邱杼煒，梁 鍇，張 琪

廣東省清遠(yuǎn)市氣象局，廣東清遠(yuǎn) 511518

現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展推動了我國各個行業(yè)快速進(jìn)步，尤其是在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域體現(xiàn)出十分重要的價值。自動氣象站的建立不僅幫助人們更清晰、精準(zhǔn)地掌握氣象信息，還為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供了便利。自動氣象站的結(jié)構(gòu)特殊，在運(yùn)行狀態(tài)下十分容易受到雷擊損害。為加大對自動氣象站運(yùn)行狀態(tài)的保護(hù)力度，相關(guān)部門開始探索如何防止自動氣象站受到雷擊，保障自動氣象站運(yùn)行的安全性與穩(wěn)定性，使其能在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中貢獻(xiàn)力量。基于此，分析了自動氣象站的工作原理與系統(tǒng)組成，結(jié)合自動氣象站遭雷擊事故的原因，探討了其防雷技術(shù)，并詳細(xì)闡述了自動氣象站防雷技術(shù)對農(nóng)業(yè)的影響，以期為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與發(fā)展提供參考。

1 自動氣象站概述

1.1 自動氣象站工作原理

自動氣象站的工作原理主要是運(yùn)用微處理器進(jìn)行采集處理和實(shí)時控制，一般氣象因素與情況會不斷發(fā)生變化，因此，不同的相應(yīng)傳感器在輸出電量也會有所區(qū)別。而針對這些變化因素的采集，主要是由數(shù)據(jù)采集器負(fù)責(zé)的，同時還需進(jìn)行定標(biāo)與線性化處理。為了具體實(shí)現(xiàn)工程量與要素的轉(zhuǎn)化，需要控制和掌握相關(guān)數(shù)據(jù)與質(zhì)量。全過程處理結(jié)束后，能夠得到氣象臺需求的數(shù)據(jù)，自動氣象站在進(jìn)行一系列工作后，會將實(shí)時數(shù)據(jù)傳輸至主控微機(jī)，并顯示出來。

1.2 自動氣象站系統(tǒng)組成

自動氣象站主要是由傳感器、采集器與傳輸模塊、氣象站支架、太陽能電板與蓄電池、后臺電腦端、軟件云平臺等6個部分組成的，其具備監(jiān)測風(fēng)向、風(fēng)速、溫度、濕度、氣壓、雨量、土壤溫濕度、輻射等常規(guī)氣象要素的功能。其中，傳感器的主要作用是監(jiān)測氣象要素信息，氣象站支架的主要作用是放置設(shè)備，太陽能電板和蓄電池的主要作用是提供電力支持，后臺電腦端主要作用是數(shù)據(jù)的展示和存儲。采集器和傳輸模塊的主要作用是氣象要素的搜集與傳送。

2 自動氣象站遭受雷擊事故的原因

2.1 數(shù)據(jù)采集器應(yīng)雷擊頻率高

雷電對自動氣象站帶來的損害是十分嚴(yán)重的，一般自動氣象站由室內(nèi)與室外兩個部分組成，室內(nèi)為顯示部分和資料處理部分。大多數(shù)直擊雷會快速擊中室外的數(shù)據(jù)采集器與傳感器，尤其容易受到損害的部分是風(fēng)桿，數(shù)據(jù)采集器也是容易受到雷擊的部分[1]。數(shù)據(jù)采集器一般適用于氣象觀測數(shù)據(jù)接收、處理與傳輸，自動氣象站數(shù)據(jù)采集器遭受雷電災(zāi)害的概率最大，主要原因是數(shù)據(jù)采集器中含有大量電路板、導(dǎo)線等電子元件，在遭到雷擊時，會產(chǎn)生大量電荷，其內(nèi)部導(dǎo)線的連接也為雷電入侵創(chuàng)造了有利條件。數(shù)據(jù)采集器是一種電子電路，其耐壓能力較弱，對電池信號極為敏感，這也導(dǎo)致雷電向下時容易引起電子元件爆裂，從而導(dǎo)致自動氣象站受到損害。

