赤峰市氣象局 王明磊

前言

自動氣象站在防災(zāi)減災(zāi)和氣象服務(wù)方面發(fā)揮著關(guān)鍵性作用，但由于存在較高的雷擊幾率，雷擊影響導(dǎo)致氣象觀測數(shù)據(jù)丟失的問題往往頻繁出現(xiàn)，氣象工作開展因此受到嚴(yán)重制約。為降低雷電對自動氣象站安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來的影響，正是本文圍繞自動氣象站雷電防護(hù)技術(shù)開展具體研究的原因所在。

1 自動氣象站雷電防護(hù)常用技術(shù)

1.1 防地閃回?fù)舯Ｗo(hù)技術(shù)

直擊雷電對自動氣象站的威脅較大，直擊雷防護(hù)能力不足是很多自動氣象站存在的通病，因此需采用防地閃回?fù)舯Ｗo(hù)技術(shù)，以此實(shí)現(xiàn)對富蘭克林避雷針不足和缺陷的彌補(bǔ)，強(qiáng)化自動氣象站的直擊雷防護(hù)性能，該技術(shù)的應(yīng)用需以防地閃回?fù)舯Ｗo(hù)裝置為核心。防地閃回?fù)舯Ｗo(hù)技術(shù)能夠?qū)纂娭鞣烹娗肋M(jìn)行改變，通過雷電與防地閃回?fù)舯Ｗo(hù)裝置的“梯級先導(dǎo)”相互作用，保護(hù)物上方的電場強(qiáng)度和電流密度即可得到有效控制，保證具體數(shù)值不會達(dá)到擊穿空氣標(biāo)準(zhǔn)，自動氣象站可由此實(shí)現(xiàn)地閃“回?fù)簟钡挠行ьA(yù)防并規(guī)避直擊雷問題。防地閃回?fù)舯Ｗo(hù)裝置能夠由雷云電場啟動，雷電自身能量可在防地閃回?fù)舯Ｗo(hù)技術(shù)作用下開展雷擊發(fā)生的抵御，屬于無源設(shè)備的防地閃回?fù)舯Ｗo(hù)裝置存在較低的接地電阻值要求，在自動氣象站中的應(yīng)用價值較高。

圖1 典型的防地閃回?fù)舯Ｗo(hù)裝置

1.2 地網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)

自動氣象站雷電防護(hù)還需要得到地網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)的支持，該技術(shù)能夠有效地解決電位反擊、電磁輻射等雷電相關(guān)問題，具體應(yīng)用需關(guān)注四方面內(nèi)容：第一，科學(xué)設(shè)置隔離措施，地網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)的應(yīng)用需結(jié)合自動氣象站實(shí)際進(jìn)行接地裝置的獨(dú)立設(shè)置，保證其他金屬管線與觀測場內(nèi)地網(wǎng)間的安全距離達(dá)標(biāo)?？紤]到一些特殊因素影響下自動氣象站無法獨(dú)立設(shè)置接地裝置，此時可采用共用接地的獨(dú)立接閃桿地網(wǎng)與觀測場內(nèi)地網(wǎng)，同時保證二者連接于地網(wǎng)最遠(yuǎn)端，沿接地體的兩者地網(wǎng)連接長度最小應(yīng)控制為20m，土壤電阻率帶來的影響需同時得到重視；第二，采用正方形網(wǎng)格狀環(huán)形地網(wǎng)。均勻分布的地網(wǎng)電位直接影響自動氣象站雷電防護(hù)性能，基于地網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)，可考慮設(shè)置正方形網(wǎng)格狀環(huán)形地網(wǎng)，以此優(yōu)化控制各地網(wǎng)節(jié)點(diǎn)地電位差。具體需保證存在5m×5m內(nèi)的尺寸，并遵循一類防雷網(wǎng)格標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行正方形網(wǎng)格狀環(huán)形地網(wǎng)的布置，且與值班室地網(wǎng)并電位連接，最少需存在2處連接點(diǎn)；第三，合理設(shè)置等電位連接帶。在風(fēng)桿接閃桿接地線附近直接將觀測場電纜溝接入的情況較為常見，而結(jié)合地網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)，需在該處進(jìn)行等電位連接帶的合理設(shè)置，等電位連接帶應(yīng)以安全散流距離作為主要依據(jù)，均壓水平接地極的敷設(shè)需與電纜溝平行；第四，垂直接地極的針對性增設(shè)。為實(shí)現(xiàn)自動氣象站對地電位反擊和電磁輻射的更好應(yīng)對，基于地網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)，還應(yīng)關(guān)注垂直接地極的科學(xué)增設(shè)，接閃桿、主采集器等設(shè)備的接地處應(yīng)設(shè)置垂直接地極，接閃桿外引接地需同時設(shè)置深基礎(chǔ)接地，作為自然接地體的風(fēng)桿拉線塔基礎(chǔ)可得到有效利用，具體接地深度需要不小于3m[2]。

