自動氣象站防雷技術(shù)探討

莫正強(qiáng) 伍志康

摘要：自動氣象站是氣象部門的基本組成，也是獲取氣象資料的場所，由于其本身結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的獨特性和安裝時地理位置的特殊性，自動氣象站在工作過程中十分容易受到雷擊的破壞，進(jìn)而影響到其安全運(yùn)行。本文通過從自動氣象站的地理位置，自然環(huán)境等方面詳細(xì)分析，探索出新的自動氣象站防直擊雷技術(shù)，為氣象現(xiàn)代化建設(shè)提供理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：自動氣象站；防雷技術(shù)；雷擊

隨著國民經(jīng)濟(jì)的進(jìn)步和社會的不斷發(fā)展，氣象部門的災(zāi)害天氣預(yù)警起著十分重要的作用，尤其是在對一些公共安全問題上。作為氣象部門業(yè)務(wù)的重要組成部分，一方面也是氣象部門的基礎(chǔ)所在，占有重要的地位，另一方面氣象部門的天氣預(yù)報可以起到預(yù)防自然災(zāi)害和突發(fā)公共安全問題等。然而，自動氣象站由于本身結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的獨特性和安裝時地理位置的特殊性，導(dǎo)致自動氣象站容易遭受雷擊災(zāi)害的影響，輕則損毀儀器，嚴(yán)重時可能會影響到天氣預(yù)警進(jìn)而威脅到人民群眾的生命財產(chǎn)安全。各地方政府對此十分重視，所以，通過分析自動氣象站的雷擊原因，以及提出有效的防雷技術(shù)工程顯得尤為重要。

一、自動氣象站雷擊事故原因分析

1、直擊雷的影響

直擊雷是指當(dāng)帶電的云層與大地上某一點之間發(fā)生的快速放電現(xiàn)象，其電壓峰值通?？蛇_(dá)幾萬伏甚至幾百萬伏，主要危害建筑物、建筑物內(nèi)電子設(shè)備和人。在自動氣象站中，由于其傳感器的裝置一般都是安裝在10m-20m高的風(fēng)桿上，而且通常的傳感器又是通過數(shù)據(jù)傳輸線和數(shù)據(jù)采集裝置連接起來，這就使得其十分容易遭受直擊雷的侵襲，進(jìn)而造成氣象站的精密檢測設(shè)備的損壞。設(shè)備的損壞將直接導(dǎo)致氣象數(shù)據(jù)采集的錯誤和相關(guān)資料的不準(zhǔn)確。

2、感應(yīng)雷的影響

感應(yīng)雷通常分為兩種，一種是由于雷電放電時，巨大的沖擊雷電流在周圍空間產(chǎn)生迅速變化的強(qiáng)磁場引起的電磁感應(yīng)雷；另一種是由于帶電積云接近地面，在架空線路導(dǎo)線或其他導(dǎo)電凸出物頂部感應(yīng)出大量電荷引起的靜電感應(yīng)雷。對于自動氣象站，當(dāng)雷電活動時，可能由于雷電集中了一些電源線和信號傳輸線，從而引發(fā)雷電耦合；也可能由于發(fā)生在自動氣象站附近的雷電形成了強(qiáng)大的電磁場從而使得氣象數(shù)據(jù)采集設(shè)備受到影響乃至損壞。

3、防雷地網(wǎng)設(shè)計不合理的影響

通常的防雷地網(wǎng)可以在雷電發(fā)生時將其產(chǎn)生的電流迅速的傳輸?shù)酱蟮刂腥ィ苊庠斐勺詣託庀笳镜膿p壞。然后如果防雷地網(wǎng)設(shè)計的不合理出現(xiàn)接地電阻過大就阻礙了電流的這種傳輸，富集在自動站周圍，會引發(fā)一系列的雷擊事件的發(fā)生。

總的來說，雷擊引發(fā)的自動氣象站損壞主要有三種途徑，第一，直擊雷等使得室外的數(shù)據(jù)采集裝置和傳感器損壞；第二，電源線路受到感應(yīng)雷的影響，造成電源線路的損壞；第三，通信線路系統(tǒng)受到雷電的影響，進(jìn)而造成重要設(shè)備的損壞。因此，為了防止由于雷電引發(fā)上述問題，需要結(jié)合三種雷電的產(chǎn)生規(guī)律，以及氣象站的設(shè)備實際使用情況，包括自動氣象站附近的地理位置、地質(zhì)條件等環(huán)境因素，進(jìn)行全面的規(guī)劃和防治。

二、自動氣象站雷電防護(hù)

第一，自動氣象站的外部防雷。也就是防直擊雷，針對于自動氣象站多建造于地勢平坦、空曠的野外，而容易引發(fā)雷擊的情況，需要結(jié)合當(dāng)?shù)乩妆┌l(fā)生頻率等相關(guān)實際情況，對自動氣象站的外部防雷技術(shù)進(jìn)行具體的分析和探討。通常的自動氣象站室外的觀測場合數(shù)據(jù)采集裝置、傳感器等可以利用室外的風(fēng)桿作為避雷針防治直擊雷，但是需要通過滾球法進(jìn)行精確計算器可以保護(hù)的范圍，嚴(yán)格按照防雷技術(shù)規(guī)范要求來進(jìn)行。

