淺談自動(dòng)氣象站雷擊電磁脈沖防護(hù)措施

蘇貴嶺，劉建東

（葫蘆島市氣象局，遼寧 葫蘆島 125000）

雷擊電磁脈沖是雷電流經(jīng)電阻、電感、電容耦合產(chǎn)生的電磁效應(yīng)，包含閃電電涌和輻射電磁場(chǎng)[1]，使附近導(dǎo)體上感應(yīng)出很高的電動(dòng)勢(shì)，表現(xiàn)為過電壓、過電流的瞬態(tài)波[1]，通過金屬導(dǎo)線和金屬管網(wǎng)進(jìn)入觀測(cè)儀器和站房?jī)?nèi)部造成事故。傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分布在室外LPZ0B區(qū)內(nèi)，雷擊電磁場(chǎng)強(qiáng)度沒有衰減。各觀測(cè)設(shè)備不太可能遭到雷電直接雷擊，但由于自動(dòng)氣象站系統(tǒng)的電子元器件的絕緣強(qiáng)度低、耐壓能力、抗電磁干擾能力以及抗沖擊電流能力較弱。因此，極易受到雷電過電壓的沖擊而損壞。

1 雷擊電磁脈沖的入侵途徑

自動(dòng)氣象站包含多種觀測(cè)傳感器和主采集器，電子設(shè)備高度集成化，涵蓋氣象主管機(jī)構(gòu)統(tǒng)一布局的19項(xiàng)已實(shí)現(xiàn)儀器自動(dòng)觀測(cè)的項(xiàng)目，以及13項(xiàng)可通過綜合判識(shí)或圖像識(shí)別實(shí)現(xiàn)自動(dòng)觀測(cè)的項(xiàng)目。采用的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括主采集器、外部總線、分采集器、傳感器、電源箱等。各采集器之間采用CAN總線進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。主采集器與工作室終端計(jì)算機(jī)采用雙絞線或光纖進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

設(shè)備工作電壓僅幾伏，對(duì)電磁干擾極其敏感，傳感器前端也沒有防過電流保護(hù)措施，經(jīng)雙絞線連接至數(shù)據(jù)采集器防雷板，線端未做SPD防護(hù)。由于系統(tǒng)中金屬外殼設(shè)備多、接口多，線路老化等原因，易造成閃電電涌侵入，使得自動(dòng)氣象站中的傳感器、采集器等設(shè)備遭受不同程度的損傷。

雷擊電磁脈沖侵入工作室的途徑包括電子系統(tǒng)的電源線、信號(hào)線、接地線等都是工作室的進(jìn)雷通道以及直擊雷雷擊點(diǎn)的高電位反沖。同時(shí)，由于雷電對(duì)架空線路、電纜線路或金屬管道的作用，由閃電靜電感應(yīng)或雷擊電磁脈沖引發(fā)的閃電電涌可能沿著這些管線侵入屋內(nèi)，危及人身安全或損壞設(shè)備[1]。

葫蘆島市的自動(dòng)氣象站多次發(fā)生風(fēng)向傳感器遭雷擊事故，造成多種要素觀測(cè)中斷。調(diào)查分析發(fā)現(xiàn)接閃桿成功接閃，但傳感器和數(shù)據(jù)線不同程度被損壞，經(jīng)檢測(cè)觀測(cè)場(chǎng)接地阻值合格，采集器防雷板不止風(fēng)向風(fēng)速線路被燒毀，旁邊多路傳感器數(shù)據(jù)通道亦受損，從而整體上造成自動(dòng)化氣象站無法進(jìn)行有效的數(shù)據(jù)采集，并且造成很大的人力、錢財(cái)?shù)膿p失。通過對(duì)一些可能存在的因素分析，認(rèn)為采用避雷針共用風(fēng)桿方式的自動(dòng)站，避雷針與風(fēng)向風(fēng)速傳感器水平距離過近而且風(fēng)桿或風(fēng)塔均為金屬材質(zhì)，閃電放電時(shí)，在附近導(dǎo)體上產(chǎn)生的雷電靜電感應(yīng)和雷電電磁感應(yīng)可能使金屬部件之間產(chǎn)生火花放電[1]以及雷擊電流流過金屬桿時(shí)所產(chǎn)生的高電位對(duì)傳感器造成的反擊，瞬態(tài)電流沿?fù)p壞的線路侵入設(shè)備中，一旦出現(xiàn)電位差，容易擊穿電子設(shè)備，造成電子設(shè)備的損壞以及后期維修的困難。

