新型自動氣象觀測站測場防雷系統淺析

李 磊，崔玉陽

（新巴爾虎左旗氣象局，內蒙古自治區 呼倫貝爾 021200）

雷電具有極為強大的破壞性，一次閃電中攜帶電壓最高可達幾百萬伏，其瞬間電流可高達數十萬安培。當建筑受到雷擊時，可能會造成建筑物內部設備損壞、人員傷亡，甚至會干擾傳輸或儲存的信號以及模擬或數字數據，嚴重時會使這些數據丟失，電子設備癱瘓或整個系統停頓。就目前的技術水平而言，還沒有有效的方法來阻止雷電的發生。

從2020年4月起，全國地面氣象觀測自動化改革已從試運行切換調整為正式運行，這意味著我國各臺站的人工定時觀測和日常守班等觀測任務取消，地面氣象觀測實現全面自動化，氣象觀測站也已被電子化氣象設備全部代替。

自動氣象站采用了多項數字化技術，如現場總線、嵌入式技術等，改變了傳統氣象站的運行方式，構建了新型自動氣象站體系。在自動氣象站運行中，需要全面設計防雷系統，保證自動氣象站平穩運行，不受雷電災害為影響。因此，新型自動氣象觀測站測場的防雷措施成為了保障觀測場內氣象觀測儀器設施、器材員安全的重要手段之一。

1 概況

新型自動氣象觀測站測場呈正方形（除輻射站），四周由圍欄環繞，邊長為25 m，總占地面積為625 m2，圍欄北側正中間為觀測場正門，觀測場內設多個自動觀測儀器，如風速風向傳感器、百葉箱（頂高1.6 m）、天氣現象儀（頂高2.1 m）、能見度儀（頂高3 m）、積雪深度觀測儀（頂高2.4 m）、稱質量式雨量傳感器（頂高1.5 m）、翻斗式雨量傳感器（高度忽略）、光電式自動日照計（頂高1.5 m）、閃電定位儀（1.6 m）和地溫分采機箱（高度忽略不計）等多個電子設備，以及主采集機箱，串口服務器和個別觀測儀器所配套的分采集器（所有機箱支架離地頂高1.5 m）。

2 外部防雷系統設計

2.1 直擊雷防護措施

新型自動氣象觀測站測場（以下簡稱“觀測場”）的直擊雷防雷設計，一般選用接閃桿裝置直接安裝在風桿上的措施進行防雷。觀測場風塔頂高通常為10.5 m，若加裝一根2 m高的接閃桿（材料為20 mm的熱浸鍍鋅圓鋼）則總高可達到12.5 m，以下以12.5 m總高的風塔為例進行分析。由于氣象觀測場的特殊性，以下防雷措施都以二類防雷建筑物進行設計[1]。觀測場剖面保護范圍如圖2所示，當避雷針的高度h≤hr（滾球半徑，二類防雷建筑物滾球半徑的大小為45 m）時：距地面hr處作一平行于地面的平行線；以接閃桿針尖為圓心，hr為半徑做弧線交平行線A、B2點；以A、B2點分別為圓心，以hr為半徑做弧線，該弧線與針尖相交并與地面相切。從該弧線至地面范圍內，就是該接閃桿對觀測場地面的保護范圍[2]（保護范圍是一個對稱的曲面椎體）。

圖2 觀測場剖面保護范圍簡圖Fig.2 Schematic diagram of the protection scope of the observation siteprofile

根據公式可以算出該接閃桿的保護半徑

式中：bx——接閃桿對地面保護范圍；hr——滾球半徑；h——接閃桿針尖高度。

根據結果可以得出接閃桿對觀測場垂直面保護范圍示意圖如圖3所示。

圖3 觀測場垂直面保護范圍簡圖Fig.3 Schematic diagram of the protection scope of thevertical plane of the observation field

結合圖1接閃器的位置可知，整個觀測場地面除去極小部分未受到保護以外，其余部分全部都在接閃桿所保護范圍之內。但由于觀測場內儀器存在高度，因此需再次確定各個儀器是否在保護范圍之內。以下主要針對能見度儀、天氣現象儀、雪深儀、稱質量式雨量器、光電式日照計、閃電定位儀和觀測場內各個機箱支架的高度進行研究。

圖1 新型自動氣象觀測站測場平面規劃示意圖Fig.1 Schematic diagram of the measurement site plan of the new automatic weather observation station

首先建立一幾何圖形如圖4所示。距離地面hr高度作一平行于地面的平行線；以接閃桿針尖位置Q為圓心，hr為半徑作弧線交于平行線A、B2點；分別以A、B為圓心，hr為半徑作弧線，該弧線與針尖相較于Q點，并與地面相切。從該弧線起到地面上保護范圍；避雷針在hx高度上的保護半徑按下方法確定。

圖4 單支避雷針的保護范圍計算簡圖Fig.4 Simplified calculation of theprotection rangeof asingle lightning rod

