面向电源安全的气象观测场设备雷电防护措施设计

郑栋栋，黄志成，陈斌源

（福建省漳州市气象局，福建漳州 363000）

雷电既会击毁、破坏物体，其放电所形成的电磁感应还将严重威胁计算机、电力等设备安全，形成雷电灾害[1]。若气象观测场遭到雷击，势必会损坏设备，引发设备故障，降低气象观测水平，因此，为了获取更准确、更具代表性的气象观测数据，防止观测资料丢失，需做好观测场的雷电防护措施。

雷电防护技术在各个相关领域得到了广泛研究，例如：蔡国伟等人[2]在高寒地区风电机组雷电防护研究中，根据高寒地区风电机组属性、环境、雷电等情况，总结风电机组雷击特征，从雷电防护系统、直击损坏机理、电磁暂态等阶段，对风电机组雷电防护作出分析总结；向文等人[3]依据初选措施、权重求解、效果评价、措施制定等步骤，结合输电线路的地形特点，初步选定防雷措施，采用层次分析优化策略求解各措施权重，制定综合防雷措施，基于模糊综合评价法，对最终措施展开评价。由于上述文献方法无法解决气象观测场中高灵敏度弱电设备较差的过电压耐受力问题，并不适用于当前较为普及的电气设备雷电防护，因此，该文针对气象观测场设备的电源安全，提出一种雷电防护措施。通过计算防雷装置到受防护设备的距离，避免防雷装置被雷击电流经过后生成高电位，反击至受防护设备；构建接地防护举措，减小地网电位差异，使各类雷电电流成功泄入大地；应用热镀锌钢材制作地网，提升接地防护措施的热稳定性、雷电流承受性能、导电性以及耐腐蚀性，最后通过实验验证了该方法的有效性。

1 面向电源安全的气象观测场相关分析

气象观测场常位于空旷位置的高处，其部分设备为单独矗立的金属物，比如日照计[4]、风杆等。观测气象不受季节、假日以及天气状况等影响，属于一种持续运转的过程，因此，为确保气象观测场的电源安全，使之能够不间断地正常工作，应从风杆、值班室电磁感应以及闪电反击等多个角度展开分析，为制定合理、有效的雷电防护措施奠定基础。具体分析策略描述如下：

1）风杆：位于观测场风杆顶端的风向与风速传感器[5]，是较易对设备电源安全产生威胁的因素。当风杆中敷设数据线后无法可靠连接地网时，假设引下线单位长度电感与雷击电流分别为L0、i，通过该引下线的雷击电流的时间与波前时间各是di、dt，接地电阻为R，观测点与大地间的垂直距离是H，则风杆上的风速传感器电位可通过式（1）解得：

2）值班室电磁感应：假设边长为L的值班室东侧与西侧到观测场避雷针的距离分别为X1与X2的长度，根据法拉第电磁感应定律[6]，推导出在忽略电压方向前提下的开口金属环感应电势EM，表达式如下所示：

式中，M表示互感系数，其表达式如下所示：

式中，μ0表示空气磁介质常数，I与I′分别表示矩形金属环的长和宽，l表示闭环积分线路，Φ为穿过金属环的磁通量，如式（4）：

式中，X1表示磁场分布，X2表示电磁感应强度。

将X2=L+X1与式（3）合并整理得到下列表达式：

根据以上各式，可将感应电势转化为式（6）：

若雷电电磁感应电压与市电220 V 较为接近，则值班室部分并非是导致设备电源发生故障的主要因素。

3）闪电反击：求解防雷装置到受防护设备的距离，以避免防雷装置被雷击电流经过后生成高电位，反击至受防护设备。根据图1 所示的值班室中各设备方位与接地状态，构建防雷装置与受防护设备间距计算公式，如下所示：

图1 值班室各设备方位与接地状态

式中，ER与EL分别表示电阻电压和电感电压的空气击穿强度，hx表示防雷装置的地上高度。

2 该文方法设计

以多个雷电干扰因素分析结果为基础，设计气象观测场设备雷电防护措施。由于气象观测场受直击雷与感应雷冲击概率较高，故从接地、直击雷以及感应雷3 个方面做好电源安全下雷电防护措施具有一定的必要性，以保证观测场设备与业务的正常运转。

2.1 接地防护措施

为使各类雷电电流成功泄入大地，降低雷电对目标区域的危害，该文通过连接防雷地区、设备防护地区以及工作地区，建立一个良好、安全、可靠的接地防护措施，减小地网电位差异，避免高地位反击与设备故障。

将地网呈环形闭合状铺设于观测场地外部，以便于施工，采用地网四角与四周中线，牵引场中地线，在深约1 m 的线缆地沟中埋设水平接地体后夯实泥土。为有效泄放过电流，设计如图2 所示的地网连接观测场。

图2 地网连接观测场示意图

根据图2 可知，地网连接观测中包含金属支架、风杆、扶手、数据采集箱以及金属围栏等设备。依据GB50057-2010 建筑物防雷规范中的相关要求，选取热镀锌钢材[7]制作地网，提升接地防护措施的热稳定性、雷电流承受性能、导电性以及耐腐蚀性。

2.2 直击雷电防护措施

在风杆顶部安装已提前固定好引下线的避雷针，令引下线与接地体可靠连接，避免直击雷的过电流导致设备发生故障。其中，避雷针的针体应采用20 mm 直径的铜包圆钢，利用滚球法[8-9]，如式（8）所示，明确针体高度，确保针尖体承受的最大雷电流冲击与风速分别是143 kA 与58 m/s。

