龍洞堡機場自動觀測系統(tǒng)的防雷設(shè)計

劉武

摘 要：針對貴陽機場自動觀測系統(tǒng)雷擊時雷電入侵的途徑和危害，采取相應(yīng)的防雷設(shè)計；系統(tǒng)的防雷設(shè)計包括機房內(nèi)外防護和外場防護：機房防護包括屏蔽、等電位連接和共用接地系統(tǒng)、過電壓防護以及綜合布線等措施；外場防護包括人工接地體和電涌保護器等措施。

關(guān)鍵詞：自動觀測；防雷設(shè)計；雷電；電涌保護器

中圖分類號：TP29 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）15-0074-03

Abstract： In view of the ways and harm of lightning intrusion during thunder and lightning strike of automatic observation system of Guiyang Airport， the corresponding lightning protection design is adopted. The lightning protection design of the system includes the protection inside and outside the computer room and the external field protection. The protection of the machine room includes shielding， equipotential connection and common grounding system， overvoltage protection and comprehensive wiring； field protection includes manual earthing and surge protector.

Keywords： automatic observation； lightning protection design； thunder and lightning； surge protector

引言

隨著時代的快速發(fā)展，人們逐漸從對雷電現(xiàn)象的感官上的認(rèn)識發(fā)展到對雷電極具危害性的物理層面上的認(rèn)識。雷電以其極具破壞力的特點對人類的生命、財產(chǎn)安全造成巨大的危害。而機場自動觀測系統(tǒng)作為一項保障航班正常運行的關(guān)鍵電子系統(tǒng)，若受到雷擊損壞，將不能準(zhǔn)確及時提供飛行所需的氣象數(shù)據(jù)，這會直接影響飛行保障工作。因此，對于機場自動觀測系統(tǒng)的防雷保護就顯得非常的重要和必要。

1 自動觀測系統(tǒng)

自動觀測系統(tǒng)（AWOS）是機場運行中重要的氣象設(shè)備，提供跑道視程（RVR）、能見度（Visibility）、修正海平面氣象（QNH）和風(fēng)向風(fēng)速等要素，為管制員指揮決策、飛行器飛行提供氣象保障。系統(tǒng)主要由中央處理單元（CDU）、切換單元（Switch-over Unit）、不間斷電源（UPS）、局域/廣域網(wǎng)（LAN/WAN）、工作站、專用數(shù)據(jù)顯示器、數(shù)據(jù)輸出系統(tǒng)等構(gòu)成。其工作原理是利用傳感器（溫度傳感器、氣壓傳感器、風(fēng)向風(fēng)速傳感器等）感知各種氣象要素并將其轉(zhuǎn)化為電信號，然后數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)將電信號傳輸?shù)綌?shù)據(jù)接收系統(tǒng)，經(jīng)過相關(guān)計算與數(shù)據(jù)處理，最后便可從顯示工作站獲得各種氣象要素訊息。自動觀測系統(tǒng)工作站分為系統(tǒng)維護工作站、觀測員工作站、預(yù)報員工作站及天氣顯示工作站，各站點之間是相互獨立的[1]。圖1為整個自動觀測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。

自動觀測系統(tǒng)的基本模式是傳感器——數(shù)據(jù)采集器——計算機——應(yīng)用/服務(wù)，其用到了現(xiàn)代三大技術(shù)。第一類就是電子技術(shù)，包括電子測量技術(shù)、單片機技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)技術(shù)；第二類就是數(shù)據(jù)通訊技術(shù)，包括計算機網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、電信數(shù)據(jù)通訊技術(shù)等，主要負責(zé)數(shù)據(jù)的通訊與傳輸工作；第三類是計算機技術(shù)，包括數(shù)據(jù)庫技術(shù)、圖形顯示和處理技術(shù)、數(shù)據(jù)發(fā)布技術(shù)等，計算機技術(shù)的使用主要是負責(zé)將傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行處理，最后得到所需要的信息。

自動觀測系統(tǒng)具有以下的特點：

（1）系統(tǒng)可靠性高：因為航空氣象對自動觀測系統(tǒng)運行正常率要求較高，因此自動觀測系統(tǒng)的可靠穩(wěn)定極其重要，要能確保系統(tǒng)長時間的無故障工作[2]。

（2）系統(tǒng)采樣速度快：自動觀測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集要求速度快，能實時采集最新數(shù)據(jù)，無滯后現(xiàn)象。

