谈自动气象站雷电综合防护体系

严玉彬　姬社英　常保强　扈英磊

摘要随着气象科技的发展,自动气象站逐渐普及,但自动站在实际运行过程中经常遭受雷电侵袭。分析了雷电入侵的途径,并从感应雷击、直接雷击和接地装置3个方面探讨了自动气象站雷电综合防护体系的建设,以期实现对自动站的防雷保护。

关键词自动气象站;感应雷击;直接雷击;接地装置;防护措施

中图分类号P415.1+2;TU895文献标识码A文章编号 1007-5739(2009)15-0303-01

随着气象科技的不断发展,气象数据的要求精度和密度逐渐加大,气象自动站逐渐得到了普及。近几年,全国已经建成了大批自动气象站,河南省建立了逾65个自动气象站,平顶山市也已建立了4个自动气象站,但自动站在实际运行过程中经常遭受雷电的侵袭,雷击自动站事件不断发生,这无疑对自动站综合防雷提出了更高的要求,因此对自动气象站的雷电综合防护体系进行研究探讨是十分必要的。

自动气象站是一种能自动地观测和存储气象观测数据的设备,主要由传感器、采集器、通讯接口、系统电源等组成。随着气象要素值的变化,各传感器的感应元件输出的电量产生变化,这种变化量被CPU实时控制的数据采集器所采集,经过线性化和定量化处理,实现工程量到要素量的转换,再对数据进行筛选,得出各个气象要素值。由于数据的传输是微电流信号,因此通过采集器采集计算机的信号的过程对电磁环境十分敏感,可以说,恶劣的电磁环境会严重影响信号的传输乃至使信号失真。特别容易造成感应过电压和雷电波侵入波。作为测风用的风传感器一般距离地面的高度在10～12m,是所有传感器中最容易收集雷电信号的部件,容易造成直击雷直接雷击。笔者着重从感应雷击、直接雷击和接地装置3个方面探讨自动站防雷综合体系的建设。

1感应雷击

感应雷击包括感应过电压和雷电波侵入波。感应过电压是指雷击在设备设施或线路的附近发生,或闪电不直接对地放电,只在云层与云层之间发生放电现象。闪电释放电荷,并在电源和数据传输线路及金属管道金属支架上感应生成过电压。雷电波侵入波是指雷电不直接放电在建筑和设备本身,而是对布放在建筑物外部的线缆放电。线缆上的雷电波或过电压几乎以光速沿着电缆线路扩散,侵入并危及室内电子设备和自动化控制等各个系统。

