自動(dòng)氣象站防雷技術(shù)問(wèn)題研究

鹿原

摘 要：無(wú)人自動(dòng)站的雷擊損害途徑主要從以下三個(gè)方面考慮：雷電直接擊中自動(dòng)站設(shè)施；雷擊引起的地電位反擊；雷擊引起的閃電電涌（閃電靜電感應(yīng)、閃電電磁感應(yīng)、閃電電涌侵入）對(duì)采集、通訊、電源系統(tǒng)造成的損壞。所以要最大限度地降低無(wú)人自動(dòng)氣象站因雷電所造成的損失，應(yīng)從以上三種雷電的主途徑著手，結(jié)合無(wú)人自動(dòng)氣象站本身的地理、地質(zhì)、氣象、環(huán)境等實(shí)際條件和雷電活動(dòng)規(guī)律出發(fā)，進(jìn)行全面規(guī)劃，綜合防治。

關(guān)鍵詞：無(wú)人自動(dòng)站；防雷技術(shù)；綜合防治

一、概述

無(wú)人自動(dòng)站為六要素自動(dòng)氣象站：降雨、風(fēng)向、風(fēng)速、氣壓、溫度、濕度；設(shè)備包括風(fēng)桿、百葉箱、雨量筒、采集器、太陽(yáng)能板、電池。功能包括：將采集到的信息以短信方式發(fā)送到主站，每5分鐘發(fā)送一次。百葉箱材質(zhì)一般為玻璃鋼；通常采用蓄電池電源為其正常工作提供動(dòng)力，并利用太陽(yáng)能為蓄電池充電。雷電是一種劇烈的大氣現(xiàn)象，雷擊所產(chǎn)生的電效應(yīng)、熱效應(yīng)、機(jī)械效應(yīng)等給人民生命和財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)巨大的損害。無(wú)人自動(dòng)氣象站分布在山坡、湖泊、村莊等不同的地理、地質(zhì)環(huán)境中，常年能夠收集無(wú)數(shù)條具有利用價(jià)值和科學(xué)含量的數(shù)據(jù)。所有設(shè)備均在室外，只要遭受雷擊，系統(tǒng)將會(huì)癱瘓，業(yè)務(wù)就不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，完全失去了無(wú)人自動(dòng)氣象站的數(shù)據(jù)采集、傳輸?shù)茸詣?dòng)功能系統(tǒng)。為了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性，必須從綜合考慮自動(dòng)站的雷電防護(hù)措施。

