气象雷达站雷电防护设计要点研究

王鹏 山东省潍坊市气象局

气象雷达站是我国气象观测的重要组成部分，同时也是提供气象服务的基础条件，但是由于气象雷达站经常遭到雷电的破坏，对气象检测的数据造成了很大的影响，同时也让气象观测工作的顺利开展受到了限制。为了能够提高气象雷达站雷电防护工作的效率，相关的技术人员就要对雷电防护设计方案重新进行调整，这样才能为气象雷达站的安全性提供保障。

一、气象雷达站遭到雷击的主要原因

（一）气象雷达站室外设备遭到雷击的主要原因

气象雷达站观测天气变化的传感器必须要安装在室外，所以很容易遭到雷击的破坏。传感器必须在室外的主要原因有以下几个方面：首先，为了给气象观测提供便利条件，气象雷达站的室外设备都要到观测现场后才能安装，气象雷达站的观测现场周边不允许有较高的建筑，并且周边的环境也要开阔，不能对气象雷达站的观测场造成遮挡。为了提高传感器的敏感性，传感器探头部分的材质都是由穿透能力较强的金属材质构成，无形之中就增加了传感器遭受雷击的可能性。其次，由于受到风向和风速的影响，传感器安装的位置一般都比较特殊，为了降低传感器遭受雷击的损坏，工作人员就会在传感器的周围安装避雷针。虽然传感器已经安装在避雷针的保护范围内，但是如果传感器上的风杆遭到了雷击，雷电的电波会随着传感器的风杆向室内控制器中的电缆进行传送，同样会对室内的感应设备造成损坏。最后，如果传感器已经遭受了雷击，传感器周边的避雷针就会形成强大的磁场，磁场在传送的过程中会和各个传感器产生交叉，这样就会对涉及的观测设备造成损坏。[1]

雷电产生的电磁脉冲对设备造成干扰的主要原因是通过辐射耦合关系和传导耦合关系这两种形式将电磁脉冲传送到气象雷达站中，对雷电站中的观测设备造成了很大的影响。一般来说，如果雷电已经对气象雷达站造成了破坏，阻性耦合关系就会对反击电压直接造成损坏，而其他的耦合关系就会通过电缆或者其传送设备传统到主控制器上，这样就会对气象雷达站的所有设备造成破坏。雷击的入侵主要有以下两种体现形式：首先，雷击波从气象雷达站的线路上入侵。雷击的电波通过线路直接进入到气象雷达站的内部控制系统，导致所有的设备都会受到雷击的破坏，如果高压电线被雷电集中，就会利用变压器的耦合关系转换成低压，继续入侵气象雷达站的设备。如果是气象雷达站的建筑物或者是建筑物的周边设备的遭到了雷击的破坏，雷电中包含的其中一部分电流就会随着引下线传送至地面，不能及时传送的电流就会通过电缆中的线路传送至室内的设备中，对设备造成不同程度的破坏。其次，雷电的电波通过通信线路进入到设备中。如果气象雷达站缺乏对雷电防护工作的重视，周边有高层的建筑或者有其他容易引起雷击的物体，如果这些物体遭受了雷击的破坏，雷电中的电波和电压就会对土地造成损坏，甚至还会影响到气象雷达站周边的整个建筑物。

（二）气象雷达站室内设备遭到雷击的主要原因

气象雷达站的集中处理系统设备和数据采集设备都要安装在室内，与气象雷达站室外设备相比，室内的这些设备更加容易受到雷电电波的冲击。室内设备遭到雷击后，雷电的电波就会利用电磁脉冲对室内的设备造成大面积的损坏，并且还会利用电源线路对其他设备造成破坏，如果雷击的破坏程度较为严重，就会影响到整个气象雷达站气象系统的正常运转。另外，气象雷达站在安装接地系统时一定严格按照规范安装，否则就会让不同的电子设备产生电位差，同样也会对气象雷达站的气象系统造成影响。[2]

