自動氣象站防雷技術問題研究

鹿原

摘 要：無人自動站的雷擊損害途徑主要從以下三個方面考慮：雷電直接擊中自動站設施；雷擊引起的地電位反擊；雷擊引起的閃電電涌（閃電靜電感應、閃電電磁感應、閃電電涌侵入）對采集、通訊、電源系統造成的損壞。所以要最大限度地降低無人自動氣象站因雷電所造成的損失，應從以上三種雷電的主途徑著手，結合無人自動氣象站本身的地理、地質、氣象、環境等實際條件和雷電活動規律出發，進行全面規劃，綜合防治。

關鍵詞：無人自動站；防雷技術；綜合防治

一、概述

無人自動站為六要素自動氣象站：降雨、風向、風速、氣壓、溫度、濕度；設備包括風桿、百葉箱、雨量筒、采集器、太陽能板、電池。功能包括：將采集到的信息以短信方式發送到主站，每5分鐘發送一次。百葉箱材質一般為玻璃鋼；通常采用蓄電池電源為其正常工作提供動力，并利用太陽能為蓄電池充電。雷電是一種劇烈的大氣現象，雷擊所產生的電效應、熱效應、機械效應等給人民生命和財產安全帶來巨大的損害。無人自動氣象站分布在山坡、湖泊、村莊等不同的地理、地質環境中，常年能夠收集無數條具有利用價值和科學含量的數據。所有設備均在室外，只要遭受雷擊，系統將會癱瘓，業務就不能正常運轉，完全失去了無人自動氣象站的數據采集、傳輸等自動功能系統。為了數據的準確性和可靠性，必須從綜合考慮自動站的雷電防護措施。

二、無人自動氣象站雷電防護對策

由于無人自動氣象站是完全暴露在野外，并要求7×24 小時不間斷可靠運行，難以避免也不可能躲避雷電流的襲擊。因此，根據現代雷電防護技術理論，針對無人自動氣象站所處地理、地質、土壤、氣象、環境等條件和雷電流主要途徑，結合當地雷電活動規律及其特征等情況，應采取主動的雷電災害防護措施。由于無人自動氣象站通常處在相對空曠、平坦的野外環境，也就增大了遭受雷電災害的可能性，從其遭受雷擊的主要途徑分析：雷電直接擊中自動站設施：雷電流直接擊中室外的傳感器、數據采集器等任何一個設備，從而室外某一種設備不能正常工作。特別無人自動氣象觀測站內的10 米高的風桿最容把附近的雷電流引入觀測場內，導致破壞周圍的設備；雷擊引起的地電位反擊：雷電流流入大地時，由于接地電阻阻值超標，產生較大的壓降，使地電位抬高，反向擊穿設備，導致其中某個設備損害，造成無人自動氣象站數據不齊全；雷擊引起的閃電電涌。電源和信號線纜引出室外的數據采集設備、通訊網絡等設備，由于室外設備遭受雷擊，產生閃電靜電感應、閃電電磁感應、閃電電涌侵入造成重要設備的損壞。導致無人自動氣象站完全癱瘓。無人自動氣象站安裝在野外的自然環境下，地處空曠，很容易被直擊雷襲擊。無人自動氣象站室沒有值班室，所以不用考慮建筑物防雷部分。室外設備直擊雷防護可以采用，觀測場10米高的金屬風桿上安裝接閃桿作為接閃器來主動迎接直接雷擊，并通過滾球法計算出它的保護范圍，使觀測場內的所有設備均處于直擊雷防護區內，通過截面積不小于50mm2 的多股銅芯線引入接地裝置，達到了真正的經濟實用、可靠，且簡單易使用的目的。由于無人自動氣象站占地面積相對較小（10 米×10 米的正方形區域內），難以進行大地網設計、施工。因此，為達到設計效果和使用目的，整個無人自動氣象站應設計成一個完整的、網格化的共用接地系統，由水平接地極和垂直接地極構成，做好等電位連接，即使在發生直接雷擊的情況下，也能使雷電流在最短的時間內通過人工接地極從地中耗散。無人自動氣象站不僅考慮遭受直擊雷的損壞，同時也考慮閃電感應、閃電電涌侵入的損害。所謂的閃電感應是閃電放電時，在附近導體上產生的雷電電磁感應和雷電靜電感應，它可能使金屬部件之間產生火花放電。閃電電涌侵入是由于雷電對架空線路、電纜線路或金屬管道的作用，雷電波即閃電電涌，可能沿著這些管線侵入設備處，危及人身安全或損壞設備。它們的最主要的特征是沿著線路以過電壓方式侵襲各設備。

無人自動氣象站均分布在野外空曠地段，只能采用太陽能系統供電。太陽能系統主要由太陽能板、控制器、蓄電池組組成，由于無人自動站設備數量不多，負載不重，不需要逆變器，由12 伏太陽能直流電直接供電，其供電方式。嚴格規范要求建筑物、易燃易爆等其他場所的電源系統進行三級防護，但無人自動站供電系統比較簡單，進行兩級防護就行，具體做法如下：首先，應該在太陽能電池板輸出到控制器的線路上安裝相應的一級直流電源浪涌保護器，其標稱放電電流為5KA，最大雷電通流量為10KA，減少線路上傳導的雷電流及閃電電磁感應；其次，在控制器、蓄電池內安裝相應的二級電源浪涌保護器，其最大雷電通流量為5KA，滿足電源系統兩級防雷保護的要求。自動氣象站信號線路防雷器是多年雷電電磁防護經驗所研發的最新一代傳感器信號防雷器，此種防雷器安裝在無人自動站傳感器與數據采集器之間，保護數據采集系統、溫濕度傳感器、風向風速傳感器等免受雷擊浪涌侵擾。同時，為實現等電位連接要求，無人自動站的風桿、金屬圍欄、百葉箱支架、雨量傳感器及采集箱、電源箱的金屬外殼均就近與共用接地系統作可靠的電氣連接。

由于大部分無人自動氣象站分布在地質條件比較差，因此無人自動氣象站接地技術應采用共用接地系統，單點接地方式，接地電阻應≤4Ω。所有的接地線應通過匯流排引致共同接地系統，系統的保護接地和工作接地宜分別單獨引至共用地網，接地引下線長度要小于50m，截面積不小于35mm2，與防直擊雷引下線的間距不應小于5m。作好人工地網跟各設備、觀測場風向桿、太陽能極板、數據采集箱、圍欄等所有金屬物相連接，使整個無人自動氣象站達到等電位連接作用。無人自動氣象站的防雷接地技術主要是在觀測場內做垂直接地體和水平接地體連接組成的人工地網。水平接地體材料采用4x40 的鍍鋅扁鐵，埋設在當地凍土層以下，垂直接地采用5x50 的鍍鋅角鋼，長度為2.5 米，間距為5 米。并與有關聯的建筑物地網、觀測場內所有儀器塔架、儀器支架、儀器外殼和室內各個設備做共用接地、等電位連接。垂直接地體和水平接地體的材料、規格、焊接工

藝必須符合標準，接地電阻≤4Ω。

三、結束語

現代綜合防雷技術理論的要求，有效的保障了野外無人自動氣象站運行的可靠性和長期穩定性。解決自動氣象站的雷擊問題，需要對其存在的問題進行分析，研究問題產生的主要原因，并提出有效對策對自動氣象站實施防雷工作。

參考文獻

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[2]劉志鵬，畢明林，劉鵬飛，姚維華.區域自動氣象站建站注意事項[J].吉林農業.2016（12）

（作者單位：北京市懷柔區氣象局）