陳 剛， 楊小民

(湖南省氣象局，湖南長沙 410125)

0 引言

新型自動氣象站是以自動氣候站為基礎，采用穩(wěn)定的電子測量、數據傳輸和控制系統(tǒng)技術，基于現代總線技術和嵌入式系統(tǒng)技術構建的自動氣象站，滿足地面氣象觀測溫/濕度、氣壓、雨量、風向、地表溫度，以及淺層地溫和深層地溫的觀測等要求，需要時可以擴充能見度、稱重降水、日照、輻射等要素或傳感器。

新型自動氣象站在硬件結構設計上采用積木式結構和CAN總線技術，利用雙絞線互連主采集器和各分采集器。數據采集器是自動氣象站的核心，由硬件和嵌入式軟件組成。硬件包含高性能的嵌入式處理器、高精度的A/D電路、高精度的實時時鐘電路、大容量的程序和數據存儲器、傳感器接口、通信接口、CAN總線接口、外接存儲器接口、以太網接口、監(jiān)測電路、指示燈等。嵌入式軟件包含主采集系統(tǒng)、地溫采集系統(tǒng)、溫/濕度智能傳感器等。

從雷電防護的角度看，各傳感器、數據采集系統(tǒng)分布在室外LPZ1區(qū)，額定工作電壓僅十幾伏，對電磁干擾極其敏感，而雷電的電壓可高達數十萬伏，瞬間電流可高達數十萬安培，對信息系統(tǒng)具有極大的破壞性。信息系統(tǒng)環(huán)節(jié)多、接口多、線路長，給雷電的耦合提供了條件，是雷電感應脈沖過電壓容易入侵的原因，也是感應脈沖過電壓入侵的主要通道。若防雷措施采取不當，將嚴重影響新型自動氣象站的正常業(yè)務運行。要實現觀測業(yè)務自動化，提高觀測數據的傳輸時效和數據質量，保障自動氣象站設備運行環(huán)境至關重要。

本文針對新型自動氣象觀測站場室雷電防護的特點及要求，采取切實有效的防護措施，對提高新型自動氣象站場室的安全性、可靠性具有重要的意義。

1 雷電防護工程設計

雷電防護系統(tǒng)主要由外部雷電防護和內部雷電防護組成。外部雷電防護措施包括接閃器、引下線、接地裝置等。內部雷電措施有建筑物的自然屏蔽、電線電纜的屏蔽、儀表設備的屏蔽、接地、等電位聯(lián)結、合理布線、配備電涌保護器(Surge Protective Device，SPD)等。

1.1 外部雷電防護工程設計

新型自動氣象站觀測場室一般由地面氣象觀測場和值班室機房組成。

觀測場采用接閃桿進行直擊雷防護，所有觀測設備均應處于LPZ0B區(qū)內。當采用風向桿作為接閃桿的支撐件，尚有部分設備不在LPZ0B區(qū)內時，應在設備附近安裝接閃桿，并使其處于LPZ0B區(qū)內。風向桿高度一般為10～12 m，觀測場內除風向桿外相對較高的設備包括高度約為2.2 m的百葉箱、采樣區(qū)中心高度為2.8 m的能見度儀和高度約為1.5 m的稱重式降水傳感器。以10 m接閃桿為例，按照滾球法經計算，高度分別為2.2 m、2.8 m，其保護半徑分別為17.068 m、15.051 m，一般情況均處于接閃桿的保護范圍內。另外，接閃桿的接地體應單獨接地。觀測場風向桿宜采用金屬管作支撐件，應在距風桿頂端200～300 mm處設置接閃桿，接閃桿通過絕緣桿固定于風桿上;接閃桿應選用直徑≥16 mm、長度≥1 500 mm的銅管，與風桿的水平絕緣距離不應小于500 mm。避雷針引下線應沿風向桿上端拉線入地，應通過絕緣等級為35 kV(1.2/50 μs)的拉線絕緣子與風向桿絕緣，引下線宜采用屏蔽電纜(芯線的多股銅線的截面積≥50 mm2)。引下線入地點附近應設置垂直接地體，并與觀測場共用地網作可靠電氣連接。風向桿直擊雷防護如圖1所示。