（3）系統(tǒng)精確度與靈敏度高：數(shù)據(jù)采集的精度如果不夠，正常的微小畸形變化就會被數(shù)據(jù)采集所產(chǎn)生的誤差所掩蓋，無法分清是氣象本身所產(chǎn)生的差異還是誤差產(chǎn)生的差異。

（4）數(shù)據(jù)量小，處理快：就目前情況而言，常規(guī)的自動觀測系統(tǒng)觀測數(shù)據(jù)量還是比較少的，而且數(shù)據(jù)的處理速度也較快。

目前，自動觀測系統(tǒng)已是機場運行必須配備的設(shè)備，一旦出現(xiàn)故障對航班保障會造成不良影響。因此自動觀測系統(tǒng)的工作狀況會引起運行部門的高度重視[3]。

2 雷電的破壞原理

2.1 雷電的產(chǎn)生

雷電是天空中一部分帶電的云層內(nèi)部、云層與云層之間或者云層與大地之間一種長距離放電現(xiàn)象，具有大電流、高電壓、強電磁輻射等特征。從物理層面來說，雷電就是雷擊電磁脈沖（LEMP），它的產(chǎn)生有兩種方式：一是雷擊電流，通過釋放電流回路，形成電流脈沖波；另一種是雷擊電流脈沖的產(chǎn)物，通過磁場輻射出的雷擊電磁脈沖。這兩種方式可以彼此間相互轉(zhuǎn)換。

2.2 雷電的破壞原理及主要途徑

雷電的破壞一般是雷擊電流引起的。示波器下的雷擊電流的波形是一種脈沖電流波，其特征是上沿很陡、下沿較長、能量值很高。而且因制造工藝的發(fā)展，各類電子設(shè)備與元器件越來越小型化，它們的工作電壓甚至僅有幾伏，同時作為信息傳遞的電流也很小，這使得電子設(shè)備對雷擊電磁脈沖（Lightning electromagnetic impulse，LEMP）極為敏感。所以當(dāng)電子設(shè)備在受到雷擊時，放電產(chǎn)生的數(shù)十萬伏的電壓會損壞電子設(shè)備的正常運行[3]。

通過對多年雷災(zāi)事故的實際調(diào)查和分析，我們認(rèn)為，雷電入侵的途徑主要有以下幾類：

（1）直擊雷。直擊雷是一種以強烈電流與高溫為破壞手段的云地間放電方式，電壓可高達幾億伏。它會對突出的且向上的物體進行雷擊，進而造成十分巨大的損害。這種雷電主要以安裝避雷針為主要防范手段，但是在避雷的過程中也會出現(xiàn)雷電散擊或繞擊現(xiàn)象，因此對于直擊雷的防范不可忽視。

（2）感應(yīng)雷。感應(yīng)雷又稱雷電感應(yīng)，分為靜電感應(yīng)和電磁感應(yīng)。感應(yīng)雷不是一種以直擊為傷害方式的雷電。它以戶外管道為途徑，迂回損傷電子設(shè)備。感應(yīng)雷累積電流不高，但發(fā)生雷電的次數(shù)頻繁，所以這種雷擊的傷害也不容小覷。

（3）雷電浪涌。電路在遭雷擊和在接通、斷開電感負載或大型負載時常常會產(chǎn)生很高的操作過電壓，這種瞬時過電壓（或過電流）稱為浪涌電壓（或浪涌電流），是一種瞬變干擾。電子設(shè)備在升級過程中，集成度也在快速增加，導(dǎo)致對于雷電流的抵抗力也在下降。雷電浪涌許多途徑對電子設(shè)備進行干擾與破壞，因此安裝浪涌保護器對于防止雷電浪涌很有必要。

（4）雷電反擊。雷電的反擊現(xiàn)象通常是指在接閃瞬間與大地間存在著很高的電壓，這種電壓對與大地連接的其他金屬物品發(fā)生放電（又叫閃絡(luò)）的現(xiàn)象。雷電反擊受雷擊電位、電流大小及磁場變化的影響。雷電反擊會損害設(shè)備，甚至危害人體。

（5）雷電入侵波。由于雷擊在架空線路的導(dǎo)線上或架空的金屬管道上產(chǎn)生的沖擊電壓，沿著線路或管道的兩個方向迅速傳播的雷電波稱為雷電入侵波。雷電在通過不同的線路時，因為各線路參數(shù)不同，就會導(dǎo)致阻抗也不盡相同，因此就會導(dǎo)致線路中某處電壓突然變高，電壓的突然升高會對電子設(shè)備和元件造成極大的損害。

