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摘要：目前,地面遥测系统正逐步替代传统的人工气象观测,雷电电磁脉冲对地面遥测系统的安全运行构成了很大的威胁。本文详细介绍了自动气象站的防雷技术措施,对如何有效防范雷电灾害,做好自动气象站的防雷工作有一定的指导意义。
关键词：自动气象站雷电防护措施
中图分类号：P4 文献标识码：A 文章编号：
自动气象站作为一种集合了传感器、数据采集及处理、数据通信等技术的自动化电子设备,其抵御雷电损害的脆弱性是不言而喻的,加上自动气象站安装运行在严酷的环境下以及与市电、通信网络的联系,更增加了遭受雷电损害的危险性。因此,预防雷电损害是自动气象站网可靠性设计的极其重要部分。自动气象站遭受雷电损害通常有二种情况:即直击雷损害和雷击电磁脉冲造成的感应雷损害。就防雷技术而言,直击雷防护是比较困难的,所幸的是遭受其损害的概率极小。然而雷电感应对自动气象站损害的概率较大,其防护手段也较为复杂,本文根据尺度自动气象站网的防雷设计实践,就自动气象站雷电感应防护问题进行了讨论。
一、自动气象站的雷击隐患
自动气象站是用于气象数据的自动采集、计算处理和存储的电子设备系统,主要有气象要素传感器、采集器、计算机等组成。气象要素传感器放置在室外空旷处,采集器、计算机安装在室内, 室外传感器与室内采集器之间通过信号电缆相连接。根据自动气象站设备特性分析,存在如下雷击隐患。
1.室外设备的雷击隐患
自动气象站的室外部分有风向、风速、温湿度、雨量、蒸发、地温等传感器。由于室外设备的特有布置环境和自身特点,存在以下雷击隐患。(1)处于室外的传感器安装在开阔的观测场内,四周无高大建筑物,尤其是风向风速感应器安装在风杆上,探头为敏感度极高的金属体,极易遭受雷击；(2)安装风向风速感应器的风杆均装有接闪杆或在接闪杆的保护范围之内,但当风杆遭雷击时,其顺着风杆引向室內采集器的传输电缆线易感应电磁脉冲而损坏设备；(3)观测场接闪杆遭雷击时产生的强大暂态电磁场,经温湿度、雨量、蒸发、地温传感器等信号电缆电磁耦合到设备,造成损坏；(4)观测场接闪杆遭雷击时产生局部高电位,使自动气象站的金属探头因地电位的反击而损坏。
2. 室内设备的雷击隐患
自动气象站的室内部分有气压感应器、采集器和计算机,极易因电磁脉冲而损坏,其雷击隐患主要有以下3点:
(1)雷电电磁脉冲通过采集器的传感线路损坏设备,造成自动气象系统瘫痪；
(2)雷电电磁脉冲通过电源线路损坏自动气象站的电子设备；
(3)不规范的接地系统,造成各电子设备之间有电位差,损坏自动气象站的电子设备。
二、自动气象站雷电灾害的形成特征分析
1、从自动气象站的构成要素特点，来分析雷电灾害的形成自动气象站是一种利用电子技术手段进行气象要素自动观测的现代化观测系统， 它是由气象要素传感器、数据采集器、微机终端和电源等部分组成，是一种需要电力系统供电、来保持其正常工作的综合性电子设备，主要完成气象要素的数据采集、信号变换、传输、信息处理、存储、发送等工作任务。从自动气象站的构成要素特点来分析，其雷电灾害的形成具有以下特征：
（1）自动气象站设备的敏感及脆弱极易遭受雷电感应的侵害。 自动气象站设备是由非常敏感的电子器件构成的电子信息系统，由于电子器件的抗电磁干扰能力、耐压能力、抗冲击电流能力薄弱，耐受能量的能力为毫焦耳级（mJ）、甚至更低（10-6~10-8焦耳 J）， 而雷电每次释放的能量在百兆焦耳（MJ），与电子器件的耐受能量悬殊极大 ，因此当雷电到来时，强雷电感应电压（可达几十千伏-几百万伏）极易造成电子器件的击穿、爆裂，印制电路板线路熔化、烧断，造成自动气象站设备系统的永久性损坏。
