浅谈气象观测站设备的防雷问题

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摘 要：近几年，自动气象站正逐渐在城乡布设，因观测环境条件的要求，自动气象站大多建于野外空旷地带，其供电线和通信线又大多是架空线路，测风杆（塔）成为孤立高耸物，容易遭受雷击。所以，搞好自动气象站的防雷，确保自动站的设备和附近人员的安全，保障自动站设备的正常业务运行很重要。

关键词：自动气象观测站；防雷；防护

雷电是一种气象灾害，它分为直接雷击和雷击电磁脉冲（LEMP）干扰两大部分。直击雷（云地闪）的危害主要是会造成建筑物的损坏燃烧和人员伤亡。而云地放电和云间放电产生的雷击电磁脉冲辐射将在一定范围内使得地面上的一些导体、半导体产生高达上千伏感应电压，它们通过各类导线和金属导体侵入造成事故。各类避雷针（带）只能防直击雷，对感应雷击则无能为力。雷击电磁脉冲的防护只能通过等电位连接、屏蔽、合理布线、正确可靠的接地和安装各类浪涌保护器件来进行有效的防护随着科技的进步和气象现代化建设的发展，近几年，自动气象站正逐渐在城乡布设，因观测环境条件的要求，自动气象站大多建于野外空旷地带，其供电线和通信线又大多是架空线路，测风杆（塔）成为孤立高耸物，容易遭受雷击。我省有的站甚至一年内多次遭受到雷电侵袭。

一、雷电的成因及主要形式

根据大量科学测试可知，地球上空存在一个带正电的电离层，与大地之间形成一个已充电的电容器，场强为上正下负。当地面含水蒸汽的空气受到地面烘烤受热上升，或者温暖潮湿的空气与冷空气相遇而被垫高都会产生向上的气流。上升气流温度逐渐下降形成水成物（雨滴、冰雹），并由于地球静电场的作用而被极化，负电荷在上，正电荷在下，它們受重力作用落下与云粒子发生碰撞，其结果是云粒子带走了水成物前端的部分正电荷，从而使水成物带上负电。持续碰撞的结果使带正电的云粒子在云的上部，而带负电荷的水成物在云的下部。

当电场强度达到足够高（25～30kV/cm）时将引起雷云间的强烈放电，或是雷云中的内部放电，或是雷云对地放电，即所谓的雷电。雷电按其作用形式主要分为直击雷和感应雷。直击雷所造成的危害很直观，一般会引起火灾、燃烧等。主要靠加装避雷针、避雷线、避雷带、避雷网等来防护。感应雷没有直击雷那么猛烈，但它发生的几率比直击雷高得多。不论是雷云间闪击或雷云对地闪击，都有可能发生感应雷而形成电磁场，当磁场强度到达一定水平将会对电气设备的集成电路造成暂时的、甚至永久性的损坏，影响电子设备的稳定性，令通讯设备的传输信号失真等。因此对于自动控制系统而言，更应该关注如何有效防止感应雷，避免（减少）感应雷引起的损害。

二、防雷措施

（一）防直击雷措

施观测站（含观测场）地处南方多雷区，观测场又属于露天作业场所，参照国家标准《建筑物防雷设计规范》GB50057-1994（2000版）的要求，将该观测站提高一个等级来安装防直击雷设施，所有防直击措施参照第二类防雷建筑物的要求设计。

在观测场两旁离开3m处设置双支等高避雷针，针高为20.0m，对观测场露天作业场所区域作防直击雷防护。按照滚球法，保护高度按4m计算，得出避雷针在4m高处的的保护范围。

办公楼为一层钢筋混凝土结构建筑，根据规范要求设置避雷带（网）、引下线和接地装置，施工工艺、接地电阻达到规范要求。

（二）防雷电感应及雷电波侵入措施

1.机房防雷电感应及雷电波侵入措施：机房地板采用防静电地板，并于地板下面采用-25×4扁铜设置不大于1m×1m的等电位连接带，机房内的设备、机架和机柜等就近与等电位连接带连通接地。等电位连接的目的在于减少设备和各种系统间的电位差。

2.电源线路：电源线路的防护措施主要是在电源线路上安装电源电涌保护器（SPD），当有雷击发生时将雷电流泄放入地，并将线路上的瞬间过电压限制在一个安全的水平。根据历史资料统计，在雷击损坏设备的事故中，有70%以上是从供电线路侵入的。因此，对电源线路实施多级防雷保护是观测站防雷措施中的重要环节。电源系统的防雷措施并非简单地应用SPD保护器件，而是要根据电磁兼容（EMC）原理，根据雷电保护区的划分，对一个需要保护的电源系统进行综合的多级保护。观测站的电源线路安装三级SPD，将因雷击产生的高电压、强电流泄放入地，对后端的用电设备进行保护。

3.信号线路：应建设单位要求，考虑观测站的特殊情况，在数据传输的准确性和精确度方面要求很高，因此信号线路上的防雷措施主要采用屏蔽和接地的方式，对信号线路作防雷保护。

具体做法为：主机服务器与室外遥测站终端之间的信号线路全程采用屏蔽电缆，电缆两端接地，并全程套钢管埋地敷设，钢管的两端和中间接头部位也要做接地处理。观测站主机服务器与气象台计算机机房的通信由于采用的是光纤通信，只需要对观测站主机服务器端的光端机做接地处理。

4.接地处理：接地问题是建筑物强电和弱电系统的普遍性问题，接地按其作用可分为功能性接地和保护性接地两大类，而接地方式可分为独立接地和联合接地两种。现今电子设备独立接地的做法已经不被先进的国外标准及国际标准化组织所推荐。如美国国家标准《IEEE Std-1100-1992》中明确指出，“不建议采用分开的、独立的、干净的、计算机的、电子设备这类不正确的大地接地体”。因此，观测站的接地方式应除独立避雷针外，采用综合接地系统，即联合接地，与防直击雷接地系统共用，其接地电阻应≤1Ω。若达不到要求，必须采用其它降阻措施，使接地电阻≤1Ω。

观测场的避雷针设置单独的接地装置。

观测场内设置接地网，并与办公楼接地装置连通，观测场各设备的外壳、信号线路的电缆屏蔽层就近与接地网连通。

办公楼设置周圈式地网，并引至室内电源电涌保护器（SPD）的安装位置和计算机机房内的等电位连接带，并在电源电涌保护器（SPD）的安装位置设置接地汇流排，供SPD接地。

接地装置的材料采用-40×4镀锌扁钢和∠50×50×5镀锌角钢，在有行人行走、通过的地方，应采取防跨步电压的措施。

三、结论

自动气象站的防雷措施应采取综合防雷措施，就是对自动站系统进行层层设防，综合治理，坚持用“接闪、屏蔽、等电位连接、均压、分流、限压、接地”等措施进行综合防雷。应用上述综合防雷方法，经业务运行，设备运行情况良好，没有再出现设备遭雷击损坏，造成自动站观测中断的事故。这表明对自动站采取综合防雷方法是有效可行的，可以收到良好的防雷效果。

参考文献：

[1] 建筑物防雷设计规范.GB50057-1994[S].2000.

[2] 建筑物电子信息系统防雷技术规范.GB50343-2004[S].

[3] 苏邦礼，等.雷电与避雷工程[M].广州：中山大学出版社，1996.