2.2 電纜或電源線引電

自動氣象站工作過程中需依靠大量電纜與電線，當(dāng)遭到雷擊時，其雷電波會經(jīng)過信號線進(jìn)入其他電纜，在自動氣象站附近發(fā)生雷擊放電事故時，其周圍也會產(chǎn)生電磁場，從而導(dǎo)致信號線或電源線上產(chǎn)生電動勢，這些電能順著導(dǎo)體傳輸至設(shè)備，導(dǎo)致設(shè)備受到嚴(yán)重?fù)p傷。直擊雷對自動氣象站的影響更為嚴(yán)重，一般直擊雷產(chǎn)生的電流與雷電電池脈沖巨大，其會在數(shù)據(jù)傳感器、電路等位置通過各種方式產(chǎn)生電壓。此時，電信線路電壓過高，一旦自動氣象站部分位置出現(xiàn)接觸不良等情況，就會造成損壞甚至燒斷。自動氣象站周圍發(fā)生雷電災(zāi)害也會使感應(yīng)雷順著通信電纜等渠道進(jìn)入氣象觀測設(shè)備，導(dǎo)致傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等設(shè)備無法正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.3 防雷地網(wǎng)不符合標(biāo)準(zhǔn)

自動氣象站中的防雷地網(wǎng)不符合標(biāo)準(zhǔn)也會造成雷電事故，導(dǎo)致自動氣象站設(shè)備受損。接地電阻會使雷電流無法順利泄入地底，當(dāng)雷電事故發(fā)生時，自動氣象站附近會堆積大量電荷，地級周圍也會堆積電荷，且這些位置的電位都始終保持上浮動狀態(tài)，這就造成電壓升高，升高后的電壓會隨著設(shè)備的接地線安置在設(shè)備上對設(shè)備發(fā)動攻擊，造成設(shè)備損壞。另外，自動氣象站建立位置較高也容易受到雷擊，高聳的位置上容易聚集電荷，相對獨(dú)立的風(fēng)向風(fēng)速傳感器也容易成為引雷系統(tǒng)，導(dǎo)致采集器與傳感器受到損害，因此，建立的位置較高也容易使氣象站遭到雷擊。

3 雷擊途徑分析

3.1 直擊雷

雷電對自動氣象站造成的損害是不可估量的，而影響自動氣象站的正常運(yùn)轉(zhuǎn)也會對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成一定損害。雷擊所產(chǎn)生的途徑主要分為3種：直擊雷、感應(yīng)雷擊、地電位反擊。直擊雷指的是帶電云層與大地某點(diǎn)發(fā)生迅猛放電的現(xiàn)象，這種雷擊損害造成的危害是十分嚴(yán)重的，直擊雷電壓能夠達(dá)到幾萬伏甚至幾百萬伏，且電流瞬間能夠達(dá)到十幾萬安，對建筑物造成的破壞力極大。一般自動氣象站所設(shè)置的風(fēng)向風(fēng)速傳感器位于距離地面10～12 m的高處，這也使其容易遭受直擊雷的損害[2]。

3.2 感應(yīng)雷擊

感應(yīng)雷擊主要包括感應(yīng)過電壓和雷電波，這種雷擊對自動氣象站造成的損壞也是十分嚴(yán)峻的。感應(yīng)過電壓指的是在雷電發(fā)生時，自動氣象站設(shè)施或線路附近導(dǎo)體發(fā)出的靜電感應(yīng)過電壓，這種電壓能夠沿著導(dǎo)體傳到主設(shè)備中，對設(shè)備造成威脅。被雷電擊中的物體周圍會產(chǎn)生的強(qiáng)大電壓和電流，且雷電會沿著雷電擊中的中心點(diǎn)沿導(dǎo)體進(jìn)行大范圍傳播，使自動氣象站即便沒有受到直雷擊中也可能遭受損害。電源線或信號傳輸線感應(yīng)雷電侵入氣象站的主要途徑包括電源系統(tǒng)、天線或通信傳輸網(wǎng)絡(luò)、傳感器通道等。

