电子系统和建筑物大体上是等电位的，减少内部电子设备被高电位反击的事故，从而确保电子设备的安全、稳定运转。

2.3 屏蔽以及SPD的安装

工作室所处的建筑物梁、柱、基础内的钢筋、门窗钢结构等要做好等电位可靠连接形成笼式避雷网，从而工作室内的电子设备得到很好的屏蔽。进出工作室的电源线、信号线采用屏蔽电缆时其屏蔽层应至少在两端，并宜在防雷区交界处做等电位连接，供电线路宜采用具有金属护套或绝缘护套电缆穿金属管埋地引入。金属管及电缆金属护套两端应就近可靠接地。

工作室电源处和数据线端加装浪涌保护器SPD，可以有效的限制瞬态雷击过电压并引导浪涌电流就近分流入地。一般工作室防雷等级划分为3级，低压配电系统中应安装2级SPD进行防护，在总配电柜上安装SPD1，每条相线和中性线上选用冲击电流Iimp≥12.5 kA或者标称放电电流In≥50 kA，电压保护水平Up≤2.5kV的SPD；SPD2安装在分配电盘上，每条相线和中性线上选用标称放电电流In≥15 kA，电压保护水平Up≤1.5 kV的SPD[2]。工作室路由器前端应加装符合其接口型式（一般为RJ11/RJ45）的信号SPD[3]。

2.4 加强日常维护

周期性维护的周期为1年，每年在雷雨季节到来之前，应进行1次全面检测。测试接地装置的接地电阻值，若测试值大于规定值，应检查接地装置和土壤条件，因为接地装置和土壤条件的不注意会造成雷雨天气下的雷击频率，所以进行周期性维护时需要注重这方面的控制，找出变化原因，采取有效的整改措施。检测工作室内部等电位连接的过渡阻值，若连接处松动或断路，应及时修复。全面检查浪涌保护器的运行情况，有无接触不良、漏电流是否过大、发热、绝缘是否良好、积尘是否过多等。日常性维护应在每次雷击之后着重检查等电位连接网络的连接是否牢固，浪涌保护器工作指示窗状态。

3 结语

雷击电磁脉冲是雷云放电的后续效应，易干扰自动气象站数据传输甚至损坏电子设备。综合分析雷击电磁脉冲的入侵途径，做好观测场内出入线路等电位连接以及工作室的屏蔽等合理有效的防护措施，将其影响降到最低，保障自动站稳定运行，对避免雷击电磁脉冲的影响，确保自动气象站数据的正常传输有很好的指导意义。