1.3 SPD保護(hù)技術(shù)

自動氣象站很容易受到雷擊接閃桿帶來的影響，因此SPD保護(hù)技術(shù)需要得到充分應(yīng)用，以此強(qiáng)化信號系統(tǒng)和電源系統(tǒng)的保護(hù)。SPD保護(hù)技術(shù)在信號系統(tǒng)中的應(yīng)用可選擇PCB集成電路板式設(shè)計(jì)，這種SPD設(shè)計(jì)能夠適應(yīng)有限的采集終端安裝空間，有效實(shí)現(xiàn)分采終端、主采集器、主采集器至分采終端的SPD保護(hù)。同時，該SPD設(shè)計(jì)需結(jié)合高能量信號電涌保護(hù)器（D1類），有效防護(hù)直擊雷能量；SPD保護(hù)技術(shù)在電源系統(tǒng)的應(yīng)用需基于場室低壓配電線路的具體需要設(shè)置專線供電，電纜需具備金屬護(hù)套或絕緣護(hù)套，以此穿金屬管全線埋地引入電纜，同時需要就近可靠接地電纜金屬管及金屬護(hù)套兩端。為保護(hù)低壓配電系統(tǒng)，SPD需科學(xué)設(shè)置，一般主采集器箱保護(hù)選用SPD4（B+C型），也可以采用復(fù)合型SPD，充分利用其直擊雷與感應(yīng)雷防護(hù)功能，直擊雷能量地電位反擊可實(shí)現(xiàn)有效應(yīng)對[3]。

2 自動氣象站雷電防護(hù)技術(shù)的具體應(yīng)用

2.1 案例概況

為提升研究的實(shí)踐價值，本文以某自動氣象站作為研究對象，該自動氣象站距離海面約3km，位于南方沿海強(qiáng)雷暴區(qū)，年平均雷暴日數(shù)、年最高雷暴日數(shù)分別為75d、92d，防雷等級為二級，屬于典型的地面氣象觀測場（室），雷暴發(fā)生于全年各月，最高存在200KA以上的閃電強(qiáng)度。自動氣象站觀測場南面和東面空曠，位于小山頂，較為容易出現(xiàn)落雷。2018年10月，該自動氣象站建成投入運(yùn)行，至2019年6月期間，該自動氣象站多次遭遇雷擊，其中2019年4月20日遭受直接雷擊的自動氣象站出現(xiàn)業(yè)務(wù)計(jì)算機(jī)串口隔離器損壞，采集器數(shù)據(jù)無法接收，同時主采集器、地溫?cái)?shù)據(jù)采集處理集成板也因雷擊損壞，此后遭遇的多次雷擊還導(dǎo)致了業(yè)務(wù)計(jì)算機(jī)屏幕空白、溫濕分采集器損壞等故障。在遭受雷擊后，測量避雷塔塔身（剩磁測試儀）可得到0.7MT以上的剩磁量，這說明獨(dú)立避雷塔引入雷電流，而由于觀測場地網(wǎng)與避雷塔地網(wǎng)的共網(wǎng)，瞬間抬升的觀測場地電位引發(fā)的地電位反擊導(dǎo)致設(shè)備損壞，這是由于遭受直擊雷時共用地網(wǎng)存在超過電子元件耐壓水平的瞬間升高地電位，而由于信號線將雷擊感應(yīng)耦合產(chǎn)生的雷電波傳至值班室，進(jìn)一步的損壞問題出現(xiàn)，為有效解決問題，案例在獨(dú)立接地網(wǎng)設(shè)置、感應(yīng)雷防護(hù)、直擊雷防護(hù)方面開展了一系列實(shí)踐，最終取得了令人滿意的成果。