针对感应雷击,主要是做好电源、电缆、信号线路的敷设与防雷。一是风向、风速数据传输线应采用带屏蔽层的线缆经金属风杆内敷设,传输线的外屏蔽层首尾两端与风杆应电气连接;当数据传输线无法敷设在金属风杆内或采用金属塔作为支撑物时,应将数据传输线穿金属管垂直敷设,传输线的外屏蔽层和金属管均应在首尾两端与风杆或金属塔作电气连接,金属管首尾应电气贯通与防雷接地连接。各类信号线与室内采集器接口前用防雷保护器和信号线SPD进行防护。二是对进入室内的宽带光纤,光缆介质冲击强度约为40KV,比同轴电缆和对称电缆(5KA)大得多。但光缆的金属保护层或内部加固金属芯会减弱防雷效果,因此也有必要采取防雷措施,并在光缆进入光端机之前将金属芯和保护层分开,进行等电位连接。宽带网路由器I/O两端安装RJ45接口SPD。在计算机前端的网络信号线上安装接口型式为RJ45的信号SPD。自动气象站接入计算机的接口(COM)前安装9针串口的SPD;自动站的地温集线盒,其金属屏蔽层应就近接入观测场接地网的预留接地点。三是平顶山自动气象站供电采用三相四线制供电系统,工作室低压电源线路220V,空调供电线路为380V,从室外引线上安装的SPD应选用符合Ⅰ级分类实验的产品,安装第1级电涌保护器,选择的标准是雷电流幅值量为40KA,波型为10/350us的避雷器。配电柜前端低压电源线路应安装第2级电涌防护器。其要求是最大持续运行电压应不小于其工作电压1.15倍,雷电流幅值量为20KA,波型为8/20us的避雷器。UPS前端及精密仪器前端电源安装第3级电涌防护器,其要求是最大持续运行电压应不小于其工作电压1.15倍,雷电流幅值量为10KA,波型为8/20us的避雷器,避雷器的接地线要尽量短,一般应小于1m。在每台计算机电源与UPS之间安装插座式避雷器。供电线路与信号线路电磁兼容(EMC),是防雷综合防护体系必须解决的问题。采取的主要办法是解决2种线路之间的安全间距问题,通过对2种线路进行屏蔽、接地、均压、等电位连接等综合处理,达到减少电磁干扰的目的。为防止干扰,供电线路、信号线路、地线等应分开敷设于不同的线槽中,它们的间距应符合GB/T 50311-2000规范中的要求,并将这些线缆穿于金属管内,以实现可靠的屏蔽。在值班室内设铜板汇流排,进行等电位连接。电源避雷器接地线、信号避雷器接地线、设备外壳、其他管道或金属件直接接在汇流排上,汇流排用500mm×50mm×5mm的铜排与地网可靠连接,接地电阻小于4Ω。避雷器的接地线要尽量短,一般应小于1m。

2直接雷击

针对自动气象站外部防雷问题,主要依据《建筑物防雷设计规范》GB50057-94、国际规范IEC1024以及相应的防雷规范和标准进行处理。自动气象站仪器设备的避雷接闪器,根据实际情况可以选择在房顶上安装避雷针、避雷带或避雷网、避雷线,也可利用风向杆作为接闪器,但要通过滚球法计算出它的保护范围。观测场内的雨量筒、百叶箱、日照计支架、风向杆、蒸发皿等用10mm 2BVR的铜线就近与防雷地网连接,仪器与扁铜用铜螺栓连接,连接处用黄油覆盖并用防水胶布缠绕。观测场四角及四边中间位置共8处用10mm 2BVR的铜线与接地网连接。

3接地装置

接地是避雷技术最重要的环节,不管是直击雷、感应雷、或其他形式的雷,最终都是把雷电流送入大地。因此,没有合理而良好的接地装置是不能可靠地避雷的。对于自动站的接地电阻应小于等于4Ω,并且采取等电位接地的方法将避雷接地。平顶山地区的自动站一般采用热镀锌角钢,规格为50mm×50mm×5mm,长度为2.5m,两垂直接地体间的距离为5m;采用热镀锌扁钢,规格为40mm×4mm,在1.2m深度与垂直接地体焊接。水平接地体在观测场小路上,为了保证观测员人身安全,水平接地体距地面为1.2m,焊接点涂2道沥青防腐。接地装置应符合《自动气象站场室防雷技术规范》QX30-2004要求,以上防雷装置经过多年考验,未出现雷击事件。

4结语

自动气象站的综合防雷不仅要考虑防直击雷装置,更要考虑到对感应雷、雷电波入侵的防护。它牵涉面广、技术性强、要求防雷技术人员必须熟练掌握各种防雷规范和标准,应用各种先进的防雷技术,根据各地实际情况,综合考虑各方面的因素,才能对雷电灾害做到有效的防护,保证自动站系统稳定运行。

5参考文献

[1] 林维勇.建筑物防雷设计规范GB50057-94[S].北京:中国标准出版社,2000.

[2] 国家技术监督局.自动气象站场室防雷技术规范QX30-2004[S].北京:中国标准出版社,2004.

[3] 国家技术监督局.气象信息系统雷击电磁脉冲防护规范QX3-2000[S].北京:中国标准出版社,2001.