式中，h′表示避雷针高度，r和分别表示滚球半径与防护设备高度。

采用GFW 系列接闪线安装法[10]与横截面积不小于25 mm2的304 不锈钢钢绞线，按照从上到下的方向沿着风杆上层拉线，用含有绝缘子的扎线把钢绞线按1 m 距离与风杆拉线捆扎在一起，用塑料管保护与地面接近的钢绞线，构建观测场直击雷防护措施，并在抻直的前提下实现最短距离接地，令杆线接闪器的防护范围覆盖观测场设备，避免接闪线与风感应器间的反击[11]。避雷针及其针杆的连接选用针线组合形式，防止长时间被风吹，致使避雷针发生脱落。当钢绞线锈蚀程度大于30%时，应及时进行替换。

2.3 感应雷电防护措施

感应雷电造成设备故障的原因是经电源线与信号线的电磁或者静电感应发生耦合反应，所生成的短暂高压脉冲又反击回气象观测场[12]。为避免受感应雷冲击，将浪涌保护器SPD（Smart Power Distribution）安装于不同种类的通道入口位置，通过快速下降阻值令雷电流释放，防护位于其后的有关设备[13]。基于电源安全的浪涌保护器各组件感应雷电防护措施具体描述如下：

1）电源感应雷电防护：一般情况下，气象观测场采用交流或低压直流的供电形式[14-15]。针对交流电源形式的观测场设备，制定如图3 所示的雷电防护措施。

图3 交流电源感应雷电防护元件

针对低压直流电源形式的观测场设备，利用单体电源雷电防护组件，创建出如图4 所示的雷电防护措施。

图4 低压直流电源感应雷电防护元件

2）RS485 总线感应雷电防护：当RS485 进行远距离电力传输时，雷电击打与静电感应极易使传输线形成过电压，造成设备故障，因此，在设备前端按照图5 所示模式，完成信号避雷器连接[16]，并将RS485 传输线掩埋于地下，防止雷电直击。

图5 RS485总线感应雷电防护元件

3）主控板感应雷电防护：作为电源的二级雷电防护等级，主控板雷电防护元件（见图6）位于电源雷电防护元件的正后方。串联压敏电阻和温度保险丝后，将其与印制电路板（Printed Circuit Board，PCB）板电源的后方电路并联在一起[17]。其中，压敏电阻选用220KD20 型号。

图6 主控板雷电防护元件

把143 ℃的温度保险丝放置于压敏电阻前端，一旦压敏电阻达到一定高温，就熔断保险丝，避免压敏电阻因长时间工作造成发热、老化以及燃烧。温度保险丝与压敏电阻的安装模式如图7 所示，这样可令保险丝充分受热，通过固定热缩套管，更好地感知压敏电阻温度[18]。

图7 安装模式图

3 防护效果模拟实验

3.1 实验准备

利用AR4105A 型号的高精度防雷测试仪，监测采集某气象观测场应用雷电防护措施前三年与后两年的逐日闪电数据。将当地气象局发布的数据与雷电测试系统获取的数据结果作为实验数据来源，测试不同方法的雷电防护效果。

3.2 雷电防护效果分析

表1 为该气象观测场2016-2020 年连续五年雷暴天数。

表1 某气象观测场连续五年雷暴天数

根据统计的雷击次数前后变化可以看出，该文方法通过连接防雷地区、设备防护地区以及工作地区，建立了一个良好、安全、可靠的接地防护措施，并在风杆顶部上安装已提前固定好引下线的避雷针，令引下线与接地体可靠连接，避免了直击雷的过电流导致设备发生故障，将浪涌保护器安装于不同种类的通道入口位置，通过快速下降阻值令雷电流释放，防护了位于其后的有关设备，故具有良好的雷电防护有效性，大幅降低了观测场区域被雷击的概率，确保气象站正常运行。

同时，根据该气象观测场环境，结合GB50343-2012 与QX30-2004 防雷技术规范以及IEC61312 电磁脉冲防护标准分类，该观测场雷电防护等级为一级，直击雷防护等级为二类，电源线路雷电防护等级为三级，确保满足观测场设备电源安全需求。

为验证防护措施的可行性，分别采用文献[2]方法、文献[3]方法以及该文方法，对所选观测场的设备及其电路展开雷电防护实验，所得实验波形图如图8所示。

通过图8 中波形可以看出，该文方法通过深入分析气象观测场的风杆、值班室电磁感应以及闪电反击等多个因素，合理制定了地网、直击雷避雷针以及浪涌保护器电源、主控板、RS485 总线等方面更具针对性的雷电防护措施，因此，将输入的电压信号可以调整至相对理想的电压水平，确保了设备及其电路的正常工作，较文献[2-3]方法更合理、性能更稳定。

图8 设备及其电路波形图

4 结论

气象事业飞速进步，各类高科技水平的观测设备逐渐替代传统观测方法。现代电子设备普遍存在绝缘强度较低、过电压耐受能力较差等问题，较易受到雷电影响，日益演变为气象观测场雷电防护的关键环节。因此，该文面向设备电源安全，设计气象观测场雷电防护措施，提升观测场的整体雷电防护标准。气象观测场的雷电防护属于一种综合工程，影响因素多种多样，在今后的工作中应充分考量各方面雷电防护细节，确保各环节均能够正常运转，从根本上提升防护效果；应分别安装避雷针与风向风速传感器，利用电磁屏蔽避雷针引下线与数据线，保证雷电防护水平；需尝试结合嵌入式、物联网等各类创新型技术，争取早日实现观测场雷电防护措施的可视化，使其更具规范性。