2.3 雷電對電子設(shè)備的干擾方式

雷電對電子設(shè)備的干擾方式干擾分為三種[4]：

（1）雷電中的電磁輻射對電路、信號線路和電子設(shè)備的電磁干擾。

（2）瞬時強大電流對電子設(shè)備電路的干擾。

（3）許多電子管道會作為導(dǎo)體傳來電磁波，對內(nèi)設(shè)進行損害與干擾。

3 自動觀測系統(tǒng)的防雷設(shè)計

在分析了雷害入侵的各種途徑的基礎(chǔ)上，依據(jù)國家和有關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，參照IEC的有關(guān)防雷技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，并根據(jù)實際防雷工作經(jīng)驗，認(rèn)為對自動觀測系統(tǒng)的防雷應(yīng)分為機房防雷（機房外部防雷和機房內(nèi)部防雷）和外場防雷（自動觀測系統(tǒng)傳感器端和傳輸）。

3.1 機房外部防雷保護措施

機房的外部防雷保護主要是指機房所在建筑物的直擊雷和側(cè)擊雷防護，其設(shè)計依據(jù)主要是GB50057-94《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》和IEC1024《國際建筑防雷標(biāo)準(zhǔn)》。利用建筑物本身的接閃器（避雷針、帶、網(wǎng)）、引下線、接地裝置將雷電流的50%泄放入地[5]。

3.2 機房內(nèi)部防雷保護措施

機房的內(nèi)部防雷保護主要是指機房內(nèi)的感應(yīng)雷，雷電浪涌和雷電入侵波防護，其防雷措施主要有屏蔽、共用接地系統(tǒng)和等電位連接、過電壓防護以及綜合布線等。

機房內(nèi)的屏蔽分為設(shè)備屏蔽和線纜的屏蔽，設(shè)備的屏蔽應(yīng)在對設(shè)備耐過電壓水平的基礎(chǔ)上，按雷電防護區(qū)（Lightning Protection Zone，LPZ）施行多級屏蔽。線纜應(yīng)敷設(shè)在金屬屏蔽槽（管）內(nèi)加以屏蔽，并使金屬屏蔽槽（管）兩端接地，且在穿越雷電防護區(qū)（LPZ）交界處時，與該層等電位連接帶連接[6]。

共用接地系統(tǒng)是指利用建筑物基礎(chǔ)地網(wǎng)作為共用接地地網(wǎng)。等電位連接是指將分開的裝置、各類導(dǎo)電物體用等電位連接導(dǎo)體或電涌保護器（Surge Protective Devices，SPD）連接起來以減小雷電流在它們之間產(chǎn)生的電位差。共用接地系統(tǒng)和等電位連接是減少雷電反擊的有效手段。

過電壓防護是自動觀測系統(tǒng)機房防雷設(shè)計的重要環(huán)節(jié)，分為機房低壓供電系統(tǒng)的過電壓防護和通訊網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)備接口的過電壓防護。供電系統(tǒng)應(yīng)注意其供電制式應(yīng)使用TN-S系統(tǒng)或TN-C-S系統(tǒng)。 通訊網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)備接口處應(yīng)加裝電涌保護器（SPD）并接入等電位連接帶上[7]。

綜合布線主要考慮：廣域網(wǎng)線纜不要與局域網(wǎng)線纜同槽架設(shè)；電源線不要與信號線同槽架設(shè)，線纜與外墻距離最好在1米以上。

3.3 外場防雷保護措施

自動觀測系統(tǒng)外場探測設(shè)備建設(shè)在距跑道中心線120米處，地勢空曠。其防雷保護措施的設(shè)計主要依據(jù)GB50343《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》有關(guān)接地體的規(guī)定。對采集傳輸模塊的保護主要采用空心電感線圈作為級間退耦器件的電涌保護器（見圖2）。該型電涌保護器具有低回路阻抗、高使用壽命、高頻抑制及濾波功能等特點，能夠有效確保系統(tǒng)的精密性、穩(wěn)定性及可靠性。

綜上所述，我們把自動觀測系統(tǒng)的防雷設(shè)計總結(jié)為：分流（Dividing）、均壓（Bonding）、屏蔽（Shielding）、接地（Earthing）和防雷保護設(shè)備使用的綜合，外部防雷和內(nèi)部防雷缺一不可。

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