3.3 地電位反擊

地電位反擊是造成設(shè)備損害的主要影響因素，大多自動氣象站防雷電技術(shù)是通過安裝合理適宜的接地展開的，安全的接地也是高效防雷措施的組成部分，若接地技術(shù)不符合防雷要求，則會使接地電阻出現(xiàn)過大的情況，導(dǎo)致雷電流無法及時導(dǎo)入大地。當(dāng)雷擊發(fā)生時，電荷在地級周圍堆集出現(xiàn)高電壓現(xiàn)象，而高壓沿著設(shè)備的接地線傳輸至設(shè)備中造成設(shè)備反擊，從而使設(shè)備受到損害。

4 自動氣象站防雷技術(shù)分析

為了確保自動氣象站能夠正常的運(yùn)轉(zhuǎn)，需要對自動氣象站系統(tǒng)的構(gòu)成和安裝進(jìn)行嚴(yán)格要求，并重視對自動氣象站防雷技術(shù)的應(yīng)用，而且在對自動氣象站防雷技術(shù)提出設(shè)計(jì)時，也要結(jié)合雷電的特點(diǎn)和危害來進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)對自動氣象站雷電防護(hù)技術(shù)的升級，在一定程度上減少雷電造成的影響。

4.1 直雷擊防護(hù)

直雷擊對自動氣象站的危害一般表現(xiàn)在室外，尤其在風(fēng)桿位置表現(xiàn)得更為明顯，因此，為了防止自動氣象站被雷擊損壞，氣象站應(yīng)積極應(yīng)用防雷技術(shù)，降低氣象站雷擊事故概率，一般安裝避雷針是最直接、最有效的方式[3]。安裝避雷針有2種方式，先將獨(dú)立的避雷針安裝在觀測場外部，利用滾球法計(jì)算避雷針的安裝高度。值得注意的是，在安裝避雷針過程中，應(yīng)充分考慮風(fēng)傳感器系統(tǒng)，將其與避雷針系統(tǒng)分開設(shè)置，注意二者之間應(yīng)預(yù)留安全距離。若條件有限，應(yīng)將避雷針安裝在風(fēng)傳感器的金屬支架上，使用滾球法測量金屬支架的安裝位置。在安裝避雷針時，應(yīng)充分考慮風(fēng)傳感器與其之間的距離，若受到場地影響，則應(yīng)對其進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

4.2 雷電波防護(hù)

當(dāng)雷電侵襲自動氣象站時，會伴隨雷電電磁感應(yīng)和雷電波的入侵，其對自動氣象站造成的損害也是不可忽視的。雷電波進(jìn)入自動氣象站會對其內(nèi)部設(shè)備產(chǎn)生影響，對此，應(yīng)積極采取有效措施對其展開防護(hù)。大部分雷電波與雷電電磁感應(yīng)是通過電源線或信號線傳播的，針對其展開防護(hù)應(yīng)從電源線或信號線入手，可以在電源線或信號線上安裝保護(hù)器，如電涌保護(hù)器就是一種較為常見的手段。電涌保護(hù)器是一種有效預(yù)防雷電波侵害的系統(tǒng)，電涌保護(hù)器主要是針對電源位置進(jìn)行雷電防護(hù)的，其具備方便安裝、設(shè)備安全可靠、后期維護(hù)成本低、品質(zhì)出眾、高效防雷、一站式安全防護(hù)等優(yōu)勢。

4.3 接地系統(tǒng)