數(shù)據(jù)傳輸線路一般鋪設(shè)在地溝中，長(zhǎng)度也較長(zhǎng)，甚至多余的線路盤在一起。防雷裝置的地網(wǎng)一般就直接埋在觀測(cè)場(chǎng)內(nèi)。避雷針接閃時(shí)，雷電流通過地網(wǎng)就近泄入地中。由于雷電流迅速變化在其周圍空間產(chǎn)生瞬變的強(qiáng)電磁場(chǎng)，接地線和數(shù)據(jù)線之間如果發(fā)生電磁耦合，感應(yīng)出很高的電動(dòng)勢(shì)，產(chǎn)生的感應(yīng)過電壓通過數(shù)據(jù)線侵入采集器中[2]。地線與數(shù)據(jù)線間距過近、夾角過小也會(huì)造成雷擊過程中地線與數(shù)據(jù)線之間的電感耦合[2]。

2 雷擊電磁脈沖的防護(hù)措施

在自動(dòng)氣象站施工建設(shè)過程中，應(yīng)依據(jù)當(dāng)?shù)丨h(huán)境因素，考慮其性能特點(diǎn)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，結(jié)合自動(dòng)站雷擊事故分析，進(jìn)行雷擊電磁脈沖的防護(hù)。具體來說，可以從觀測(cè)場(chǎng)接地裝置、等電位連接、屏蔽以及浪涌保護(hù)器等方面綜合防護(hù)雷擊電磁脈沖，同時(shí)，加強(qiáng)工作人員日常維護(hù)管理，科學(xué)檢測(cè)接地情況。

2.1 觀測(cè)場(chǎng)接地裝置

針對(duì)風(fēng)向風(fēng)速傳感器多次遭雷擊，自動(dòng)氣象站防直擊雷防護(hù)等級(jí)按照一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)獨(dú)立接閃桿，選擇在雷暴主導(dǎo)路徑上風(fēng)方，高度不低于風(fēng)桿避雷針并且保證與觀測(cè)場(chǎng)≥10 m的安全距離[2]，這樣才能獨(dú)立出接地裝置，確保避雷針在接閃時(shí)，雷電流有單獨(dú)的低阻抗泄放通道，降低閃電電涌和輻射電磁場(chǎng)的電磁效應(yīng)影響而不會(huì)干擾到觀測(cè)場(chǎng)設(shè)備。獨(dú)立避雷針接地阻值按觀測(cè)場(chǎng)接地阻值要求設(shè)計(jì)，減小相鄰地網(wǎng)的電壓差。

同時(shí)，觀測(cè)場(chǎng)內(nèi)水平接地體和接地線的布置、周圍線纜的埋設(shè)位置應(yīng)當(dāng)綜合考慮電感、電磁耦合影響后再做決定。接地體盡量避開觀測(cè)設(shè)備，避免接地線和數(shù)據(jù)線距離過近，水平接地體盡量不要與數(shù)據(jù)線平行敷設(shè)以及多余的數(shù)據(jù)線路不要盤在一起，這樣做是為了避免受到外在因素的影響，確保觀測(cè)場(chǎng)內(nèi)的環(huán)境足夠穩(wěn)定、安全。

2.2 防雷等電位連接

自動(dòng)氣象站分布在多個(gè)防雷區(qū)，在2個(gè)防雷區(qū)的界面上做等電位連接是減小雷擊電磁脈沖影響行之有效的方法。將各種觀測(cè)設(shè)備、電力設(shè)施以及各金屬外殼等直接用連接導(dǎo)體或經(jīng)電涌保護(hù)器連接到防雷裝置上以減小雷電流引發(fā)的電位差[1]，防止雷電泄流時(shí)產(chǎn)生的高電位對(duì)附近傳感器金屬外殼或電子系統(tǒng)線路的反擊。觀測(cè)場(chǎng)電纜溝內(nèi)安設(shè)等電位連接帶，設(shè)備金屬外殼及其金屬支撐架就近連接等電位連接帶，不要直接與接地網(wǎng)連接。電源線、數(shù)據(jù)線應(yīng)選用帶屏蔽層的電纜，分別穿金屬管（橋架）沿觀測(cè)場(chǎng)電纜溝敷設(shè)，金屬管（橋架）應(yīng)首尾電氣貫通，并在進(jìn)出電纜溝處就近連接等電位連接帶。增大金屬管間距或采用金屬線跨接，金屬橋架在電纜溝拐角處，做好跨接并增設(shè)等電位連接。線纜屏蔽層和金屬管應(yīng)在主采集器入口處與主采集器金屬外殼進(jìn)行等電位連接。

