淺析自動氣象站雷電保護

鐘震美

（肇慶市氣象局，廣東 肇慶 526000）

自動氣象站雷擊防護是一個比較復雜的工程，幾乎涵蓋了目前雷擊防護的方方面面，包括直擊雷、感應雷及雷擊電磁脈沖保護，根據《自動氣象站接地與防雷工程建設方案》，結合自動氣象站實際情況，大致可分為以下幾類：

1 建筑物、風向桿等設施直擊雷的雷電保護

直擊雷是指雷電直接擊在建筑物等上，產生電效應、熱效應和機械力者。為使雷電浪涌電流泄入大地，使被保護物免遭直擊雷或感應雷等浪涌過電壓、過電流的危害，所有建筑物、電氣設備、線路、網絡等帶電金屬部分，金屬護套，避雷器，以及一切水、氣管道等均應與防雷接地裝置作金屬性連接。

防雷接地裝置包括避雷針、帶、線、網，接地引下線、接地引入線、接地匯集線、接地體等。根據自動氣象站情況，風向桿、地溫、雨量計、觀測場圍欄等防直擊雷設施應一并接入地網。為防止反擊，以往的防雷規范對防雷接地與其他接地之間提出一整套限制措施，即規定兩類接地體和接地線之間的最短距離。在有些情況下，間距無法拉開到規定值時，則要采用嚴密的絕緣措施。

防雷接地，應按現行國家標準《建筑防雷設計規范》及《自動觀測站》執行。由于接地的良好狀態對防雷有非常重要的影響，所以在制作接地體時，一般采用40 mm×40 mm的角鐵，每根長2.5 m，間距約5 m垂直打入地下，頂端距地面約0.5～1.0 m，頂端再用40 mm×40 mm左右的扁鐵全部焊起來，構成一個統一的接地系統。

另一方面就是信息系統的防雷保護與常規的防雷保護有一定區別。如建筑物與非信息設備防雷根據 IEC－1024《建筑物的雷電防護》和GB50057－94來進行的，而電子信息系統的防護是根據電磁脈沖防護標準進行的防護，其國家標準為GB50174－93及QX3－2000《氣象信息系統雷擊電磁脈沖防護規范》。

2 電源系統的雷電防護

雷電的破壞力極大，以雷擊中心1.5～2 km范圍內都可能產生危險過電壓，損害線路上的設備，防雷僅有外部防雷（避雷針或避雷帶）是不夠的，雷電波會侵入電氣通道（如電源線、信號線和金屬管道等）。由雷電產生的高電壓和浪涌電壓對通訊設備、網絡、信息系統有極大的危害，輕則毀壞線路，重則損壞設備，系統癱瘓，造成難以估算的損失，特別是近年來隨著計算機網絡的廣泛應用，造成數據設備、精密儀器的大量損害逐年上升，所以必須進行內部防雷，在進出建筑物的各保護區上的電纜、金屬管道、信息數據線以及電子設備前端安裝防雷器，并實行等電位連接。

一個欲保護的區域，從EMC（電磁兼容）的觀點來看，由外到內可分為幾組保護區，最外層是0級，是直接雷擊區域，危險性最高，越往里則危險程度越低，過電壓主要是沿線竄入的，保護區的界面通過外部防雷系統，鋼筋混凝土及金屬管道等構成的屏蔽層面形成，從0級保護區到最內層保護區，必須實行分級保護，對于電源系統，分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級，從而將過電壓降到設備能承受的水平。對于信息系統，則分為粗保護和精細保護，粗保護量級根據所屬保護區的級別，而精細保護則是根據電子設備的敏感度來進行選擇，從理論上講，雷電流約有50%是直接流入大地，還有50%將平均流入各電氣通道（如電源線、信號線和金屬管道等），因此，必須進行電源系統的分級防雷。

2.1 電源的第一級防雷

危險的過電壓可產生于建筑外，當雷電擊中電力傳輸線或電力公司切換負載時，危險過電壓就可產生并沿電力線傳輸。如果在你的建筑進口沒有保護，這些危險瞬態過電壓將進入樓內損壞敏感設備，在雷擊損壞事故中，有 70%～80%的雷擊損壞事故是外部危險過電壓造成的。所以要進行第一級防護，安裝電源防雷保護器，位置應在電力線進入建筑物入口處的主配電盤，將瞬態過電壓限制在安全范圍內，保證設備不受損壞。

2.2 電源的第二級防雷

危險的過電壓，也可產生于建筑內部，當空調、電梯或其它大型設備開關和運行時，可引起瞬態過電壓，破壞敏感的電氣設備并縮短其使用壽命，故要設第二級防護，位置設在建筑內的配電盤處，安裝電源防雷保護器保護使用該配電盤供電的所有設備。