2.2 獨(dú)立接地網(wǎng)設(shè)置

為強(qiáng)化自動氣象站雷電防護(hù)，案例自動氣象站首先開展了獨(dú)立接地網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)置，具體從兩方面入手：第一，避雷塔獨(dú)立接地裝置設(shè)置。由于觀測場內(nèi)的電子系統(tǒng)會受到共用地網(wǎng)帶來的威脅，因此需要斷開觀測場地網(wǎng)與避雷塔接地，并進(jìn)行獨(dú)立接地網(wǎng)的新建。通過對觀測場外側(cè)地網(wǎng)接地電阻進(jìn)行計(jì)算可以確定，由于土壤電阻率為200Ω·m，結(jié)合山頂觀測場的特殊性，需建設(shè)地網(wǎng)于觀測場的西面、南面、東面，水平敷設(shè)總長度80m的熱鍍鋅扁鋼，規(guī)格為50×5mm，埋設(shè)水平接地體深度為0.8m。對屬于L型的不閉合地網(wǎng)來說，基于圖2所示的水平接地體形狀系數(shù)對應(yīng)值，可確定水平接地體形狀系數(shù)取0.378，最終可求得5.16Ω的接地電阻，這說明水平鋪設(shè)地觀測場外側(cè)接地網(wǎng)無法滿足要求（4Ω），因此每5m同時設(shè)置人工垂直接地的熱鍍鋅角鋼，規(guī)格為50×50×5×2000mm，同時施放長效降阻劑于地溝中，完成施工后可得到3.4Ω的接地電阻，設(shè)計(jì)目標(biāo)得以滿足；第二，觀測場圍欄內(nèi)地網(wǎng)設(shè)置。除按地溝布設(shè)地網(wǎng)，還需要沿圍欄邊0.8m處布設(shè)觀測場內(nèi)環(huán)型地網(wǎng)，以此便于連接金屬圍欄，采用熱鍍鋅角鋼作為垂直接地體，間距、規(guī)格為4~5m、50×50×5×2000mm，同時采用熱鍍鋅圓鋼作為水平接地體，選擇的國標(biāo)熱鍍鋅圓鋼規(guī)格為Φ12，按照0.6~0.7m深度埋設(shè)地網(wǎng)水平接地體，回土夯實(shí)后進(jìn)行測量，可得到2.9Ω的觀測場接地電阻[4]。

圖2 水平接地體形狀系數(shù)對應(yīng)值

2.3 感應(yīng)雷防護(hù)

