自动气象站防雷技术问题研究

鹿原

摘 要：无人自动站的雷击损害途径主要从以下三个方面考虑：雷电直接击中自动站设施；雷击引起的地电位反击；雷击引起的闪电电涌（闪电静电感应、闪电电磁感应、闪电电涌侵入）对采集、通讯、电源系统造成的损坏。所以要最大限度地降低无人自动气象站因雷电所造成的损失，应从以上三种雷电的主途径着手，结合无人自动气象站本身的地理、地质、气象、环境等实际条件和雷电活动规律出发，进行全面规划，综合防治。

关键词：无人自动站；防雷技术；综合防治

一、概述

无人自动站为六要素自动气象站：降雨、风向、风速、气压、温度、湿度；设备包括风杆、百叶箱、雨量筒、采集器、太阳能板、电池。功能包括：将采集到的信息以短信方式发送到主站，每5分钟发送一次。百叶箱材质一般为玻璃钢；通常采用蓄电池电源为其正常工作提供动力，并利用太阳能为蓄电池充电。雷电是一种剧烈的大气现象，雷击所产生的电效应、热效应、机械效应等给人民生命和财产安全带来巨大的损害。无人自动气象站分布在山坡、湖泊、村庄等不同的地理、地质环境中，常年能够收集无数条具有利用价值和科学含量的数据。所有设备均在室外，只要遭受雷击，系统将会瘫痪，业务就不能正常运转，完全失去了无人自动气象站的数据采集、传输等自动功能系统。为了数据的准确性和可靠性，必须从综合考虑自动站的雷电防护措施。

二、无人自动气象站雷电防护对策

由于无人自动气象站是完全暴露在野外，并要求7×24 小时不间断可靠运行，难以避免也不可能躲避雷电流的袭击。因此，根据现代雷电防护技术理论，针对无人自动气象站所处地理、地质、土壤、气象、环境等条件和雷电流主要途径，结合当地雷电活动规律及其特征等情况，应采取主动的雷电灾害防护措施。由于无人自动气象站通常处在相对空旷、平坦的野外环境，也就增大了遭受雷电灾害的可能性，从其遭受雷击的主要途径分析：雷电直接击中自动站设施：雷电流直接击中室外的传感器、数据采集器等任何一个设备，从而室外某一种设备不能正常工作。特别无人自动气象观测站内的10 米高的风杆最容把附近的雷电流引入观测场内，导致破坏周围的设备；雷击引起的地电位反击：雷电流流入大地时，由于接地电阻阻值超标，产生较大的压降，使地电位抬高，反向击穿设备，导致其中某个设备损害，造成无人自动气象站数据不齐全；雷击引起的闪电电涌。电源和信号线缆引出室外的数据采集设备、通讯网络等设备，由于室外设备遭受雷击，产生闪电静电感应、闪电电磁感应、闪电电涌侵入造成重要设备的损坏。导致无人自动气象站完全瘫痪。无人自动气象站安装在野外的自然环境下，地处空旷，很容易被直击雷袭击。无人自动气象站室没有值班室，所以不用考虑建筑物防雷部分。室外设备直击雷防护可以采用，观测场10米高的金属风杆上安装接闪杆作为接闪器来主动迎接直接雷击，并通过滚球法计算出它的保护范围，使观测场内的所有设备均处于直击雷防护区内，通过截面积不小于50mm2 的多股铜芯线引入接地装置，达到了真正的经济实用、可靠，且简单易使用的目的。由于无人自动气象站占地面积相对较小（10 米×10 米的正方形区域内），难以进行大地网设计、施工。因此，为达到设计效果和使用目的，整个无人自动气象站应设计成一个完整的、网格化的共用接地系统，由水平接地极和垂直接地极构成，做好等电位连接，即使在发生直接雷击的情况下，也能使雷电流在最短的时间内通过人工接地极从地中耗散。无人自动气象站不仅考虑遭受直击雷的损坏，同时也考虑闪电感应、闪电电涌侵入的损害。所谓的闪电感应是闪电放电时，在附近导体上产生的雷电电磁感应和雷电静电感应，它可能使金属部件之间产生火花放电。闪电电涌侵入是由于雷电对架空线路、电缆线路或金属管道的作用，雷电波即闪电电涌，可能沿着这些管线侵入设备处，危及人身安全或损坏设备。它们的最主要的特征是沿着线路以过电压方式侵袭各设备。

无人自动气象站均分布在野外空旷地段，只能采用太阳能系统供电。太阳能系统主要由太阳能板、控制器、蓄电池组组成，由于无人自动站设备数量不多，负载不重，不需要逆变器，由12 伏太阳能直流电直接供电，其供电方式。严格规范要求建筑物、易燃易爆等其他场所的电源系统进行三级防护，但无人自动站供电系统比较简单，进行两级防护就行，具体做法如下：首先，应该在太阳能电池板输出到控制器的线路上安装相应的一级直流电源浪涌保护器，其标称放电电流为5KA，最大雷电通流量为10KA，减少线路上传导的雷电流及闪电电磁感应；其次，在控制器、蓄电池内安装相应的二级电源浪涌保护器，其最大雷电通流量为5KA，满足电源系统两级防雷保护的要求。自动气象站信号线路防雷器是多年雷电电磁防护经验所研发的最新一代传感器信号防雷器，此种防雷器安装在无人自动站传感器与数据采集器之间，保护数據采集系统、温湿度传感器、风向风速传感器等免受雷击浪涌侵扰。同时，为实现等电位连接要求，无人自动站的风杆、金属围栏、百叶箱支架、雨量传感器及采集箱、电源箱的金属外壳均就近与共用接地系统作可靠的电气连接。

由于大部分无人自动气象站分布在地质条件比较差，因此无人自动气象站接地技术应采用共用接地系统，单点接地方式，接地电阻应≤4Ω。所有的接地线应通过汇流排引致共同接地系统，系统的保护接地和工作接地宜分别单独引至共用地网，接地引下线长度要小于50m，截面积不小于35mm2，与防直击雷引下线的间距不应小于5m。作好人工地网跟各设备、观测场风向杆、太阳能极板、数据采集箱、围栏等所有金属物相连接，使整个无人自动气象站达到等电位连接作用。无人自动气象站的防雷接地技术主要是在观测场内做垂直接地体和水平接地体连接组成的人工地网。水平接地体材料采用4x40 的镀锌扁铁，埋设在当地冻土层以下，垂直接地采用5x50 的镀锌角钢，长度为2.5 米，间距为5 米。并与有关联的建筑物地网、观测场内所有仪器塔架、仪器支架、仪器外壳和室内各个设备做共用接地、等电位连接。垂直接地体和水平接地体的材料、规格、焊接工

艺必须符合标准，接地电阻≤4Ω。

三、结束语

现代综合防雷技术理论的要求，有效的保障了野外无人自动气象站运行的可靠性和长期稳定性。解决自动气象站的雷击问题，需要对其存在的问题进行分析，研究问题产生的主要原因，并提出有效对策对自动气象站实施防雷工作。

参考文献

[1]杨海山，石瑞玲，马永红.自动气象站雷击电磁脉冲危害及防护对策分析[J/OL].建筑知识，2015，（9）：1-2.

[2]刘志鹏，毕明林，刘鹏飞，姚维华.区域自动气象站建站注意事项[J].吉林农业.2016（12）

（作者单位：北京市怀柔区气象局）