雷击接闪杆对DDZ5新型自动气象站的影响及防护措施

黎莫清，周小武，莫益江

(广西壮族自治区河池市气象局，广西 河池 547000)

LI Moqing，ZHOU Xiaowu，MO Yijiang

(Hechi City Meteorological Bureau，Hechi 547000)

雷击接闪杆对DDZ5新型自动气象站的影响及防护措施

黎莫清，周小武，莫益江

(广西壮族自治区河池市气象局，广西 河池 547000)

当雷击接闪杆向地网泄流时，泄流通道会产生闪电电磁辐射及地电位升高，对DDZ5自动气象站系统造成严重干扰。针对这一问题，分析了雷击接闪杆干扰侵入自动气象站系统的途径，提出了通过截断干扰“源头”的方式，即切断电源线、通信线及设备地线的引雷途径，提出了地网优化设计、SPD保护及屏蔽和合理布线等保护措施，可以有效地屏蔽雷击引起的地电位反击，提高自动气象站系统运行的安全性和可靠性。

自动气象站；雷击电涌；地网设计；SPD；屏蔽

1 引言

DZZ5新型自动气象站[1-2]是应用嵌入式系统技术外部总线技术构建的自动气象站，是集高精度、多功能、全要素的第二代自动气象站，是实现国家级台站观测业务自动化的重要基础。自动气象站多建于效外，所处地势高，地域空旷，且设备耐压水平低，极易遭受雷电过电压的干扰，对探测系统运行造成严重影响。对于自动气象站的雷电防护[3-9]，研究较为全面，包括直击雷防护措施，如接闪杆、引下线、接地装置等；还有闪电电涌防护措施，如SPD保护、等电位连接、屏蔽、共用接地系统等。国家相关标准及行业规范[10-14]对自动气象站的防雷设计与施工有详细明确的规定，但是已按规范安装完善防雷设施的自动气象站，仍常遭受雷击，对于雷击的成因尚未有新的分析。本文着重分析由接闪杆接闪引来的间接雷害问题，如闪电电磁辐射、地电位反击等对自动气象站系统的干扰，并提出相应的防护措施。

2 接闪杆泄流通道产生的电磁辐射(LEMP)

自动气象站防直击雷措施采用独立接闪杆或风杆作保护，利用杆体或外引导体作引下线，引下导体成为雷电闪击时的主电流通道(电流注)。由于雷电流有极大的峰值和陡度，在接闪杆周围的空间有强大的变化的电磁场，处在变化的电磁场中的导体会感应出较大的电动势，如图1所示。

图1 接闪杆开口金属环感应电势

接闪杆(电流注)AM与一个有气隙的正方形金属开口环处于同一平面上，x1为正方形方框与AM的距离；x2是方框的另一边与AM的距离，金属环的边长为l，由电磁感应定律可知，开口金属环上的最大感应电压：

(1)

如果不考虑电压方向，则

(2)

根据电磁场理论：

(3)

因此，在接闪杆(电流注)附近开口金属环上最大感应电动势为：

(4)

若接闪杆与金属环之间的夹角为α，则式(4)后边应乘以cosα。

从图2可以得出随着距离的增加，感应电压逐渐衰减，感应电压值与方环至AM的距离x1成反比。若图中金属框K的边长l等于5 m，闪击电流峰值分别选50 kA、100 kA，闪击电流波形前沿取2.5 μs，则距离雷击点方圆20 m处可以感应出4.5 kV、8.9 kV的电压，这个危险电压在雷雨天气足以击穿自动气象站设备电路板的间隔气隙。

图2 5 m×5 m金属环上的开口感应电压曲线

3 地电位反击

当接闪杆接闪时，雷电流沿泄流通道AM(引下线或杆体)注入地网，整个观测场地网电位升高，与地网相连的接地汇流排及与接地汇流排作等电位连接的设备外壳其电位也随之升高，而探测系统电路板PCB的接地端均与采集器设备外壳相连，将高电位传至主采集器电路板，主采集器又与值班室有多条线路相连，其中包括(R、T、G、P)4条线路，这相当于从值班室引来了远地的零电位，观测场探测系统电路板的接地端与值班室引来的通信线路接口由于高的电位差，发生反击放电，损坏设备。如图3所示。