案例從電源進(jìn)線防護(hù)、信號進(jìn)線防護(hù)、等電位連接三方面進(jìn)行感應(yīng)雷防護(hù)。電源進(jìn)線防護(hù)采用分級泄放的方式，電源進(jìn)線可由此逐步泄放雷擊能量到大地。由于在五層大樓的第四層設(shè)置值班室，因此并聯(lián)接入試驗(yàn)電源浪涌保護(hù)器于總配電處開關(guān)處，規(guī)格為，其屬于第一級防護(hù)。同時設(shè)置的電源避雷器于第四層，其屬于第二級防護(hù)。值班室內(nèi)安裝的電源避雷器，其屬于第三級防護(hù)，同時將插座式電源防浪涌保護(hù)器設(shè)置于UPS前作為精密防護(hù)，最終可有效防護(hù)電源浪涌。此外，并聯(lián)工業(yè)控制系統(tǒng)電涌保護(hù)器于采集體處理箱處，其額定電流、額定工作電壓、電壓保護(hù)水平分別為5kA、12V、≤30V，由此可強(qiáng)化對自動氣象站國產(chǎn)設(shè)備的保護(hù)；信號進(jìn)線防護(hù)需關(guān)注最初信號線的過電壓防護(hù)，需將工業(yè)控制信號防雷器與傳輸信號線串聯(lián)，對于分采箱匯總各要素信號的串口隔離器，需采用一套多接口信號避雷器串聯(lián)，需保證存在10kA的通流容量，插入損耗、傳輸速率分別為0.3dB、10mpbs。另一套還需要串聯(lián)于總信號線傳輸?shù)街蛋嗍姨帲源藢?shí)現(xiàn)多重保護(hù)。網(wǎng)絡(luò)信號避雷器采用RJ45接口安裝于與外線連接的值班室計(jì)算機(jī)處，音頻線路防雷器采用RJ11接口安裝于電話進(jìn)線處；在等電位連接中，從值班室到觀測場的信號線和電源線需分別單獨(dú)穿屏蔽管和鋼管，屏蔽管和鋼管兩端接地，以此提升電磁屏蔽效果，所有觀測場內(nèi)的信號傳輸線屏蔽管、電源線管、金屬設(shè)備均需要可靠連接預(yù)留的接地銅排，螺栓連接的防腐處理也不容忽視。

2.4 直擊雷防護(hù)

為有效防護(hù)直擊雷，案例自動氣象站主要從兩方面工作入手：第一，科學(xué)開展氣象儀器設(shè)施安裝布局。安裝儀器設(shè)施需遵循中國氣象局發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)要求，以此在觀測場東北部設(shè)置自動氣象站風(fēng)桿，觀測場西北部設(shè)置自動氣象站風(fēng)桿，能見度儀設(shè)置于中間。觀測場中間部分布有數(shù)據(jù)采集傳送箱、百葉箱、雨量筒，深層地溫場、日照計(jì)、淺層地溫場設(shè)置于南面部分；第二，獨(dú)立塔保護(hù)。為保證觀測場內(nèi)儀器和工作人員不會受到雷電直接雷擊，基于已建成的19m避雷塔（自動氣象站西北面），需在東北面增設(shè)高出地面19m避雷塔于同一緯度觀測場外4m處，同時設(shè)置獨(dú)立避雷針于南邊外約4m處，需高出地面10m，自動氣象站的數(shù)據(jù)采集箱、地溫場等設(shè)備可得到更好保護(hù)，保護(hù)有效范圍也可由此擴(kuò)展至整個觀測場。

3 結(jié)論

綜上所述，自動氣象站雷電防護(hù)技術(shù)的應(yīng)用需關(guān)注多方面因素影響。在此基礎(chǔ)上，本文涉及的防地閃回?fù)舯Ｗo(hù)技術(shù)、SPD保護(hù)技術(shù)、獨(dú)立接地網(wǎng)設(shè)置、直擊雷防護(hù)等內(nèi)容，則直觀展示了可行性較高的自動氣象站雷電防護(hù)技術(shù)應(yīng)用路徑。為更好強(qiáng)化自動氣象站雷電防護(hù)，自動氣象站特點(diǎn)的深入研究、新型防雷技術(shù)與設(shè)備的積極應(yīng)用、國家和行業(yè)有關(guān)規(guī)范的嚴(yán)格遵循同樣需要得到重視。