面向電源安全的氣象觀測場設備雷電防護措施設計

鄭棟棟，黃志成，陳斌源

（福建省漳州市氣象局，福建漳州 363000）

雷電既會擊毀、破壞物體，其放電所形成的電磁感應還將嚴重威脅計算機、電力等設備安全，形成雷電災害[1]。若氣象觀測場遭到雷擊，勢必會損壞設備，引發設備故障，降低氣象觀測水平，因此，為了獲取更準確、更具代表性的氣象觀測數據，防止觀測資料丟失，需做好觀測場的雷電防護措施。

雷電防護技術在各個相關領域得到了廣泛研究，例如：蔡國偉等人[2]在高寒地區風電機組雷電防護研究中，根據高寒地區風電機組屬性、環境、雷電等情況，總結風電機組雷擊特征，從雷電防護系統、直擊損壞機理、電磁暫態等階段，對風電機組雷電防護作出分析總結；向文等人[3]依據初選措施、權重求解、效果評價、措施制定等步驟，結合輸電線路的地形特點，初步選定防雷措施，采用層次分析優化策略求解各措施權重，制定綜合防雷措施，基于模糊綜合評價法，對最終措施展開評價。由于上述文獻方法無法解決氣象觀測場中高靈敏度弱電設備較差的過電壓耐受力問題，并不適用于當前較為普及的電氣設備雷電防護，因此，該文針對氣象觀測場設備的電源安全，提出一種雷電防護措施。通過計算防雷裝置到受防護設備的距離，避免防雷裝置被雷擊電流經過后生成高電位，反擊至受防護設備；構建接地防護舉措，減小地網電位差異，使各類雷電電流成功泄入大地；應用熱鍍鋅鋼材制作地網，提升接地防護措施的熱穩定性、雷電流承受性能、導電性以及耐腐蝕性，最后通過實驗驗證了該方法的有效性。

1 面向電源安全的氣象觀測場相關分析

氣象觀測場常位于空曠位置的高處，其部分設備為單獨矗立的金屬物，比如日照計[4]、風桿等。觀測氣象不受季節、假日以及天氣狀況等影響，屬于一種持續運轉的過程，因此，為確保氣象觀測場的電源安全，使之能夠不間斷地正常工作，應從風桿、值班室電磁感應以及閃電反擊等多個角度展開分析，為制定合理、有效的雷電防護措施奠定基礎。具體分析策略描述如下：

1）風桿：位于觀測場風桿頂端的風向與風速傳感器[5]，是較易對設備電源安全產生威脅的因素。當風桿中敷設數據線后無法可靠連接地網時，假設引下線單位長度電感與雷擊電流分別為L0、i，通過該引下線的雷擊電流的時間與波前時間各是di、dt，接地電阻為R，觀測點與大地間的垂直距離是H，則風桿上的風速傳感器電位可通過式（1）解得：

2）值班室電磁感應：假設邊長為L的值班室東側與西側到觀測場避雷針的距離分別為X1與X2的長度，根據法拉第電磁感應定律[6]，推導出在忽略電壓方向前提下的開口金屬環感應電勢EM，表達式如下所示：

式中，M表示互感系數，其表達式如下所示：

式中，μ0表示空氣磁介質常數，I與I′分別表示矩形金屬環的長和寬，l表示閉環積分線路，Φ為穿過金屬環的磁通量，如式（4）：

式中，X1表示磁場分布，X2表示電磁感應強度。

將X2=L+X1與式（3）合并整理得到下列表達式：

根據以上各式，可將感應電勢轉化為式（6）：

若雷電電磁感應電壓與市電220 V 較為接近，則值班室部分并非是導致設備電源發生故障的主要因素。

3）閃電反擊：求解防雷裝置到受防護設備的距離，以避免防雷裝置被雷擊電流經過后生成高電位，反擊至受防護設備。根據圖1 所示的值班室中各設備方位與接地狀態，構建防雷裝置與受防護設備間距計算公式，如下所示：

圖1 值班室各設備方位與接地狀態

式中，ER與EL分別表示電阻電壓和電感電壓的空氣擊穿強度，hx表示防雷裝置的地上高度。

2 該文方法設計

以多個雷電干擾因素分析結果為基礎，設計氣象觀測場設備雷電防護措施。由于氣象觀測場受直擊雷與感應雷沖擊概率較高，故從接地、直擊雷以及感應雷3 個方面做好電源安全下雷電防護措施具有一定的必要性，以保證觀測場設備與業務的正常運轉。

2.1 接地防護措施

為使各類雷電電流成功泄入大地，降低雷電對目標區域的危害，該文通過連接防雷地區、設備防護地區以及工作地區，建立一個良好、安全、可靠的接地防護措施，減小地網電位差異，避免高地位反擊與設備故障。