二、雷电对气象雷达站的入侵途径以及对气象雷达站造成的破坏

（一）雷电在气象雷达站的入侵途径

气象雷达站遭到雷电击中后，最明显的破坏就是气象雷达站的设备，气象雷达站一旦遭受雷电击中，就会通过多种方式对气象雷达站的设备造成损坏。如果气象雷达站室外的电线遭受到了雷击的破坏，雷电的电波就会通过电线传导至所有的室外设备，导致室外的设备全部遭到破坏。如果气象雷达站周边的建筑物或者构筑物遭到雷击，雷电中的电流就会通过建筑物或者构筑物传统到地面，然后再利用零线和地线将电流导入室内的设备，导致室内的设备也遭到破坏。另外，还有一种非常常见的雷电入侵方式，气象雷达站室外的建筑物遭到雷电击中后，雷电的电波和电压很容易对气象雷达站室外的传感器或者其他设备造成损坏。

（二）雷电对气象雷达站造成的危害程度

雷电是天气环境中非常自然的一种天气现象，但是雷电在释放的过程中最高能够释放出几百兆焦耳的能量，雷电在释放的过程中还伴有强大的电流，电流在释放过程中可以瞬间将温度提升到一万摄氏度，无论是哪个方面引起的连锁反应都会造成严重的后果，不仅会对建筑物或者构筑物造成破坏，还会对人们安全造成威胁。如果气象雷达站遭到雷电击中后，遭到破坏的除了气象雷达站的设备之外，还有内部的其他设备和系统，另外，气象雷达站外的传感器和主控设备也会遭到破坏。雷电的电波一般都是由电路或者通信线路传入到气象雷达站的内部设备中，导致气象雷达站内部大部分的设备都遭到了损坏。一般来说气象雷达站都会建立在比较空旷的区域，由于占地面积较大，传感器一般都是安装在气象雷达站的室外，从传感器搜集到的数据传输至采集器中，然后再将采集器整理好的数据传送至计算机中，要经过很长的线路，再加上各个线路之间处在同样的磁场环境中，相互之间必然会存在一定的联系，所以很难对传输线路中的磁场进行屏蔽。如果这时遭到雷电击中，很容易通过耦合关系对气象雷达站的设备造成破坏。[3]

三、气象雷达站外部雷电防护设计要点

（一）加强对直击雷的防护工作

首先，技术人员在对气象雷达站的外部进行雷电防护设计时，要根据气象雷达站的实际情况不断调整避雷针或者避雷带的位置，增加对传感器的保护力度。其次，及时的加强工作人员对直击雷的防护工作。一般情况下，气象雷达站在设计雷电预防工作时都会将避雷针或者避雷带安装在风杆的上方，大部分的风杆高度为十厘米左右，避雷针或者避雷带的高度就要超过风杆的位置安装。为了避免雷电对建筑物造成破坏，建筑物的外部都会安装导电装置，导电装置的主要作用是将雷电中的电波通过引下线释放在地面上，所以导电装置的阻力不能过大，否则就会影响到释放电波的效率。

（二）做好气象雷达站内部和外部线路的屏蔽工作

即便是城市中的建筑物，无论是高层建筑还是多层的建筑都要安装导电体，由于气象雷达站的建筑物更加容易遭受雷击，更要安装导电体。一般的导电体都会安装在建筑物的外墙护栏、结构钢筋或者外部的铁门等金属结构上。如果进入雷雨季节时，建筑结构上的导电体周围就会形成一个大型的磁场，很容易产生电流。因此，技术人员要做好气象雷达站建筑物外导电体的屏蔽工作，如果建筑物遭受到雷击，也可以防止雷电将电流带入到建筑物的内部结构中，这样就能提高气象雷达站内部的设备的安全性。除此之外，技术人员还要做好气象雷达站内部设备的电磁屏蔽工作，利用安装的导电体将内部的设备进行封闭性的连接，同样也能防止内部设备遭到雷电的破坏。

四、气象雷达站内部雷电防护设计要点

（一）对电磁干扰进行有效拦截

当气象雷达站的内部设备遭受到雷击后，雷电中的电磁脉冲很容易对气象雷达站内部的电子设备造成干扰。因此，技术人员要制定相应的措施防止电磁脉冲对气象雷达站内部的电子设备造成影响。这不仅能够降低电磁在传导过程中被过度消耗，将电磁波中的能量留在内部的电子设备中，还能够降低辐射对周围人员造成的伤害。另外，对电磁干扰进行有效的拦截还能为气象雷达站的正常运转提供保障，同样也能增加气象雷达站的使用时间。[4]