接地系統(tǒng)是自動氣象站防雷工程中十分重要的一項(xiàng)技術(shù)之一，安全的接地能使自動氣象站免受雷電災(zāi)害，且其也是防雷系統(tǒng)的重要組成部分之一。無論是直接雷電防護(hù)技術(shù)還是雷電波防護(hù)技術(shù)，都需要依靠接地系統(tǒng)展開。接地系統(tǒng)能將雷擊產(chǎn)生的電流導(dǎo)入大地，因此，在自動氣象站建設(shè)安全合理的接地系統(tǒng)能大幅度提高防雷技術(shù)的質(zhì)量與效率，良好的接地裝置能保護(hù)氣象站觀測場的防雷設(shè)施，由于氣象站微電子設(shè)備防雷性能較為薄弱，因此，在布置接地系統(tǒng)時，需要控制接地電阻的大小，還應(yīng)充分考慮其綜合能力，使接地電阻能充分滿足防雷技術(shù)要求。

4.4 其他雷電防護(hù)

針對自動氣象站的防雷技術(shù)多種多樣，除上述幾種以外，還包括電位連接、安裝鋼筋與金屬框門窗、綜合布線等，大部分自動氣象站的建立位置空曠，這也是導(dǎo)致自動氣象站容易遭受雷電災(zāi)害的重要原因之一。由此可見，對自動氣象站進(jìn)行雷電防護(hù)需要進(jìn)行綜合考慮，結(jié)合多種防護(hù)手段進(jìn)行雷電防控。首先，電位連接是指建立聯(lián)合共地運(yùn)行方式，防護(hù)站內(nèi)設(shè)備，保護(hù)其不受雷電攻擊[4]。其次，在室內(nèi)安裝結(jié)構(gòu)鋼筋與金屬門窗也能有效屏蔽雷電，保證室內(nèi)設(shè)備不受損害。與傳統(tǒng)的布線相比，綜合布線具備兼容性、開放性、靈活性、可靠性、先進(jìn)性和經(jīng)濟(jì)性的特點(diǎn)，能夠防止終端設(shè)備或器件被損壞，保障系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

5 自動氣象站防雷的技術(shù)處理措施

在地面氣象觀測系統(tǒng)建設(shè)過程中，自動氣象站起到了至關(guān)重要的作用，其是天氣預(yù)測過程中不可缺失的一部分，而自動氣象站在工作時經(jīng)常會受到雷電襲擊，在一定程度上對氣象站觀測質(zhì)量產(chǎn)生重要影響，嚴(yán)重影響氣象站觀測的精準(zhǔn)性，對社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人們生命安全造成嚴(yán)重威脅。

基于此，相關(guān)單位應(yīng)采取正確的處理措施，保障農(nóng)業(yè)的健康、可持續(xù)發(fā)展。第一，可以單獨(dú)安裝避雷針。這一方法能夠有效避免傳輸線受到外界危害，在條件允許的范圍內(nèi)，可以將避雷針和風(fēng)感傳感器設(shè)置分開，確保系統(tǒng)之間保持安全距離。第二，等電位連接。將避雷針和金屬管進(jìn)行等電位連接，能夠使避雷針使用特殊的裝置和金屬管電氣連接，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的等電位連接。第三，將接地組織安裝在觀測地區(qū)的外側(cè)。從而確保數(shù)據(jù)線和接地線二者之間的安全距離，一旦出現(xiàn)距離不夠長的情況，可以借助相應(yīng)辦法增加角度。

6 自動氣象站防雷技術(shù)對農(nóng)業(yè)的影響

6.1 自動氣象站建立對農(nóng)業(yè)的價值

自動氣象站的建設(shè)給農(nóng)業(yè)帶來了一定程度的便利，隨著科技水平的不斷提升，自動氣象站在農(nóng)業(yè)行業(yè)開始得到廣泛普及，自動氣象站能預(yù)測階段性天氣情況，向農(nóng)業(yè)種植人員反映階段性氣候條件，為農(nóng)作物不受氣候影響提供保障。