二、無(wú)人自動(dòng)氣象站雷電防護(hù)對(duì)策

由于無(wú)人自動(dòng)氣象站是完全暴露在野外，并要求7×24 小時(shí)不間斷可靠運(yùn)行，難以避免也不可能躲避雷電流的襲擊。因此，根據(jù)現(xiàn)代雷電防護(hù)技術(shù)理論，針對(duì)無(wú)人自動(dòng)氣象站所處地理、地質(zhì)、土壤、氣象、環(huán)境等條件和雷電流主要途徑，結(jié)合當(dāng)?shù)乩纂娀顒?dòng)規(guī)律及其特征等情況，應(yīng)采取主動(dòng)的雷電災(zāi)害防護(hù)措施。由于無(wú)人自動(dòng)氣象站通常處在相對(duì)空曠、平坦的野外環(huán)境，也就增大了遭受雷電災(zāi)害的可能性，從其遭受雷擊的主要途徑分析：雷電直接擊中自動(dòng)站設(shè)施：雷電流直接擊中室外的傳感器、數(shù)據(jù)采集器等任何一個(gè)設(shè)備，從而室外某一種設(shè)備不能正常工作。特別無(wú)人自動(dòng)氣象觀測(cè)站內(nèi)的10 米高的風(fēng)桿最容把附近的雷電流引入觀測(cè)場(chǎng)內(nèi)，導(dǎo)致破壞周圍的設(shè)備；雷擊引起的地電位反擊：雷電流流入大地時(shí)，由于接地電阻阻值超標(biāo)，產(chǎn)生較大的壓降，使地電位抬高，反向擊穿設(shè)備，導(dǎo)致其中某個(gè)設(shè)備損害，造成無(wú)人自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)不齊全；雷擊引起的閃電電涌。電源和信號(hào)線纜引出室外的數(shù)據(jù)采集設(shè)備、通訊網(wǎng)絡(luò)等設(shè)備，由于室外設(shè)備遭受雷擊，產(chǎn)生閃電靜電感應(yīng)、閃電電磁感應(yīng)、閃電電涌侵入造成重要設(shè)備的損壞。導(dǎo)致無(wú)人自動(dòng)氣象站完全癱瘓。無(wú)人自動(dòng)氣象站安裝在野外的自然環(huán)境下，地處空曠，很容易被直擊雷襲擊。無(wú)人自動(dòng)氣象站室沒(méi)有值班室，所以不用考慮建筑物防雷部分。室外設(shè)備直擊雷防護(hù)可以采用，觀測(cè)場(chǎng)10米高的金屬風(fēng)桿上安裝接閃桿作為接閃器來(lái)主動(dòng)迎接直接雷擊，并通過(guò)滾球法計(jì)算出它的保護(hù)范圍，使觀測(cè)場(chǎng)內(nèi)的所有設(shè)備均處于直擊雷防護(hù)區(qū)內(nèi)，通過(guò)截面積不小于50mm2 的多股銅芯線引入接地裝置，達(dá)到了真正的經(jīng)濟(jì)實(shí)用、可靠，且簡(jiǎn)單易使用的目的。由于無(wú)人自動(dòng)氣象站占地面積相對(duì)較?。?0 米×10 米的正方形區(qū)域內(nèi)），難以進(jìn)行大地網(wǎng)設(shè)計(jì)、施工。因此，為達(dá)到設(shè)計(jì)效果和使用目的，整個(gè)無(wú)人自動(dòng)氣象站應(yīng)設(shè)計(jì)成一個(gè)完整的、網(wǎng)格化的共用接地系統(tǒng)，由水平接地極和垂直接地極構(gòu)成，做好等電位連接，即使在發(fā)生直接雷擊的情況下，也能使雷電流在最短的時(shí)間內(nèi)通過(guò)人工接地極從地中耗散。無(wú)人自動(dòng)氣象站不僅考慮遭受直擊雷的損壞，同時(shí)也考慮閃電感應(yīng)、閃電電涌侵入的損害。所謂的閃電感應(yīng)是閃電放電時(shí)，在附近導(dǎo)體上產(chǎn)生的雷電電磁感應(yīng)和雷電靜電感應(yīng)，它可能使金屬部件之間產(chǎn)生火花放電。閃電電涌侵入是由于雷電對(duì)架空線路、電纜線路或金屬管道的作用，雷電波即閃電電涌，可能沿著這些管線侵入設(shè)備處，危及人身安全或損壞設(shè)備。它們的最主要的特征是沿著線路以過(guò)電壓方式侵襲各設(shè)備。

