氣象雷達站雷電防護設(shè)計要點研究

王鵬 山東省濰坊市氣象局

氣象雷達站是我國氣象觀測的重要組成部分，同時也是提供氣象服務(wù)的基礎(chǔ)條件，但是由于氣象雷達站經(jīng)常遭到雷電的破壞，對氣象檢測的數(shù)據(jù)造成了很大的影響，同時也讓氣象觀測工作的順利開展受到了限制。為了能夠提高氣象雷達站雷電防護工作的效率，相關(guān)的技術(shù)人員就要對雷電防護設(shè)計方案重新進行調(diào)整，這樣才能為氣象雷達站的安全性提供保障。

一、氣象雷達站遭到雷擊的主要原因

（一）氣象雷達站室外設(shè)備遭到雷擊的主要原因

氣象雷達站觀測天氣變化的傳感器必須要安裝在室外，所以很容易遭到雷擊的破壞。傳感器必須在室外的主要原因有以下幾個方面：首先，為了給氣象觀測提供便利條件，氣象雷達站的室外設(shè)備都要到觀測現(xiàn)場后才能安裝，氣象雷達站的觀測現(xiàn)場周邊不允許有較高的建筑，并且周邊的環(huán)境也要開闊，不能對氣象雷達站的觀測場造成遮擋。為了提高傳感器的敏感性，傳感器探頭部分的材質(zhì)都是由穿透能力較強的金屬材質(zhì)構(gòu)成，無形之中就增加了傳感器遭受雷擊的可能性。其次，由于受到風(fēng)向和風(fēng)速的影響，傳感器安裝的位置一般都比較特殊，為了降低傳感器遭受雷擊的損壞，工作人員就會在傳感器的周圍安裝避雷針。雖然傳感器已經(jīng)安裝在避雷針的保護范圍內(nèi)，但是如果傳感器上的風(fēng)桿遭到了雷擊，雷電的電波會隨著傳感器的風(fēng)桿向室內(nèi)控制器中的電纜進行傳送，同樣會對室內(nèi)的感應(yīng)設(shè)備造成損壞。最后，如果傳感器已經(jīng)遭受了雷擊，傳感器周邊的避雷針就會形成強大的磁場，磁場在傳送的過程中會和各個傳感器產(chǎn)生交叉，這樣就會對涉及的觀測設(shè)備造成損壞。[1]

雷電產(chǎn)生的電磁脈沖對設(shè)備造成干擾的主要原因是通過輻射耦合關(guān)系和傳導(dǎo)耦合關(guān)系這兩種形式將電磁脈沖傳送到氣象雷達站中，對雷電站中的觀測設(shè)備造成了很大的影響。一般來說，如果雷電已經(jīng)對氣象雷達站造成了破壞，阻性耦合關(guān)系就會對反擊電壓直接造成損壞，而其他的耦合關(guān)系就會通過電纜或者其傳送設(shè)備傳統(tǒng)到主控制器上，這樣就會對氣象雷達站的所有設(shè)備造成破壞。雷擊的入侵主要有以下兩種體現(xiàn)形式：首先，雷擊波從氣象雷達站的線路上入侵。雷擊的電波通過線路直接進入到氣象雷達站的內(nèi)部控制系統(tǒng)，導(dǎo)致所有的設(shè)備都會受到雷擊的破壞，如果高壓電線被雷電集中，就會利用變壓器的耦合關(guān)系轉(zhuǎn)換成低壓，繼續(xù)入侵氣象雷達站的設(shè)備。如果是氣象雷達站的建筑物或者是建筑物的周邊設(shè)備的遭到了雷擊的破壞，雷電中包含的其中一部分電流就會隨著引下線傳送至地面，不能及時傳送的電流就會通過電纜中的線路傳送至室內(nèi)的設(shè)備中，對設(shè)備造成不同程度的破壞。其次，雷電的電波通過通信線路進入到設(shè)備中。如果氣象雷達站缺乏對雷電防護工作的重視，周邊有高層的建筑或者有其他容易引起雷擊的物體，如果這些物體遭受了雷擊的破壞，雷電中的電波和電壓就會對土地造成損壞，甚至還會影響到氣象雷達站周邊的整個建筑物。