（2）错综复杂的线缆易传播雷电感应过电压和雷电电磁脉冲。 自动气象站设备的工作大多需要电力线路供电，同时，气象要素的数据采集、传输、处理、发送，都需要多根信号线缆完成信号的收发，因而自动气象站系统有一个较庞大且复杂的线缆布局。 错综复杂的室内、室外线路电缆，极易将闪电电涌引入自动气象站的设备系统， 雷电的电磁感应，也会在电缆上诱发感应过电压和过电流，使供电网线缆上的电压高达 100KV 以上，电信电缆的电压可达几十 KV 以上，并沿着线缆四处传播，对与线缆连接的设备、终端构成严重的危害。
三、自动气象站的防雷措施
气象信息系统雷电电磁脉冲防护规范和气象台(站)防雷技术规范是中国气象局针对自动气象站所处的位置一般位于较高且开阔的凸出地带和气象设备的特点,参照相关标准制定的。针对自动气象站的特性,要用/接闪、屏蔽、等电位连接、均压、分流、限压、接地等综合雷电防护措施进行,以提高自动气象站运行的安全性和可靠性。
1、防直击雷自动气象站防雷的第一道屏障是防直击雷装置,其性能的好坏影响到整个自动气象站防雷系统。首先依据《气象台(站)防雷技术规范》中台站防雷等级划分规定,确定本台站的防雷等级,然后再按《建筑物防雷设计规范》的规定设置接闪杆 (带、网)、独立接闪杆或混合组成的接闪器。对于直击雷而言,雷电流的分流是通过接闪器接闪后经引下线流入大地的。由于直击雷能量巨大,在其入地过程中电能会转化为较强的动能和热能,因此,在《建筑物防雷设计规范》中要求:当接闪杆短于1 m时,针体用直径≥12 mm的圆钢,针长在1~2 m时,针体采用≥(16~20) mm的圆钢;对于接闪带和引下线,应采用≥8 mm的圆钢,建筑物的防雷引下线应不少于2根,以降低单位空间内因雷电流引入的热效应和电磁效应。为了使雷电流及时入地,还必须有较为良好的接地体。根据台站防雷效果显示,采用统一接地时,接地电阻低于28欧姆的防雷系统,设备的故障率明显降低。
2、 均压均压的目的是使系统内所有设备都处于同一标准电平,为各设备提供一个公共接点或平面,通常使用的接地体就是一种特殊的均压平面。理想的均压面是一个零电位、零阻抗的物体,任何信号通过它,均不会产生电压或辐射。根据规范要求,所有的设备必须以最短的距离与之相联接。
3、 屏蔽隔离屏蔽隔离是指利用导电或导磁材料对两个空间的电磁能量进行屏蔽隔离。屏蔽可分为电磁屏蔽和静电屏蔽,当上空存在雷电场时,地面上的物体就会受其静电影响而感应出电荷,当雷电击中某一物体时,雷电场迅速消失,而地面上的物体所感应的电荷由于失去了云层中电荷的吸引也相应出现静电放电现象,如果没有提供其合适的放电通路,就会发生雷电闪络现象。当雷电通过放电通路放电时,周围空间就存在较强的电磁辐射,若电子设备位于该空间内,就会产生感应电流,严重威胁设备的安全。因此,在雷电防护区内,所有的非带电金属都要做可靠接地,并保证电缆屏蔽和设备外壳之间实现良好的电气连结,必要时,可设置金属格栅对防护区进行电磁屏蔽。为防止电磁辐射对设备的影响,要求设备与引下线之间保持3 m以上的距离。
4、防电涌保护自动气象站应采用TN-C-S或TN-S系统供电,并根据上下级能量匹配原则,对供电线路设计安装多级浪涌保护器。为了防止雷电电磁脉冲沿电缆线路侵入系统,在采集器端口要安装浪涌保护器,来起到限制瞬态过电压,分走电涌电流,达到保护自动气象站系统的作用。
5、 等电位联结（1）计算机房等电位连接 在值班室(计算机房)内设置等电位连接网,根据具体情况采用S型或M型连接,使自动气象站设备与计算机房内原有的网络设备形成等电位。（2）观测场与值班室大楼等电位连接 自动气象站的接地是防雷中较重要的环节,应和建筑物基础地、防雷地及观测场接地建成统一的接地网,并和地面上的金属导体相连,形成等电位体。
结语
对于雷电损害的有效防护,无疑是自动气象站网可靠运行的重要保证。我国地面气象观测遥测自动化功能需求政策已对自动气象站的防雷提出了要求,但尚无规范性的指导文件,本文讨论的有关问题仅供参考。本文提出的有关问题虽然仅是针对自动气象站的讨论,观点与思路同样适用于其它仪器设备雷电侵入的防护。
【参考文献】
[ 1 ]王荣,李吉云.特殊视程障碍现象的区别[J].黑龙江气象,2006(2):32.