另外，观测场内各设备共用接地，各分采设备与主采集器均布置在观测场内不同的方位，相距有一定的距离，若独立接闪杆接闪，会引起地网电位升高且分布不均匀，导致各地网节点之间产生高电位差。

图3 自动气象站地电位反击示意图

4 防护措施

自动气象站系统与外界联系有3种，即电源线、信号线、设备地线。无论电涌过电压产生的形式如何，其最终会通过这3种途径中的一种或几种对设备放电，造成设备损坏。因此对于自动气象站系统的防雷保护，只要截断该需要保护的空间与外界电涌过电压的途径，即可达到防护要求。由此可见，自动气象站系统与外界联系的带电金属线缆(引雷途径)包括：电源线、控制通信线及设备的地线，即自动气象站系统雷电防护主要是线路传导电涌过电压防护及地电位反击防护。

4.1 地网优化设计

①若观测场设置有独立接闪杆保护，则宜采取“隔离”措施，设置独立接地装置，接闪杆及地网与其他金属管线及观测场内地网应保持足够的安全距离。如果由于地形环境等无法设置独立接地装置，则独立接闪杆地网与观测场内地网可共用接地，但是严禁两者就近共用连接地网，应在地网最远端连接，两者地网连接沿接地体长度OA应满足下式要求，且不应<20 m：

(5)

式中：l为地网连接长度(m)，ρ为土壤电阻率(Ωm)。

②采用风杆接闪杆作为直击雷防护措施的站点，其接闪杆及引下线的布置参照规范[10]要求进行设计，接闪杆及引下线与风杆杆体保持足够的绝缘，均采用绝缘横担和绝缘子沿风杆拉线引至观测场地网外围接地，接地点与观测场地网距离应≥3 m，风杆接闪杆在外围设置相对独立的集中接地。为使雷电流快速分流，可在地网外围增设数条放射状水平接地极。风杆接闪杆地网与观测场地网可共用接地，但是严禁两者就近共用连接地网，应在地网最远端连接，两者地网连接沿接地体长度OA应满足(5)式要求，且不应<20 m。

③观测场地网应设计为正方形网格状环形地网，使整个地网电位分布均匀，减小各地网节点的地位差。接地网格参照一类防雷网格标准，其尺寸≤5 m×5 m，与值班室地网作等电位连接，连接点不少于两处。如图4所示。

图4 自动气象站地网布置图

④观测场电缆沟内应设置等电位连接带，该带严禁从风杆接闪杆接地线处或附近直接接入，接入点要有足够的安全散流距离。电缆沟应敷设与电缆沟平行的均压水平接地极。

⑤在接闪杆接地处及主采集器等设备接地处增设垂直接地极，特别是接闪杆外引接地处可以采用深基础接地，将风杆拉线塔基础埋深3m以上，利用塔基钢筋作自然接地体；或采取深井接地，采用机械钻井方式，打深孔10～15 m，孔直径φ100，使用φ100镀锌钢管作接地极打入孔内，钢管内及外空隙施放的物理降阻剂，可以有效降低冲击接地电阻，使雷电流快速分流泄压，改善地电位分布梯度。

4.2 SPD保护

4.2.1 电源系统SPD保护 自动气象站场室低压配电线路应设专线供电，采用具有金属护套或绝缘护套电缆穿金属管全线埋地引入，金属管及电缆金属护套两端应就近可靠接地。低压配电系统设置4级SPD进行保护，其参数性能如表1所示。主采集器箱的SPD4宜选用B+C型，因为观测场存在雷击接闪杆导致雷电流引入地网的可能，会造成高电压引入，对电气系统产生反击，应考虑直击雷能量的地电位反击，安装兼有直击雷和感应雷防护功能的复合型SPD。

表1 电源系统SPD配置图

4.2.2 信号系统SPD保护 自动气象站采用“主采集器+外部总线+分采集器+传感器+外围设备”的结构设计，各设备通过CAN总线进行数据传输，需采取电涌过电压保护的线路较多，且各采集终端安装空间有限，SPD宜设计为集成电路板式(PCB)，需保护的线路主要分为传感器至分采终端、分采终端至主采集器及主采集器至终端计算机这3类，SPD的配置图如图5所示。