（二）氣象雷達站室內(nèi)設(shè)備遭到雷擊的主要原因

氣象雷達站的集中處理系統(tǒng)設(shè)備和數(shù)據(jù)采集設(shè)備都要安裝在室內(nèi)，與氣象雷達站室外設(shè)備相比，室內(nèi)的這些設(shè)備更加容易受到雷電電波的沖擊。室內(nèi)設(shè)備遭到雷擊后，雷電的電波就會利用電磁脈沖對室內(nèi)的設(shè)備造成大面積的損壞，并且還會利用電源線路對其他設(shè)備造成破壞，如果雷擊的破壞程度較為嚴(yán)重，就會影響到整個氣象雷達站氣象系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)。另外，氣象雷達站在安裝接地系統(tǒng)時一定嚴(yán)格按照規(guī)范安裝，否則就會讓不同的電子設(shè)備產(chǎn)生電位差，同樣也會對氣象雷達站的氣象系統(tǒng)造成影響。[2]

二、雷電對氣象雷達站的入侵途徑以及對氣象雷達站造成的破壞

（一）雷電在氣象雷達站的入侵途徑

氣象雷達站遭到雷電擊中后，最明顯的破壞就是氣象雷達站的設(shè)備，氣象雷達站一旦遭受雷電擊中，就會通過多種方式對氣象雷達站的設(shè)備造成損壞。如果氣象雷達站室外的電線遭受到了雷擊的破壞，雷電的電波就會通過電線傳導(dǎo)至所有的室外設(shè)備，導(dǎo)致室外的設(shè)備全部遭到破壞。如果氣象雷達站周邊的建筑物或者構(gòu)筑物遭到雷擊，雷電中的電流就會通過建筑物或者構(gòu)筑物傳統(tǒng)到地面，然后再利用零線和地線將電流導(dǎo)入室內(nèi)的設(shè)備，導(dǎo)致室內(nèi)的設(shè)備也遭到破壞。另外，還有一種非常常見的雷電入侵方式，氣象雷達站室外的建筑物遭到雷電擊中后，雷電的電波和電壓很容易對氣象雷達站室外的傳感器或者其他設(shè)備造成損壞。

（二）雷電對氣象雷達站造成的危害程度

雷電是天氣環(huán)境中非常自然的一種天氣現(xiàn)象，但是雷電在釋放的過程中最高能夠釋放出幾百兆焦耳的能量，雷電在釋放的過程中還伴有強大的電流，電流在釋放過程中可以瞬間將溫度提升到一萬攝氏度，無論是哪個方面引起的連鎖反應(yīng)都會造成嚴(yán)重的后果，不僅會對建筑物或者構(gòu)筑物造成破壞，還會對人們安全造成威脅。如果氣象雷達站遭到雷電擊中后，遭到破壞的除了氣象雷達站的設(shè)備之外，還有內(nèi)部的其他設(shè)備和系統(tǒng)，另外，氣象雷達站外的傳感器和主控設(shè)備也會遭到破壞。雷電的電波一般都是由電路或者通信線路傳入到氣象雷達站的內(nèi)部設(shè)備中，導(dǎo)致氣象雷達站內(nèi)部大部分的設(shè)備都遭到了損壞。一般來說氣象雷達站都會建立在比較空曠的區(qū)域，由于占地面積較大，傳感器一般都是安裝在氣象雷達站的室外，從傳感器搜集到的數(shù)據(jù)傳輸至采集器中，然后再將采集器整理好的數(shù)據(jù)傳送至計算機中，要經(jīng)過很長的線路，再加上各個線路之間處在同樣的磁場環(huán)境中，相互之間必然會存在一定的聯(lián)系，所以很難對傳輸線路中的磁場進行屏蔽。如果這時遭到雷電擊中，很容易通過耦合關(guān)系對氣象雷達站的設(shè)備造成破壞。[3]