[ 2 ]李崇志,于清平,陈彦.霾的判别方法探讨[J].南京气象学院学报,2009,32(2):327-332.
关键词：自动气象站雷电防护措施
中图分类号：P4 文献标识码：A 文章编号：
自动气象站作为一种集合了传感器、数据采集及处理、数据通信等技术的自动化电子设备,其抵御雷电损害的脆弱性是不言而喻的,加上自动气象站安装运行在严酷的环境下以及与市电、通信网络的联系,更增加了遭受雷电损害的危险性。因此,预防雷电损害是自动气象站网可靠性设计的极其重要部分。自动气象站遭受雷电损害通常有二种情况:即直击雷损害和雷击电磁脉冲造成的感应雷损害。就防雷技术而言,直击雷防护是比较困难的,所幸的是遭受其损害的概率极小。然而雷电感应对自动气象站损害的概率较大,其防护手段也较为复杂,本文根据尺度自动气象站网的防雷设计实践,就自动气象站雷电感应防护问题进行了讨论。
一、自动气象站的雷击隐患
自动气象站是用于气象数据的自动采集、计算处理和存储的电子设备系统,主要有气象要素传感器、采集器、计算机等组成。气象要素传感器放置在室外空旷处,采集器、计算机安装在室内, 室外传感器与室内采集器之间通过信号电缆相连接。根据自动气象站设备特性分析,存在如下雷击隐患。
1.室外设备的雷击隐患
自动气象站的室外部分有风向、风速、温湿度、雨量、蒸发、地温等传感器。由于室外设备的特有布置环境和自身特点,存在以下雷击隐患。(1)处于室外的传感器安装在开阔的观测场内,四周无高大建筑物,尤其是风向风速感应器安装在风杆上,探头为敏感度极高的金属体,极易遭受雷击；(2)安装风向风速感应器的风杆均装有接闪杆或在接闪杆的保护范围之内,但当风杆遭雷击时,其顺着风杆引向室內采集器的传输电缆线易感应电磁脉冲而损坏设备；(3)观测场接闪杆遭雷击时产生的强大暂态电磁场,经温湿度、雨量、蒸发、地温传感器等信号电缆电磁耦合到设备,造成损坏；(4)观测场接闪杆遭雷击时产生局部高电位,使自动气象站的金属探头因地电位的反击而损坏。
2. 室内设备的雷击隐患
自动气象站的室内部分有气压感应器、采集器和计算机,极易因电磁脉冲而损坏,其雷击隐患主要有以下3点:
(1)雷电电磁脉冲通过采集器的传感线路损坏设备,造成自动气象系统瘫痪；
(2)雷电电磁脉冲通过电源线路损坏自动气象站的电子设备；
(3)不规范的接地系统,造成各电子设备之间有电位差,损坏自动气象站的电子设备。
二、自动气象站雷电灾害的形成特征分析
1、从自动气象站的构成要素特点，来分析雷电灾害的形成自动气象站是一种利用电子技术手段进行气象要素自动观测的现代化观测系统， 它是由气象要素传感器、数据采集器、微机终端和电源等部分组成，是一种需要电力系统供电、来保持其正常工作的综合性电子设备，主要完成气象要素的数据采集、信号变换、传输、信息处理、存储、发送等工作任务。从自动气象站的构成要素特点来分析，其雷电灾害的形成具有以下特征：
（1）自动气象站设备的敏感及脆弱极易遭受雷电感应的侵害。 自动气象站设备是由非常敏感的电子器件构成的电子信息系统，由于电子器件的抗电磁干扰能力、耐压能力、抗冲击电流能力薄弱，耐受能量的能力为毫焦耳级（mJ）、甚至更低（10-6~10-8焦耳 J）， 而雷电每次释放的能量在百兆焦耳（MJ），与电子器件的耐受能量悬殊极大 ，因此当雷电到来时，强雷电感应电压（可达几十千伏-几百万伏）极易造成电子器件的击穿、爆裂，印制电路板线路熔化、烧断，造成自动气象站设备系统的永久性损坏。
（2）错综复杂的线缆易传播雷电感应过电压和雷电电磁脉冲。 自动气象站设备的工作大多需要电力线路供电，同时，气象要素的数据采集、传输、处理、发送，都需要多根信号线缆完成信号的收发，因而自动气象站系统有一个较庞大且复杂的线缆布局。 错综复杂的室内、室外线路电缆，极易将闪电电涌引入自动气象站的设备系统， 雷电的电磁感应，也会在电缆上诱发感应过电压和过电流，使供电网线缆上的电压高达 100KV 以上，电信电缆的电压可达几十 KV 以上，并沿着线缆四处传播，对与线缆连接的设备、终端构成严重的危害。