工作室內(nèi)的電子系統(tǒng)應(yīng)與建筑物的接地裝置做好等電位連接。電子系統(tǒng)與工作室所處建筑物宜共地。向電子系統(tǒng)供電的配電箱的保護(hù)地線（PE線）應(yīng)就近與建筑物的等電位連接網(wǎng)絡(luò)做等電位連接[1]。電氣和電子設(shè)備的金屬外殼、機(jī)柜、操作臺(tái)、屏蔽線纜外層、設(shè)備防靜電接地、電源保護(hù)接地、浪涌保護(hù)器以及機(jī)房靜電地板接地端等均應(yīng)與等電位連接網(wǎng)絡(luò)的接地端子連接。這樣，在雷電襲擊時(shí)，電子系統(tǒng)和建筑物大體上是等電位的，減少內(nèi)部電子設(shè)備被高電位反擊的事故，從而確保電子設(shè)備的安全、穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.3 屏蔽以及SPD的安裝

工作室所處的建筑物梁、柱、基礎(chǔ)內(nèi)的鋼筋、門窗鋼結(jié)構(gòu)等要做好等電位可靠連接形成籠式避雷網(wǎng)，從而工作室內(nèi)的電子設(shè)備得到很好的屏蔽。進(jìn)出工作室的電源線、信號(hào)線采用屏蔽電纜時(shí)其屏蔽層應(yīng)至少在兩端，并宜在防雷區(qū)交界處做等電位連接，供電線路宜采用具有金屬護(hù)套或絕緣護(hù)套電纜穿金屬管埋地引入。金屬管及電纜金屬護(hù)套兩端應(yīng)就近可靠接地。

工作室電源處和數(shù)據(jù)線端加裝浪涌保護(hù)器SPD，可以有效的限制瞬態(tài)雷擊過電壓并引導(dǎo)浪涌電流就近分流入地。一般工作室防雷等級(jí)劃分為3級(jí)，低壓配電系統(tǒng)中應(yīng)安裝2級(jí)SPD進(jìn)行防護(hù)，在總配電柜上安裝SPD1，每條相線和中性線上選用沖擊電流Iimp≥12.5 kA或者標(biāo)稱放電電流In≥50 kA，電壓保護(hù)水平Up≤2.5kV的SPD；SPD2安裝在分配電盤上，每條相線和中性線上選用標(biāo)稱放電電流In≥15 kA，電壓保護(hù)水平Up≤1.5 kV的SPD[2]。工作室路由器前端應(yīng)加裝符合其接口型式（一般為RJ11/RJ45）的信號(hào)SPD[3]。

2.4 加強(qiáng)日常維護(hù)

周期性維護(hù)的周期為1年，每年在雷雨季節(jié)到來之前，應(yīng)進(jìn)行1次全面檢測(cè)。測(cè)試接地裝置的接地電阻值，若測(cè)試值大于規(guī)定值，應(yīng)檢查接地裝置和土壤條件，因?yàn)榻拥匮b置和土壤條件的不注意會(huì)造成雷雨天氣下的雷擊頻率，所以進(jìn)行周期性維護(hù)時(shí)需要注重這方面的控制，找出變化原因，采取有效的整改措施。檢測(cè)工作室內(nèi)部等電位連接的過渡阻值，若連接處松動(dòng)或斷路，應(yīng)及時(shí)修復(fù)。全面檢查浪涌保護(hù)器的運(yùn)行情況，有無接觸不良、漏電流是否過大、發(fā)熱、絕緣是否良好、積塵是否過多等。日常性維護(hù)應(yīng)在每次雷擊之后著重檢查等電位連接網(wǎng)絡(luò)的連接是否牢固，浪涌保護(hù)器工作指示窗狀態(tài)。

3 結(jié)語

雷擊電磁脈沖是雷云放電的后續(xù)效應(yīng)，易干擾自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)傳輸甚至損壞電子設(shè)備。綜合分析雷擊電磁脈沖的入侵途徑，做好觀測(cè)場(chǎng)內(nèi)出入線路等電位連接以及工作室的屏蔽等合理有效的防護(hù)措施，將其影響降到最低，保障自動(dòng)站穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)避免雷擊電磁脈沖的影響，確保自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)的正常傳輸有很好的指導(dǎo)意義。