對于自動氣象站室內(nèi)的計算機(jī)設(shè)備和其他相關(guān)儀器需要在值班室的房地安裝防直擊雷避雷帶。此外，對于自動氣象站的衛(wèi)星天線和太陽能板需要安裝獨立的避雷針來防治雷擊。對于避雷針的安裝，需要事先設(shè)計好金屬裝備來改變雷電的通道，防治雷電流發(fā)生在需要保護(hù)的位置上。再者，對于空曠地帶的風(fēng)桿由于受到雷擊后會導(dǎo)致室外設(shè)備的全部損壞，所以為了被接閃器引過來的雷電流安全地泄放到大地中，接閃器的各金屬必須通過引下線與人工地網(wǎng)可靠連接。

第二，自動氣象站的內(nèi)部防雷。由于自動氣象站的內(nèi)部容易受到感應(yīng)雷的影響而損壞。所以為了避免這種由于雷電電磁感應(yīng)產(chǎn)生的感應(yīng)雷影響，需要在自動氣象站建立內(nèi)部防雷工程。感應(yīng)雷容易沿著自動氣象站的通信線路和電源線路等以過電壓的方式侵襲用電設(shè)備，而感應(yīng)過電壓的傳播途徑主要有電源線路和通信線路兩種。

對于電源線路通?？蛇M(jìn)行電源系統(tǒng)的改進(jìn)來進(jìn)行防護(hù)。在電源的總進(jìn)線處安裝一個電源保護(hù)器，一般是10KA以上的電源SPD的一級電源保護(hù)器，進(jìn)而在值班室分配電進(jìn)線至UPS之間安裝一個20KA的電源SPD作為二級電源保護(hù)器，在數(shù)據(jù)采集設(shè)備的安裝一個10KA的電源SPD作為三級電源保護(hù)器，此外，對于計算機(jī)可以在其電源和UPS之間安裝相應(yīng)的插座式避雷器。

同樣的，對于通信線路通常也需要進(jìn)行通信系統(tǒng)的多級保護(hù)，這可以在各級防雷部位安裝相應(yīng)的信號SPD來實現(xiàn)。具體的，在氣象站的電信總進(jìn)線處安裝RJ45接口的信號避雷器，在對于值班室的電話安裝RJ11接口的信號避雷器，且對于包括數(shù)據(jù)采集設(shè)備、數(shù)據(jù)傳輸線、通訊線路、衛(wèi)星信號線等相應(yīng)的地方安裝信號避雷針。

三、自動氣象站雷電防護(hù)改進(jìn)策略

對于自動氣象站的防雷，除了實現(xiàn)建立內(nèi)部和外部防雷外，還可以對相應(yīng)的防雷裝置進(jìn)行一定的改進(jìn)，且主要體現(xiàn)在兩個方面。

第一，對于觀測場來說，僅僅通過風(fēng)桿的防雷保護(hù)可能尚有不足，可以在觀測場安裝上獨立的接閃桿。這種接閃桿可以直接接受雷電，并將其引入到大地，且注意保持接閃桿和室外電子儀器設(shè)備一定的距離，能夠?qū)⒗纂娭苯右龑?dǎo)到接閃桿上，有效地避免直擊雷對電子設(shè)備的影響。此外，對于面積較大觀測場，可以通過安裝2根甚至更多的平行登高的接閃桿來作為雷擊目標(biāo)，來保護(hù)觀測場內(nèi)設(shè)備。需要注意的是，接閃桿不能采用共用接地體，且接閃桿安置位置距離風(fēng)桿的垂直距離要大于3m。

第二，在自動氣象站可以建立聯(lián)合共用接地系統(tǒng)，通過將自動氣象站觀測場防雷地、設(shè)備工作地、設(shè)備保護(hù)地等聯(lián)合共用為一個接地系統(tǒng)，建立成一個共用的人工地網(wǎng)，通過聯(lián)合共用接地網(wǎng)來降低地網(wǎng)之間的電位差，從而達(dá)到防治雷擊使得設(shè)備損壞。對于觀測場的接地系統(tǒng)，建立防雷接地系統(tǒng)和電子設(shè)備接地系統(tǒng)，鋪設(shè)一個電纜溝，將電源線和信號線安置其中，并且用金屬護(hù)套管對電纜進(jìn)行雙重屏蔽，達(dá)到防雷的作用。此外，接閃桿和觀測場圍欄之間的的距離不能過近，應(yīng)當(dāng)保持在3m以外，如果出現(xiàn)不能不靠近的情況，則可以在二者之間填充絕緣材料。

總結(jié)

綜上所述，本文通過從自動氣象站的及其防雷進(jìn)行介紹，并詳細(xì)分析了自動氣象站容易引發(fā)雷電襲擊的原因，為自動氣象站雷電防護(hù)的建立奠定了基礎(chǔ)。進(jìn)而，筆者從外部和內(nèi)部的兩個方面講述了雷電防護(hù)，并且提出在觀測場安裝接閃桿和建立聯(lián)合共用接地網(wǎng)的防雷工程改進(jìn)措施。本文通過從自動氣象站的地理位置，自然環(huán)境等方面詳細(xì)分析，探索出新的自動氣象站防雷技術(shù)，為氣象事業(yè)的建設(shè)提供理論基礎(chǔ)。

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