三、自动气象站的防雷措施
气象信息系统雷电电磁脉冲防护规范和气象台(站)防雷技术规范是中国气象局针对自动气象站所处的位置一般位于较高且开阔的凸出地带和气象设备的特点,参照相关标准制定的。针对自动气象站的特性,要用/接闪、屏蔽、等电位连接、均压、分流、限压、接地等综合雷电防护措施进行,以提高自动气象站运行的安全性和可靠性。
1、防直击雷自动气象站防雷的第一道屏障是防直击雷装置,其性能的好坏影响到整个自动气象站防雷系统。首先依据《气象台(站)防雷技术规范》中台站防雷等级划分规定,确定本台站的防雷等级,然后再按《建筑物防雷设计规范》的规定设置接闪杆 (带、网)、独立接闪杆或混合组成的接闪器。对于直击雷而言,雷电流的分流是通过接闪器接闪后经引下线流入大地的。由于直击雷能量巨大,在其入地过程中电能会转化为较强的动能和热能,因此,在《建筑物防雷设计规范》中要求:当接闪杆短于1 m时,针体用直径≥12 mm的圆钢,针长在1~2 m时,针体采用≥(16~20) mm的圆钢;对于接闪带和引下线,应采用≥8 mm的圆钢,建筑物的防雷引下线应不少于2根,以降低单位空间内因雷电流引入的热效应和电磁效应。为了使雷电流及时入地,还必须有较为良好的接地体。根据台站防雷效果显示,采用统一接地时,接地电阻低于28欧姆的防雷系统,设备的故障率明显降低。
2、 均压均压的目的是使系统内所有设备都处于同一标准电平,为各设备提供一个公共接点或平面,通常使用的接地体就是一种特殊的均压平面。理想的均压面是一个零电位、零阻抗的物体,任何信号通过它,均不会产生电压或辐射。根据规范要求,所有的设备必须以最短的距离与之相联接。
3、 屏蔽隔离屏蔽隔离是指利用导电或导磁材料对两个空间的电磁能量进行屏蔽隔离。屏蔽可分为电磁屏蔽和静电屏蔽,当上空存在雷电场时,地面上的物体就会受其静电影响而感应出电荷,当雷电击中某一物体时,雷电场迅速消失,而地面上的物体所感应的电荷由于失去了云层中电荷的吸引也相应出现静电放电现象,如果没有提供其合适的放电通路,就会发生雷电闪络现象。当雷电通过放电通路放电时,周围空间就存在较强的电磁辐射,若电子设备位于该空间内,就会产生感应电流,严重威胁设备的安全。因此,在雷电防护区内,所有的非带电金属都要做可靠接地,并保证电缆屏蔽和设备外壳之间实现良好的电气连结,必要时,可设置金属格栅对防护区进行电磁屏蔽。为防止电磁辐射对设备的影响,要求设备与引下线之间保持3 m以上的距离。
4、防电涌保护自动气象站应采用TN-C-S或TN-S系统供电,并根据上下级能量匹配原则,对供电线路设计安装多级浪涌保护器。为了防止雷电电磁脉冲沿电缆线路侵入系统,在采集器端口要安装浪涌保护器,来起到限制瞬态过电压,分走电涌电流,达到保护自动气象站系统的作用。
5、 等电位联结（1）计算机房等电位连接 在值班室(计算机房)内设置等电位连接网,根据具体情况采用S型或M型连接,使自动气象站设备与计算机房内原有的网络设备形成等电位。（2）观测场与值班室大楼等电位连接 自动气象站的接地是防雷中较重要的环节,应和建筑物基础地、防雷地及观测场接地建成统一的接地网,并和地面上的金属导体相连,形成等电位体。
结语
对于雷电损害的有效防护,无疑是自动气象站网可靠运行的重要保证。我国地面气象观测遥测自动化功能需求政策已对自动气象站的防雷提出了要求,但尚无规范性的指导文件,本文讨论的有关问题仅供参考。本文提出的有关问题虽然仅是针对自动气象站的讨论,观点与思路同样适用于其它仪器设备雷电侵入的防护。
【参考文献】
[ 1 ]王荣,李吉云.特殊视程障碍现象的区别[J].黑龙江气象,2006(2):32.
[ 2 ]李崇志,于清平,陈彦.霾的判别方法探讨[J].南京气象学院学报,2009,32(2):327-332.