2.1.1 能見度儀

由計算簡圖可知

既：

式中：rx——接閃桿在hx高度平面的保護半徑，m；hr——滾球半徑，m；hx——被保護物的高度，m；h——接閃桿針尖距離地面高度，m。

帶入已知數據得（為計算方便，以下所有儀器在圖中視作為一個點，儀器與接閃器之間的距離均為點與點之間的距離）。

根據圖1可計算出能見度儀距離針尖水平距離為11 m＜15.0 m，所以天氣現象儀在該接閃桿的保護范圍之內，可以避免直擊雷的破壞。

2.1.2 天氣現象儀

方法同2.1.1，帶入已知數據得

根據圖1可計算出天氣現象儀距離針尖水平距離為17 m＞13.6 m，所以該接閃桿不能夠有效保護能天氣現象儀避免直擊雷的破壞。

2.1.3 雪深儀

方法同2.1.1，帶入已知數據得

根據圖1可計算出天氣現象儀距離針尖水平距離為16.7 m＞14.5 m，所以該接閃桿不能夠有效保護雪深儀避免直擊雷的破壞。

2.1.4 稱質量式雨量計

方法同2.1.1，帶入已知數據得：

根據圖1可計算出天氣現象儀距離針尖水平距離為18.3 m＞11.5 m，所以該接閃桿不能夠有效保護稱質量式雨量計避免直擊雷的破壞。

2.1.5 光電式日照計

方法同2.1.1，帶入已知數據得根據圖1可計算出天氣現象儀距離針尖水平距離為20.7 m＞11.5 m，所以該接閃桿不能夠有效保護光電式日照計避免直擊雷的破壞。

2.1.6 閃電定位儀

方法同2.1.1，帶入已知數據得：

根據圖1可計算出天氣現象儀距離針尖水平距離為9 m＜11.9 m，所以閃電定位儀在該接閃桿的保護范圍內，可以避免遭受直擊雷的破壞。

2.2 感應雷防護措施

觀測場內氣象觀測設備供電，一方面是從值班室引出的供電線路供電，另一方面是儀器機箱內放置的蓄電池進行供電，從值班室引出的交流線路經地溝內金屬線槽進入觀測場內電源箱，通常在值班室電源箱內安裝了1個電涌保護器（SPD），標稱放電電流值In≥20 kA，保護水平Up≤1.5 kV，電涌保護器接地線就近值班室地網連接，在觀測場內儀器分配總電源箱內也需安裝電涌保護器。觀測場內各儀器傳感器、采集器、串口服務器等設備相互之間均通過有線電纜進行連接，各設備需接入端將電纜的金屬屏蔽層與設備機箱接地端子連接后就近與觀測場地網連接[3]。

3 觀測場內部防雷系統設計

3.1 屏蔽設計

3.1.1 線纜屏蔽

觀測場內存在較多電線電纜，發生雷擊風險較大。現代氣象設備的線纜自身存在屏蔽層，但該屏蔽層無法滿足較多線纜共存時的屏蔽需求，線路主要分為電纜線路和信號線路，因此觀測場安裝儀器布線時，需將電纜線路和信號線路分別放入不同位置的鋁合金材質線槽內，線槽上下錯位架設在觀測場地溝內，起到雙重屏蔽的作用。

3.1.2 儀器屏蔽

觀測場內的各個儀器自身存在一定的電磁波，容易受到雷電攻擊，儀器方面，需采用全封閉式的防雷設計，根據防雷系統的設計要求，調整觀測場內的儀器擺放，可降低雷電脈沖的破壞力度，觀測場在建設過程中需完全按照最新標準建設方案安放儀器，即可達到最佳的屏蔽要求。

3.2 接地設計

在觀測場各儀器基座上選擇合適的連接點，連接點與接地裝置相連，接地裝置采用鍍鋅扁鋼與地溝內金屬網焊接相連，金屬網全覆蓋鋪設在地溝內，并引入地下，最終形成屏蔽層，能夠有效預防初級雷電。

3.3 布線設計

為了預防雷擊破壞，在布線時，有序地平鋪在線槽內，避免采取大回路，盡可能按同方向延展鋪設即可。

4 結語

通過以上研究，可以得出以下結論：新型自動氣象觀測站測場部分儀器不在接閃器有效保護范圍之內，因此，觀測場風塔上高2 m的接閃桿無法有效保護觀測場內所有儀器免受直擊雷的危害，即便是有些儀器在保護范圍之內，也不能夠確定該接閃桿能夠絕對有效避免儀器不受直擊雷的影響。因此，在無法架設更高的接閃桿于風塔之上的前提下，需在該觀測場東西兩側設置至少2根獨立接閃桿進行保護，高度及距離可根據實際情況按照滾球法進行計算。

通關研究分析可知，按要求建設的新型自動氣象觀測站測場屏蔽系統良好，布線方案合理，施工后的現場既美觀又不會影響線路正常工作以及人員正常操作。值班室以及觀測場總電源分配箱內加裝浪涌保護器，能夠避免觀測場受到雷擊后對值班室的供電系統以及信號系統產生破壞。