新型自動氣象站工作值班室對安全程度要求較高，其遭受直擊雷損害的幾率較電磁干擾損害更小，在直擊雷防護上，不建議采用避雷針進行防護，宜采用接閃網進行防護;值班室的規(guī)模較小，投資差別不大。接閃器宜采用明敷接閃帶和暗敷避雷網相結合的方式，網格尺寸≤5 m×5 m或6 m×4 m，明敷接閃帶可保證女兒墻不受損傷。值班室一般不高，在允許屋頂遭雷擊時混凝土會有一些碎片脫開以及小塊防水、保溫層遭破壞，可利用值班室屋頂鋼筋作為暗敷避雷網，具有安全、可靠、使用周期長、維修費用低等優(yōu)點。由于防雷裝置全部或大部分埋設在建筑結構件內或利用建筑本身的金屬構件，因此防雷及接地裝置的使用壽命與建筑物的使用壽命是相同的，契合自動氣象站長期存在的特點。

圖1 風向桿直擊雷防護

接閃網應設置多根間距≤12 m的專用引下線，引下線宜設置在觀測場室的外墻四角。圍繞觀測場室應設置環(huán)形接地裝置，接閃網引下線應就近直接接入接地裝置。觀測場室建筑物的鋼筋等金屬體不宜作為防直擊雷裝置的引下線。接閃帶與專用引下線的材質可采用傳統(tǒng)的圓鋼。由于新型自動氣象站相對封閉，故專用引下線接觸電壓的風險可忽略不計。

觀測場室的防雷接地、防靜電接地、電氣設備的保護接地、儀表系統(tǒng)的工作接地、屏蔽接地、SPD接地等應共用接地裝置。共用接地系統(tǒng)由工作室地網、室外觀測場地網組成，兩地網間的連接帶不應少于2條，應選用不小于φ16 mm的鍍鋅圓鋼進行連接，連接帶的埋設深度不宜小于500 mm。根據QX 30—2004《自動氣象站場室防雷技術規(guī)范》，共用接地系統(tǒng)的接地電阻不宜大于4 Ω，但在土壤電阻率＞1 000 Ω·m的地區(qū)，可適當放寬其接地電阻值要求。這是因為在等電位原理的防雷理論中，地網只是總的電位基準點，并不是絕對的零電位點。一般情況下，新型自動氣象站的地網面積不大，接地電阻要達到小于4 Ω并不容易，建議借鑒YD 5098—2005《通信局(站)防雷接地工程設計規(guī)范》第6.2.7條規(guī)定:所在地區(qū)土壤電阻率≤700 Ω·m時，地網的工頻接地電阻宜控制在10 Ω以內;當土壤電阻率＞700 Ω·m時，可不對地網的工頻接地電阻予以限制。同時，考慮到自動氣象站全天候工作的特點，須注意跨步電壓的防護，風向桿3 m范圍內應采取均壓措施、鋪設卵石或瀝青地面。

1.2 內部雷電防護工程設計

內部雷電防護工程應做好屏蔽、接地、等電位聯(lián)結、配裝SPD和合理布線等。

1.2.1 屏蔽

(1)建筑物的自然屏蔽。新型自動氣象站觀測場室一般為鋼筋混凝土結構，根據QX 2—2000《新一代天氣雷達站防雷技術規(guī)范》第9.2條規(guī)定，在窗上加設網孔≤200 mm×200 mm的金屬網，建筑物的金屬構件、金屬門窗、網及建筑鋼筋等應進行等電位聯(lián)結，形成一個完整的法拉第籠(對雷電空間磁場起初級屏蔽保護作用)。

(2)電線電纜的屏蔽。觀測設備的數據傳輸線應選用帶屏蔽層的電纜，并宜穿金屬管埋地敷設。金屬管和數據傳輸線的外屏蔽層在進入電纜溝處和外轉接盒處應就近接入觀測場地網，金屬管首尾應電氣貫通。風向、風速數據傳輸線應采用帶屏蔽層的線纜，經金屬風向桿內敷設，傳輸線的外屏蔽層首尾兩端應與風向桿電氣連接。

(3)儀表設備的屏蔽?，F場儀表的金屬外殼、金屬保護器應為全封閉式，需要進行雷電防護的非金屬外殼儀表應裝在鋼材材質的儀表保護箱內。調整交換機的擺放位置，盡量遠離建筑物的結構柱和外墻，減少雷電脈沖對設備的損壞。接地機柜是很好的屏蔽體，機柜或儀表箱應采用鋼板材料，機柜的門、頂、底等活動部件應采用4 mm2絕緣多股銅芯電線連接。

