ADTD型闪电定位仪雷击分析及防雷防静电措施

徐耕 焦美玲 白铎

摘 要：2019年9月，庆阳市布设的ADTD型闪电定位仪遭遇雷击事故。本文分析了该电子设备遭受雷击的原因与雷电流的入侵途径，提出了防雷防静电的措施，为ADTD型闪电定位仪的正常运行提供有力保障。

关键词：ADTD型闪电定位仪;防雷防静电;雷击分析

中图分类号：P415.3文献标识码：A文章编号：1003-5168（2020）02-0153-03

Abstract： In September 2019， the ADTD lightning locator deployed in Qingyang City encountered a lightning strike. This paper analyzed the cause of the lightning strike and the invasion path of the lightning current， and proposed anti-lightning and anti-electrostatic measures， which could provide a strong guarantee for the normal operation of ADTD lightning locator.

Keywords： ADTD lightning locator;anti-lightning and anti-electrostatic;lightning strike analysis

ADTD型闪电定位仪是一种监测雷电发生的气象探测仪器，它通过监测云地闪辐射的甚低频（VLF）信号，再经波形判断给出闪电信号并将其送达传感器，可全天候、长期连续运行，可详细记录雷电发生的时间、位置、强度和极性等各项数据。它主要由天线罩、电磁场天线、GPS模块、电子舱、电源盒、通信模块和配电等系统组成，如图1所示。目前，甘肃省已建设雷电监测系统和闪电定位仪共19套，都已正常运行。庆阳市位于甘肃省最东部，为温带大陆性气候，夏季强对流天气频发，雷电活动较多。西峰国家基本气象观测站位于庆阳市西峰区长庆大道95号（东经107°38′，北纬35°44′），2019年9月雷暴天气经过测站后，安装在观测场中的ADTD型闪电定位仪出现故障，造成多日数据无法上传。本文就闪电定位仪的雷击故障诊断和如何做好雷电防护安全进行探究，为ADTD型闪电定位仪的正常运行提供保障。

1 ADTD型闪电定位仪受雷击方式

雷电直接击中架空线缆，以高压雷电波的形式沿着外漏线路进入观测站值班室内，损坏设备。在设备通信、电源线路旁发生雷击时，雷电的静电感应或电磁感应会在线路内部产生过电压及过电流，造成定位仪内部元件直接被击穿，或者通过供电线路、信号线路、数据线路等途径进入室内，损坏终端接收系统。

直击雷在建筑物附近通过接地网泄放雷电流时，在接地网上会产生瞬间高压电流，雷电流通过引下线、电源系统的零线、接地線和通信线路，以雷电波的入侵室内，导致仪器设备损坏。

2 ADTD型闪电定位仪遭受雷击损坏的原因

经现场勘察，西峰基本气象观测站内的ADTD型闪电定位仪表面无变色、碳化发黑等现象，电脑终端接收设备亦未出现损坏。首先排除直击雷对定位仪造成损坏的原因。随即对定位仪的防雷接地电阻进行了检测，虽然阻值合格，但是检测人员发现所用的防雷接地引下线截面积较小，不能有效地进行静电与雷电流的释放，就考虑到可能是雷电感应造成设备损坏。在与当值业务人员及上级保障中心技术人员交流探讨后，初步判断为雷电静电感应出的过电压或电流入侵设备线路，因防雷接地线工艺不达标，导致产生的感应电流不能有效地泄入大地，导致设备出现故障。

在进一步对闪电定位仪内部元件进行检查后，检测人员发现，电源盒上的工作指示灯已灭，处于停止工作状态，随即从供电方面入手查找问题[1]。ADTD型闪电定位仪由220V交流市电进行供电，经电源盒转换系统处理后，才能变为设备日常工作运行所需的低压直流电源。盒体内部构造如图2所示。

在对故障设备电源盒输出端测量后，检测人员发现，直流端口均无输出电流，且保险管内部保险丝已断，可暂定为雷电产生的感应电压造成保险丝熔断。打开电源盒盖，用万用表通断档位对压敏电阻防雷模块进行测量，其均呈现短路状态，已被雷电击穿，证实了雷暴天气过境产生的感应电压造成定位仪损坏的想法。雷电的静电感应会对电子元器件放电，使其损坏失效。静电对电子元件的危害不仅体现在其制造过程中，也体现在测试、组装、运输和运行中，会因静电而使其损坏。防止静电积累和静电感应的根本办法是将积累的静电电荷彻底释放到大地中。