2.3 電源的第三級防雷、第四級防雷

分別為對電子設備的精細保護，一般均考慮所保護的電子設備的耐壓水平而確定。自動觀測站所使用的計算機及所有用電設備最好使用具有防雷作用的插座。

3 計算機通信網絡的雷電防護

早期的電子設備是用諸如繼電器、線圈和真空管等元件組成的，這些傳統元件對于突變的電磁及瞬變電源有一定的免疫力和耐受力，但是計算機技術發展至今，多層、超規模的集成芯片，電路更密集，集成度更高，元器件間隙更小，導線更細。幾年前，1 cm2的計算機芯片有2 000個晶體管，而現在的奔騰機則超過140 000個，從而增加了計算機受瞬間過電壓損壞的概率。由于計算機的設計和結構決定了它是在特定的電壓范圍內進行工作的，當電壓超出計算機所能承受的電壓范圍時，計算機將出現數據亂碼、芯片被損壞、部件提前老化現象。這些癥狀包括：意外的數據錯誤，接收、傳輸數據的失敗，丟失文檔，工作失常，經常需要維修，原因不明的故障和硬件問題等。而雷電產生的感應瞬態過電壓強度遠遠超出了計算機和其它電氣設備所能承受的水平，絕大多數情況下，造成計算機的立即毀壞，數據永遠的丟失。

3.1 計算機通信網絡防雷主要由外部防雷系統和內部防雷系統兩部分組成

外部防雷包括空氣截雷系統，即避雷針或避雷帶，引下線或接地系統；內部防雷系統主要是對建筑物內易受過電壓破壞的設備，如計算機及其通信接口、電話機、路由器、交換機、UPS、數據傳輸線等電子設備加裝過電壓保護裝置，采取有效防護技術措施，在設備受到電壓侵害時，保護裝置能快速動作，將能量泄放，從而保護設備不受損壞。

3.2 雷電對計算機通信系統的損害途徑是多方面的

雷電對計算機通信系統的損害途徑有通過通信線路感應而傳入系統損壞設備的；有從雷擊建筑物或鄰近地區雷電放電，從而導致建筑物內部計算機通信網絡環路中由于空間電磁感應產生瞬態過電壓造成的損壞；有通過供電線路的感應而引入系統電源導致設備的損壞，另外從電磁瞬態脈沖感應耦合的通道理論角度看，由于電子信息系統是由信號采集、加工處理、傳輸、存儲、檢索等眾多環節組成，由于系統環節多，接口多，線路長等原因，給雷電的耦合提供了條件。

3.3 計算機通信網絡遭雷擊后的易損部位

計算機同軸網絡適配卡、特定功能的接口適配卡（例如：帶R232串行通信接口的多功能卡等），計算機遠程通信用的調制解調器、路由器、交換機、采集器、計算機電源系統各器件等方面。尤其是像這些設備的連接MODEM的串口、連接雙絞線的RJ45端口等信號部分應進行信號部分的保護、避免因路由器、局域網交換機端口被雷擊或高電壓擊穿。對于局域網上所用的雙絞線，如果它連接的設備不在一個電源環境內、或走線距離比較長時（不在一個房間內或者跨越樓層），雙絞線兩端連接的設備都應安裝防雷設備，避免因兩端設備電壓不一致時較高的電壓通過雙絞線擊向電壓較低的設備；局域網使用細纜作為傳輸介質時，因其連接多臺設備、更應安裝防雷設備。連接MODEM的專線和撥號線，均為架空線，且由室外進入室內，遭受雷擊的概率大于其它任何計算機設備，故必須首先提高通信接口和電源系統的自身抵抗力，在計算機各通信接口處安裝各類通信接口防雷器，特別是主機與采集器、寬帶路由器、服務器的輸出接口均要加裝信號防雷裝置。

4 結束語

總之，自動氣象站的防雷工作是十分重要的，由于雷擊造成的損害可能會使整個系統癱瘓，導致儀器設備不能正常采集，觀測數據永久丟失。因此，如何全面系統地做好防雷工作至關重要，同時也要考慮環境、地理位置等方方面面的因素，從根本上做好自動氣象站防雷工作，盡可能減少雷擊帶來的各種損害，保證氣象工作的正常順利運行是我們還應不斷探討的問題。

1 劉朝英、譚清波.自動氣象站防雷經驗[J].貴州氣象，2008（5）

2 王會兵、徐志敏.峨眉山（高山）自動氣象站防雷探討[J].四川氣象，2007（3）