三、氣象雷達站外部雷電防護設(shè)計要點

（一）加強對直擊雷的防護工作

首先，技術(shù)人員在對氣象雷達站的外部進行雷電防護設(shè)計時，要根據(jù)氣象雷達站的實際情況不斷調(diào)整避雷針或者避雷帶的位置，增加對傳感器的保護力度。其次，及時的加強工作人員對直擊雷的防護工作。一般情況下，氣象雷達站在設(shè)計雷電預(yù)防工作時都會將避雷針或者避雷帶安裝在風(fēng)桿的上方，大部分的風(fēng)桿高度為十厘米左右，避雷針或者避雷帶的高度就要超過風(fēng)桿的位置安裝。為了避免雷電對建筑物造成破壞，建筑物的外部都會安裝導(dǎo)電裝置，導(dǎo)電裝置的主要作用是將雷電中的電波通過引下線釋放在地面上，所以導(dǎo)電裝置的阻力不能過大，否則就會影響到釋放電波的效率。

（二）做好氣象雷達站內(nèi)部和外部線路的屏蔽工作

即便是城市中的建筑物，無論是高層建筑還是多層的建筑都要安裝導(dǎo)電體，由于氣象雷達站的建筑物更加容易遭受雷擊，更要安裝導(dǎo)電體。一般的導(dǎo)電體都會安裝在建筑物的外墻護欄、結(jié)構(gòu)鋼筋或者外部的鐵門等金屬結(jié)構(gòu)上。如果進入雷雨季節(jié)時，建筑結(jié)構(gòu)上的導(dǎo)電體周圍就會形成一個大型的磁場，很容易產(chǎn)生電流。因此，技術(shù)人員要做好氣象雷達站建筑物外導(dǎo)電體的屏蔽工作，如果建筑物遭受到雷擊，也可以防止雷電將電流帶入到建筑物的內(nèi)部結(jié)構(gòu)中，這樣就能提高氣象雷達站內(nèi)部的設(shè)備的安全性。除此之外，技術(shù)人員還要做好氣象雷達站內(nèi)部設(shè)備的電磁屏蔽工作，利用安裝的導(dǎo)電體將內(nèi)部的設(shè)備進行封閉性的連接，同樣也能防止內(nèi)部設(shè)備遭到雷電的破壞。

四、氣象雷達站內(nèi)部雷電防護設(shè)計要點

（一）對電磁干擾進行有效攔截

當(dāng)氣象雷達站的內(nèi)部設(shè)備遭受到雷擊后，雷電中的電磁脈沖很容易對氣象雷達站內(nèi)部的電子設(shè)備造成干擾。因此，技術(shù)人員要制定相應(yīng)的措施防止電磁脈沖對氣象雷達站內(nèi)部的電子設(shè)備造成影響。這不僅能夠降低電磁在傳導(dǎo)過程中被過度消耗，將電磁波中的能量留在內(nèi)部的電子設(shè)備中，還能夠降低輻射對周圍人員造成的傷害。另外，對電磁干擾進行有效的攔截還能為氣象雷達站的正常運轉(zhuǎn)提供保障，同樣也能增加氣象雷達站的使用時間。[4]

（二）做好均壓等電位的連接工作

在氣象雷達站的內(nèi)部防雷設(shè)計中做好均壓等電位的連接工作就是為了防止不同設(shè)備之間出現(xiàn)電位差，確保各個設(shè)備的電壓都能保持一致。要想實現(xiàn)等電位，技術(shù)人員就要將氣象雷達站室內(nèi)所有電子設(shè)備的導(dǎo)體相連接，雖然這個系統(tǒng)具備很強的導(dǎo)電能力，但是仍然要在做好導(dǎo)體連接工作后安裝接地系統(tǒng)，這樣才能使整個系統(tǒng)更加安全。將氣象雷達站室內(nèi)所有電子設(shè)備的導(dǎo)體連接好之后，還要其他不能導(dǎo)電的設(shè)備相結(jié)合，并且還要將這個系統(tǒng)與避雷器相連接。換言之，實現(xiàn)均壓等電位是需要各個系統(tǒng)同時工作，才能在配合中提高工作的效率。