考虑到观测场风杆接闪杆地网与观测场共用接地，为防止地网引入高电位对电子系统线路产生反击，信号SPD应具有直击雷能量防护功能，宜选用D1类高能量信号电涌保护器，其开路电压≥1 kV，短路电流为0.5～2.5 kA(10/350 μs)，最大持续工作电压UC应大于线路上最大工作电压的1.5倍(UC>1.5 UDC)，电压保护水平UP应低于被保护设备的耐冲击电压额定值(UP≤UW)， SPD参数及接口型式应符合系统要求。在安装中还应注意：①接至SPD保护端口的线路不要与接至非保护端口的线路、接地导体一同敷设；②从SPD保护侧接至需要保护的电子设备(ITE)的线路宜短或加以屏蔽。

4.3 屏蔽及合理布线

电缆的屏蔽效果可用其转移阻抗予以表征，转移阻抗越小，屏蔽效果越好。实验数据表明[16]，电缆外皮采用编织的金属网时，由于集肤效应导致外皮电阻增加，以及穿过外皮的漏磁通增加，转移阻抗随着频率的升高而增大；若外皮是连续的金属管时，频率升高，转移阻抗有所下降，表现出更好的屏蔽效果。因此，自动气象站的屏蔽及布线主要措施有以下3点：

图5 自动气象站信号系统SPD布置图

②设备屏蔽。对于设备屏蔽主要采用设备本身的金属外壳作为屏蔽体，观测场内主采集器及各采集终端箱体外壳应就近与观测场等电位带电气连接。

③合理布线。布置自动气象站系统线缆路由走向时，应尽量减小由线缆自身形成的电磁感应环路面积。各采集设备数据线应单独设置镀锌钢管专线敷设，不宜将所有采集线路放入同一线槽或金属管敷设。主采供电电源线路、数据线路及监控照明等其他线路应分别穿金属管分开敷设，严禁将电源线路及信号线路等混装。

5 结论

雷电对自动气象站系统造成的干扰和破坏主因是雷电接闪通道产生闪电电磁辐射及地电位升高，通过电源线、通信线及设备地线侵入系统内部，发生击穿放电。对此本文提出了相应的防护措施：①若观测场设置有独立接闪杆保护，宜设置独立接地装置，若无法实现隔离或采用观测场风杆作接闪杆时，接闪杆地网与观测场内地网可共用接地，但严禁两者就近共用连接地网，应在地网最远端连接，两者地网连接沿接地体长度L≥2，且不应<20 m；②采取正方形网格状环形地网，在重要设备及引下接地处增设垂直接地极，设置深基础接地或深井接地，可以有效改善地电位分布梯度；③在供电线路设置相应电压等级的SPD进行保护，在传感器至分采终端、分采终端至主采集器及主采集器至终端计算机的通信线安装与系统相匹配的信号SPD；④所有线路均采用屏蔽电缆并穿镀锌钢管全线埋地敷设，电缆屏蔽层及钢管两端接地。

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LI Moqing，ZHOU Xiaowu，MO Yijiang

(Hechi City Meteorological Bureau，Hechi 547000)

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Lightning Rod’s Influence on DDZ5 New Automatic Weather Station as well Protection Measures

When the lightning rod is leaking into the network，the discharge channel can generate the electromagnetic radiation and the earth potential，causing serious interference to the DDZ5 automatic weather station system.Aiming at this problem，analysis of the lightning ground flash rod interference invading automatic weather station system approach，proposed by truncation interference source，cut power lines，communication lines and the ground wire of the equipment of triggered lightning way，put forward the network optimization design，the SPD protection and shielding and reasonable wiring and other protective measures，can effectively shield caused by lightning ground potential counterattack，improve the automatic weather station system operation security and reliability.

Automatic weather station； lightning surge； network design； SPD；shielding

2015-05-05

广西河池市气象局科学技术研究项目：“山区自动气象站雷灾成因分析及防御对策。”

黎莫清(1982—)，男，工程师，主要从事防雷技术服务工作。

1003-6598(2015)05-0053-05

TM865

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