（二）做好均压等电位的连接工作

在气象雷达站的内部防雷设计中做好均压等电位的连接工作就是为了防止不同设备之间出现电位差，确保各个设备的电压都能保持一致。要想实现等电位，技术人员就要将气象雷达站室内所有电子设备的导体相连接，虽然这个系统具备很强的导电能力，但是仍然要在做好导体连接工作后安装接地系统，这样才能使整个系统更加安全。将气象雷达站室内所有电子设备的导体连接好之后，还要其他不能导电的设备相结合，并且还要将这个系统与避雷器相连接。换言之，实现均压等电位是需要各个系统同时工作，才能在配合中提高工作的效率。

为了能够给气象雷达站的正常运行提供保障，技术人员还要构建完整的接地网络，实际上就是利用一个接地设备将气象雷达站室内所有的电子设备相结合，这样才能确保电子设备的安全性。最后，相关的技术人员要将与电子设备相连接的接地线、对设备进行保护的接地线以及气象雷达站室内和室外的防雷接地线融合在一起，这样才能将所有的电流全汇集到一起。另外，除了连接这三种不同作用的接地线之外，还要将气象雷达站中所有的接地线全部与接地网络相结合，并且还要将这些接地线全部引入到地下，这样才能在气象雷达站遭受雷击时，通过接地线将雷电中的电流引入到土壤中。

（三）做好线路的分流工作

相关的技术人员要根据气象雷达站的特点，选择更加适合气象雷达站的方式安装所有的电源线。在对电源线安装保护装置的过程中，一级保护是将电源线与总配电箱连接。二级保护则是将电源线与气象雷达站内部机房的线路相连接。为了能够提高电源线的安全性，相关的技术人员要确保两级保护器之间相连接的线路分开一段距离，并且两者之间的距离最短不能小于五厘米。气象雷达站机房内的保护器连接的地线和设备连接的底线都要和电位连接全部结合在一起，并且在连接之前确保所有的保护器都能正常运转。另外，技术人员还要将所有的接地线全部安装在同一个设备上，并且还要搭配一个高质量的空气开关，这样才能在第一时间将雷电中的电流排出，从而降级雷电对气象雷达站造成的影响。

（四）科学的安装接地装置

科学的安装接地装置是将公共接地当作基础条件，将气象雷达站的防雷接地装置和电子设备的装置相连接，在操作时公共接地就成了必要的基础条件，因为公共接地装置要为其他的接地装置提供基础电位。这样才能避免各个系统在连接的过程中产生电位差，从而提高接地装置系统的安全性。在实际工作中，技术人员在安装接地装置的过程中，有些气象雷达站的设备需要单独连接接地装置，为了能够提高防雷设备的效率，技术人员就要在整个接地系统中增加多条接地线，并且还要尽可能的减少接地线之间连接的距离，在与接地网连接之前，技术人员要提前将单独的接地线进行统一管理，防止各个接地线之间因为耦合关系互相造成干扰，确保各个接地设备没有电位差。[5]

其次。气象雷达站建筑物的防雷接地系统要与接地系统保持适当的距离。如果两者之间的距离太近，很容易造成相互干扰，甚至还会出现反作用，但是如果两者之间的距离过远，又不能确保接地线全部接入到同一个接地网中。所以技术人员要在接地系统的各个连接处安装低电压的避雷装置，这样不仅能够将所有的接地装置连接在一起，还能避免雷电对接地设备造成损坏。最后，技术人员要对屏蔽装置进行适当的调整，虽然将信号全部屏蔽之后会给之后的工作提供更多便利条件，但是屏蔽信号的装置会对电子设备造成一定的干扰。因此，技术人员可以在电缆上安装金属管，这样才能确保屏蔽工作和接地工作同时进行。

五、总结

总而言之，气象雷达站由于其自身的特殊性质很容易遭到雷击的破坏。因此，相关的技术人员就要不断对防雷设计进行完善，这样才能在确保气象雷达站不受到雷击破坏的基础上安全运行。