為了能夠給氣象雷達站的正常運行提供保障，技術(shù)人員還要構(gòu)建完整的接地網(wǎng)絡(luò)，實際上就是利用一個接地設(shè)備將氣象雷達站室內(nèi)所有的電子設(shè)備相結(jié)合，這樣才能確保電子設(shè)備的安全性。最后，相關(guān)的技術(shù)人員要將與電子設(shè)備相連接的接地線、對設(shè)備進行保護的接地線以及氣象雷達站室內(nèi)和室外的防雷接地線融合在一起，這樣才能將所有的電流全匯集到一起。另外，除了連接這三種不同作用的接地線之外，還要將氣象雷達站中所有的接地線全部與接地網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，并且還要將這些接地線全部引入到地下，這樣才能在氣象雷達站遭受雷擊時，通過接地線將雷電中的電流引入到土壤中。

（三）做好線路的分流工作

相關(guān)的技術(shù)人員要根據(jù)氣象雷達站的特點，選擇更加適合氣象雷達站的方式安裝所有的電源線。在對電源線安裝保護裝置的過程中，一級保護是將電源線與總配電箱連接。二級保護則是將電源線與氣象雷達站內(nèi)部機房的線路相連接。為了能夠提高電源線的安全性，相關(guān)的技術(shù)人員要確保兩級保護器之間相連接的線路分開一段距離，并且兩者之間的距離最短不能小于五厘米。氣象雷達站機房內(nèi)的保護器連接的地線和設(shè)備連接的底線都要和電位連接全部結(jié)合在一起，并且在連接之前確保所有的保護器都能正常運轉(zhuǎn)。另外，技術(shù)人員還要將所有的接地線全部安裝在同一個設(shè)備上，并且還要搭配一個高質(zhì)量的空氣開關(guān)，這樣才能在第一時間將雷電中的電流排出，從而降級雷電對氣象雷達站造成的影響。

（四）科學(xué)的安裝接地裝置

科學(xué)的安裝接地裝置是將公共接地當(dāng)作基礎(chǔ)條件，將氣象雷達站的防雷接地裝置和電子設(shè)備的裝置相連接，在操作時公共接地就成了必要的基礎(chǔ)條件，因為公共接地裝置要為其他的接地裝置提供基礎(chǔ)電位。這樣才能避免各個系統(tǒng)在連接的過程中產(chǎn)生電位差，從而提高接地裝置系統(tǒng)的安全性。在實際工作中，技術(shù)人員在安裝接地裝置的過程中，有些氣象雷達站的設(shè)備需要單獨連接接地裝置，為了能夠提高防雷設(shè)備的效率，技術(shù)人員就要在整個接地系統(tǒng)中增加多條接地線，并且還要盡可能的減少接地線之間連接的距離，在與接地網(wǎng)連接之前，技術(shù)人員要提前將單獨的接地線進行統(tǒng)一管理，防止各個接地線之間因為耦合關(guān)系互相造成干擾，確保各個接地設(shè)備沒有電位差。[5]

其次。氣象雷達站建筑物的防雷接地系統(tǒng)要與接地系統(tǒng)保持適當(dāng)?shù)木嚯x。如果兩者之間的距離太近，很容易造成相互干擾，甚至還會出現(xiàn)反作用，但是如果兩者之間的距離過遠(yuǎn)，又不能確保接地線全部接入到同一個接地網(wǎng)中。所以技術(shù)人員要在接地系統(tǒng)的各個連接處安裝低電壓的避雷裝置，這樣不僅能夠?qū)⑺械慕拥匮b置連接在一起，還能避免雷電對接地設(shè)備造成損壞。最后，技術(shù)人員要對屏蔽裝置進行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，雖然將信號全部屏蔽之后會給之后的工作提供更多便利條件，但是屏蔽信號的裝置會對電子設(shè)備造成一定的干擾。因此，技術(shù)人員可以在電纜上安裝金屬管，這樣才能確保屏蔽工作和接地工作同時進行。

五、總結(jié)

總而言之，氣象雷達站由于其自身的特殊性質(zhì)很容易遭到雷擊的破壞。因此，相關(guān)的技術(shù)人員就要不斷對防雷設(shè)計進行完善，這樣才能在確保氣象雷達站不受到雷擊破壞的基礎(chǔ)上安全運行。