無(wú)人自動(dòng)氣象站均分布在野外空曠地段，只能采用太陽(yáng)能系統(tǒng)供電。太陽(yáng)能系統(tǒng)主要由太陽(yáng)能板、控制器、蓄電池組組成，由于無(wú)人自動(dòng)站設(shè)備數(shù)量不多，負(fù)載不重，不需要逆變器，由12 伏太陽(yáng)能直流電直接供電，其供電方式。嚴(yán)格規(guī)范要求建筑物、易燃易爆等其他場(chǎng)所的電源系統(tǒng)進(jìn)行三級(jí)防護(hù)，但無(wú)人自動(dòng)站供電系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單，進(jìn)行兩級(jí)防護(hù)就行，具體做法如下：首先，應(yīng)該在太陽(yáng)能電池板輸出到控制器的線路上安裝相應(yīng)的一級(jí)直流電源浪涌保護(hù)器，其標(biāo)稱放電電流為5KA，最大雷電通流量為10KA，減少線路上傳導(dǎo)的雷電流及閃電電磁感應(yīng)；其次，在控制器、蓄電池內(nèi)安裝相應(yīng)的二級(jí)電源浪涌保護(hù)器，其最大雷電通流量為5KA，滿足電源系統(tǒng)兩級(jí)防雷保護(hù)的要求。自動(dòng)氣象站信號(hào)線路防雷器是多年雷電電磁防護(hù)經(jīng)驗(yàn)所研發(fā)的最新一代傳感器信號(hào)防雷器，此種防雷器安裝在無(wú)人自動(dòng)站傳感器與數(shù)據(jù)采集器之間，保護(hù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、溫濕度傳感器、風(fēng)向風(fēng)速傳感器等免受雷擊浪涌侵?jǐn)_。同時(shí)，為實(shí)現(xiàn)等電位連接要求，無(wú)人自動(dòng)站的風(fēng)桿、金屬圍欄、百葉箱支架、雨量傳感器及采集箱、電源箱的金屬外殼均就近與共用接地系統(tǒng)作可靠的電氣連接。

由于大部分無(wú)人自動(dòng)氣象站分布在地質(zhì)條件比較差，因此無(wú)人自動(dòng)氣象站接地技術(shù)應(yīng)采用共用接地系統(tǒng)，單點(diǎn)接地方式，接地電阻應(yīng)≤4Ω。所有的接地線應(yīng)通過(guò)匯流排引致共同接地系統(tǒng)，系統(tǒng)的保護(hù)接地和工作接地宜分別單獨(dú)引至共用地網(wǎng)，接地引下線長(zhǎng)度要小于50m，截面積不小于35mm2，與防直擊雷引下線的間距不應(yīng)小于5m。作好人工地網(wǎng)跟各設(shè)備、觀測(cè)場(chǎng)風(fēng)向桿、太陽(yáng)能極板、數(shù)據(jù)采集箱、圍欄等所有金屬物相連接，使整個(gè)無(wú)人自動(dòng)氣象站達(dá)到等電位連接作用。無(wú)人自動(dòng)氣象站的防雷接地技術(shù)主要是在觀測(cè)場(chǎng)內(nèi)做垂直接地體和水平接地體連接組成的人工地網(wǎng)。水平接地體材料采用4x40 的鍍鋅扁鐵，埋設(shè)在當(dāng)?shù)貎鐾翆右韵拢怪苯拥夭捎?x50 的鍍鋅角鋼，長(zhǎng)度為2.5 米，間距為5 米。并與有關(guān)聯(lián)的建筑物地網(wǎng)、觀測(cè)場(chǎng)內(nèi)所有儀器塔架、儀器支架、儀器外殼和室內(nèi)各個(gè)設(shè)備做共用接地、等電位連接。垂直接地體和水平接地體的材料、規(guī)格、焊接工

藝必須符合標(biāo)準(zhǔn)，接地電阻≤4Ω。

三、結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)代綜合防雷技術(shù)理論的要求，有效的保障了野外無(wú)人自動(dòng)氣象站運(yùn)行的可靠性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性。解決自動(dòng)氣象站的雷擊問(wèn)題，需要對(duì)其存在的問(wèn)題進(jìn)行分析，研究問(wèn)題產(chǎn)生的主要原因，并提出有效對(duì)策對(duì)自動(dòng)氣象站實(shí)施防雷工作。

參考文獻(xiàn)

[1]楊海山，石瑞玲，馬永紅.自動(dòng)氣象站雷擊電磁脈沖危害及防護(hù)對(duì)策分析[J/OL].建筑知識(shí)，2015，（9）：1-2.

[2]劉志鵬，畢明林，劉鵬飛，姚維華.區(qū)域自動(dòng)氣象站建站注意事項(xiàng)[J].吉林農(nóng)業(yè).2016（12）

（作者單位：北京市懷柔區(qū)氣象局）