氣候條件對農(nóng)業(yè)的影響是巨大的，由此可見，維護(hù)自動氣象站安全運(yùn)行是保證農(nóng)業(yè)穩(wěn)定、健康發(fā)展的重要條件。在可能發(fā)生災(zāi)害天氣時，自動氣象站會及時向農(nóng)業(yè)種植人員發(fā)出警報，使種植人員能夠在災(zāi)害來臨前對農(nóng)作物展開有效防護(hù)，將天氣災(zāi)害對農(nóng)作物的損害降至最低。自動氣象站對保障農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的意義深遠(yuǎn)，對促進(jìn)農(nóng)業(yè)發(fā)展也有重大價值，因此，探索有效的自動氣象站防雷技術(shù)是十分必要的，也是維護(hù)農(nóng)業(yè)健康、穩(wěn)定、持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)。

6.2 自動氣象站與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)

大部分自動氣象站是通過微處理器對氣象信息與數(shù)據(jù)展開收集和分析工作的，與此同時，自動氣象站能在24 h中對氣象信息進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。通常，自動氣象站由室內(nèi)和室外兩個部分構(gòu)成，其負(fù)責(zé)的內(nèi)容各不相同，室內(nèi)主要工作內(nèi)容是處理和顯示資料，而室外則是感應(yīng)系統(tǒng)，使兩者密切配合、互相連接進(jìn)行信息傳輸，構(gòu)成了完整的自動氣象站信息。在氣象要素不斷變化的同時，傳感器的輸出電流也在不斷發(fā)生變化，數(shù)據(jù)采集器會通過要素處理與采集對其進(jìn)行轉(zhuǎn)換，設(shè)備在收集數(shù)據(jù)時，工程量要素也要進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。數(shù)據(jù)處理的過程中，自動氣象站會對信息質(zhì)量進(jìn)行控制，將得到的氣象信息與數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時傳輸與顯示在主控計(jì)算機(jī)上。大部分自動氣象站系統(tǒng)擁有兩個部分，分別是自動站和數(shù)據(jù)接收中心，而自動站的信息收集設(shè)備由供電、通信和傳感器單元共同組成。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)工作一般是在自然環(huán)境下展開的，這就導(dǎo)致農(nóng)業(yè)生產(chǎn)容易受到氣溫的影響。

為了保證農(nóng)業(yè)生產(chǎn)工作能夠順利開展，借助自動氣象站加強(qiáng)對氣象數(shù)據(jù)的收集成為主要渠道，其能夠監(jiān)控氣象信息，從而使農(nóng)戶能夠以此為依據(jù)，進(jìn)行農(nóng)作物種植規(guī)劃，提升農(nóng)作物種植管理水平，提高農(nóng)作物種植質(zhì)量與產(chǎn)量。

此外，需要充分利用自動氣象站觀測的各類氣象信息，使農(nóng)業(yè)自然災(zāi)害得到一定控制，通過氣象信息分析和預(yù)測農(nóng)業(yè)自然災(zāi)害的分布規(guī)律，從而對種植區(qū)域與位置進(jìn)行科學(xué)合理劃分，保證農(nóng)作物種植質(zhì)量與效率[5]。

7 結(jié)束語

自動氣象站防雷技術(shù)的建設(shè)對農(nóng)業(yè)的影響重大，其能夠提升農(nóng)業(yè)氣象預(yù)測準(zhǔn)確度，保證自動氣象站安全、穩(wěn)定地運(yùn)行。就農(nóng)業(yè)生產(chǎn)而言，自動氣象站能夠?qū)崿F(xiàn)氣象信息監(jiān)控，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供安全保障。隨著科技的進(jìn)步，自動氣象站的建設(shè)與穩(wěn)定情況受到社會各界的廣泛關(guān)注，自動氣象站防雷技術(shù)，能確保自動氣象站在雷雨天氣正常運(yùn)行，通過各種防護(hù)手段保障農(nóng)業(yè)作物的安全與健康。防雷技術(shù)主要由接地、布線、接閃等技術(shù)構(gòu)成，其能夠?qū)崿F(xiàn)直雷擊防護(hù)、雷電波防護(hù)、多種雷電防護(hù)。由此可見，防雷技術(shù)的建設(shè)對自動氣象站的運(yùn)行安全性有重要價值，同時能推動農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的持續(xù)發(fā)展，對我國農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)建設(shè)有利無害。