為了降低雷擊時計算機的工作實效概率和元器件損壞概率，通常將計算機設備的金屬外殼進行有效接地，使其發(fā)揮一定的屏蔽作用。

1.2.2 接地

觀測場內風向桿、金屬圍欄、百葉箱支架、雨量器、遙測雨量計、小型蒸發(fā)皿、信號轉接盒等金屬外殼，應就近與觀測場地網進行電氣連接。

1.2.3 等電位聯(lián)結

儀表系統(tǒng)屬于低頻小信號系統(tǒng)，采用單點接地方式，接地連接宜采用S型網絡的結構形式。觀測場室內的機柜、電器和電子設備的外殼和機架、計算機直流地(邏輯地)、防靜電接地、金屬屏蔽線的線外屏蔽層、交流地(PE線)和對供電系統(tǒng)的相線和中性線進行保護的SPD接地端等，均應進行等電位聯(lián)結，并直接與接地連接導體連接，或導體與接地連接導體連接。連接導線應采用截面積≥4 mm2、長度≤0.5 m的多股絞合絕緣銅線，接地連接導體應采用4 mm×40 mm的熱鍍鋅扁鋼。

1.2.4 合理布線

在建筑物內進行電子系統(tǒng)布線時，要避免出現較大的線路回路。

1.2.5 配裝SPD

新型自動氣象站觀測場室低壓配電應采用TN-C-S系統(tǒng)，供電系統(tǒng)按照業(yè)務用設備、輔助設備、照明三個獨立的部分設計，采用三相五線制，電源線的規(guī)格、大小應滿足最大負荷要求，并留有裕量。所有工作設備必須從進戶配電盤單獨使用一相專線供電，不得與其他電器混用;進值班室前功率負荷 ＞2.0 kVA(含原有設備)，電源為AC 220 V。供電線路宜采用金屬護套或絕緣護套電纜，穿金屬管埋地引入，埋地長度最短不應小于15 m。另外，金屬管及電纜金屬護套兩端應就近可靠接地。

觀測場室的供電系統(tǒng)由蓄電池、充電電源模塊、萬能式斷路器、防雷模塊組成。12 V蓄電池(100 Ah)在斷電的情況下，安全運行≥7 d;充電電源模塊將AC 220 V轉換為直流電輸出，一路直接為系統(tǒng)供電，另一路給蓄電池充電。萬能式斷路器和防雷模塊對過壓、過流保護，當電壓或電流超出范圍時，萬能式斷路器會自動關閉;當有雷電過電壓對系統(tǒng)產生危害時，防雷模塊將發(fā)揮保護作用。

根據QX 30—2004，氣象站的防雷類別為一級，應安裝三級電源SPD進行防護。

(1)第一級SPD安裝在總配電柜上，標稱放電電流In≥80 kA，電壓保護水平≤2.5 kV。

(2)第二級SPD安裝在分配電盤上，每條相線和中性線上的標稱放電電流In≥15 kA，電壓保護水平≤1.5 kV。

(3)第三級SPD安裝在設備前端，每條相線和中性線上標稱放電電流In≥5 kA，電壓保護水平≤0.9 kV。

使用直流電源供電的新型自動氣象站設備，應在直流電源線路上安裝與設備額定電壓相適應的SPD。

對于新型自動氣象站觀測場室照明及其他輔助設備系統(tǒng)，宜在電源線輸出裝置處安裝標稱放電電流 In≥40 kA(8/20 μs)的 SPD。

在數據傳輸線端口安裝防雷器，可有效地防止過電壓對設備造成的破壞。觀測室調制解調器前端應加裝符合其接口型式(RJ11、RJ45)的信號SPD;在計算機前端的網絡數據線上安裝符合接口型式(RS-232、RJ45)的信號SPD。信號SPD的最大持續(xù)工作電壓應大于1.5Uc，其中Uc為SPD最大交流電壓有效值，在設備前端加裝標稱放電電流In＞5 kA(8/20 μs)的信號SPD，其他參數應符合系統(tǒng)要求。

2 工程維護與管理

新型自動氣象站在每年雷雨季節(jié)前應對接地系統(tǒng)進行檢查和維護。主要對接地電阻進行復測，檢查連接處是否銹蝕，避雷器是否運行正常。必要時應開挖基礎抽查地網銹蝕情況，如發(fā)現問題，應及時處理。

3 結語

新型自動氣象站觀測場室的防雷工程是一項比較復雜的系統(tǒng)工作，必須綜合應用現有的防雷技術，而不局限于QX 30—2004的條款要求，不斷完善，采取有效的防雷措施，保障新型自動氣象站的正常運行。

［1］ GB 50057—2010 建筑物防雷設計規(guī)范［S］.

［2］ QX 30—2004 自動氣象站場室防雷技術規(guī)范［S］.

［3］ SH/T 3164—2012 石油化工儀表系統(tǒng)防雷設計規(guī)范［S］.

［4］ YD 5098—2005 通信局(站)防雷接地工程設計規(guī)范［S］.

［5］ QX 2—2000 新一代天氣雷達站防雷技術規(guī)范［S］.