3 防雷、防静电措施

3.1 增设观测场内仪器设备接地网

可以在观测场内建设闪电定位仪和气象观测设备共用接地网。为防止地电位的反击，仪器设备接地网应与观测站防雷接地网的距离应保持在5m以上，仪器设备接地网可沿观测场地沟进行敷设，采用热镀锌圆钢或角钢每隔5 m打入地下，作为人工垂直接地体，再用规格40 mm×4 mm的热镀锌扁铁与垂直接地体相进行焊接，焊接长度不能小于圆钢直径的10倍。观测场内各仪器设备及安装金属支架等所有金属体均应就近与预留的接地端子进行可靠的电气连接，且仪器设备接地网的接地电阻应不大于4 Ω，在达不到要求时，可采用降阻剂、改变土壤结构及增加接地极的方法来处理，使其符合规范要求[2]。这样不仅可有效泄放雷电流，也能保证设备内部产生的静电及时释放，保证闪电定位仪及气象观测设备的正常运行。

3.2 信号线与电源线的屏蔽

对观测场内的ADTD型闪电定位仪的信号线缆用套金属管（槽）的方法进行屏蔽接地处理;供电系统的线路应采用具有金属护套或绝缘护套的电缆穿金属管;电缆沟内的信号线和电源线应该分开放置，防止电源系统与信号传输系统线路之间出现静电耦合。

3.3 调整闪电定位仪在观测场中的位置

观测场内的ADTD型闪电定位仪与风塔之间的距离只有3m左右，风塔高度超过12 m，在观测场中位置最高，可能遭受雷击的概率最大。距离风塔较近的闪电定位仪极易遭受雷电波的侵入，造成电源及信号系统发生故障，因此将闪电定位仪的安装位置迁移到与风塔相距5m以上的位置，使闪电定位仪遭雷击或地电位反击的概率大大降低。

3.4 增设浪涌保护器（SPD）

在发生雷击与雷电波入侵时，接地导体上会产生几十千伏甚至上万伏的高压。在精密仪器设备中，雷电波主要从电源线路及信号线路进行入侵，因此选择安装相匹配的浪涌保护器是防止线路遭受雷击或雷电波侵入的有效措施。压敏电阻是具有非线性伏安特性的电阻器件，亦是组成浪涌保护器的重要元器件之一，作用为承受过压时进行电压钳位，吸收多余的电流以保护敏感器件。在此次雷击事件中，定位仪电源系统中的压敏电阻防雷模块对感应电压进行了控制处理，从而使设备及元器件免遭过电压的二次冲击，有效保护了闪电定位仪的重要元件。

按照我国家现行标准《建筑物防雷设计规范》（GB 50057—2010）[3]和《建筑物电子信息系统防雷技术规范》（GB 50343—2012）[4]的要求，设备末端限制电压（残压）应该小于用电设备绝缘耐冲击电压水平。表1给出了三相交流系统各种设备绝缘耐冲击过电压的额定值，将耐冲电压明确分为1.5、2.5、4、6 kV四类。在低压电气设计中，将电子信息SPD残压值设计在1.5 kV内，从这个参数上来看，在电子设备的日常工作运行中，只要能确保相线与中线之间的电压为1.5 kV绝缘电压，就能满足设备绝緣电压的要求。在实际中，由于绝缘电压直接进入设备整流及后续电路，1.5 kV的电压有可能损坏电路。因此，在低压电气设计中考虑SPD相线对中线的保护，为确保安全，应加装相应功能的模块对其进行保护，充分发挥浪涌保护器（SPD）在雷暴天气发生时对精密电子仪器的保护功能，有效防止雷电流对设备造成的损坏。

4 结语

ADTD型闪电定位仪是一种精密的电子设备，主要由雷电传感器探头、电源箱、天线、支柱等组成，以弱电方式运行，绝缘等级较低，设备内部的元器件对雷电电磁场及雷电流的反应极其敏感，因此做好雷电防护措施是保障闪电定位仪稳定运行的基础。在设备日常运行中，只要严格按照《气象台（站）防雷技术规范》（QX 4—2015）[2]及电子信息系统防雷要求，认真做好防雷装置的设计施工，并做好防雷设施的定期检测及维护，就能减少雷电对ADTD型闪电定位仪造成的损坏。

参考文献：

[1]虞苏青，周枫.ADTD型闪电定位仪故障分析与处理[J].贵州气象，2011（6）：44-46.

[2]中国气象局.气象台（站）防雷技术规范：QX 4—2015[S].北京：气象出版社，2015.

[3]房和城乡建设部，国家质量监督检验检疫总局.建筑物防雷设计规范：GB 50057—2010[S].北京：中国标准出版社，2012.

[4]住房和城乡建设部，国家质量监督检验检疫总局.建筑物电子信息系统防雷技术规范：GB 50343—2012[S].北京：中国建筑工业出版社，2012.