將地網呈環形閉合狀鋪設于觀測場地外部，以便于施工，采用地網四角與四周中線，牽引場中地線，在深約1 m 的線纜地溝中埋設水平接地體后夯實泥土。為有效泄放過電流，設計如圖2 所示的地網連接觀測場。

圖2 地網連接觀測場示意圖

根據圖2 可知，地網連接觀測中包含金屬支架、風桿、扶手、數據采集箱以及金屬圍欄等設備。依據GB50057-2010 建筑物防雷規范中的相關要求，選取熱鍍鋅鋼材[7]制作地網，提升接地防護措施的熱穩定性、雷電流承受性能、導電性以及耐腐蝕性。

2.2 直擊雷電防護措施

在風桿頂部安裝已提前固定好引下線的避雷針，令引下線與接地體可靠連接，避免直擊雷的過電流導致設備發生故障。其中，避雷針的針體應采用20 mm 直徑的銅包圓鋼，利用滾球法[8-9]，如式（8）所示，明確針體高度，確保針尖體承受的最大雷電流沖擊與風速分別是143 kA 與58 m/s。

式中，h′表示避雷針高度，r和分別表示滾球半徑與防護設備高度。

采用GFW 系列接閃線安裝法[10]與橫截面積不小于25 mm2的304 不銹鋼鋼絞線，按照從上到下的方向沿著風桿上層拉線，用含有絕緣子的扎線把鋼絞線按1 m 距離與風桿拉線捆扎在一起，用塑料管保護與地面接近的鋼絞線，構建觀測場直擊雷防護措施，并在抻直的前提下實現最短距離接地，令桿線接閃器的防護范圍覆蓋觀測場設備，避免接閃線與風感應器間的反擊[11]。避雷針及其針桿的連接選用針線組合形式，防止長時間被風吹，致使避雷針發生脫落。當鋼絞線銹蝕程度大于30%時，應及時進行替換。

2.3 感應雷電防護措施

感應雷電造成設備故障的原因是經電源線與信號線的電磁或者靜電感應發生耦合反應，所生成的短暫高壓脈沖又反擊回氣象觀測場[12]。為避免受感應雷沖擊，將浪涌保護器SPD（Smart Power Distribution）安裝于不同種類的通道入口位置，通過快速下降阻值令雷電流釋放，防護位于其后的有關設備[13]。基于電源安全的浪涌保護器各組件感應雷電防護措施具體描述如下：

1）電源感應雷電防護：一般情況下，氣象觀測場采用交流或低壓直流的供電形式[14-15]。針對交流電源形式的觀測場設備，制定如圖3 所示的雷電防護措施。

圖3 交流電源感應雷電防護元件

針對低壓直流電源形式的觀測場設備，利用單體電源雷電防護組件，創建出如圖4 所示的雷電防護措施。

圖4 低壓直流電源感應雷電防護元件

2）RS485 總線感應雷電防護：當RS485 進行遠距離電力傳輸時，雷電擊打與靜電感應極易使傳輸線形成過電壓，造成設備故障，因此，在設備前端按照圖5 所示模式，完成信號避雷器連接[16]，并將RS485 傳輸線掩埋于地下，防止雷電直擊。

圖5 RS485總線感應雷電防護元件

3）主控板感應雷電防護：作為電源的二級雷電防護等級，主控板雷電防護元件（見圖6）位于電源雷電防護元件的正后方。串聯壓敏電阻和溫度保險絲后，將其與印制電路板（Printed Circuit Board，PCB）板電源的后方電路并聯在一起[17]。其中，壓敏電阻選用220KD20 型號。

圖6 主控板雷電防護元件

把143 ℃的溫度保險絲放置于壓敏電阻前端，一旦壓敏電阻達到一定高溫，就熔斷保險絲，避免壓敏電阻因長時間工作造成發熱、老化以及燃燒。溫度保險絲與壓敏電阻的安裝模式如圖7 所示，這樣可令保險絲充分受熱，通過固定熱縮套管，更好地感知壓敏電阻溫度[18]。

圖7 安裝模式圖

3 防護效果模擬實驗

3.1 實驗準備

利用AR4105A 型號的高精度防雷測試儀，監測采集某氣象觀測場應用雷電防護措施前三年與后兩年的逐日閃電數據。將當地氣象局發布的數據與雷電測試系統獲取的數據結果作為實驗數據來源，測試不同方法的雷電防護效果。

3.2 雷電防護效果分析

表1 為該氣象觀測場2016-2020 年連續五年雷暴天數。

表1 某氣象觀測場連續五年雷暴天數

根據統計的雷擊次數前后變化可以看出，該文方法通過連接防雷地區、設備防護地區以及工作地區，建立了一個良好、安全、可靠的接地防護措施，并在風桿頂部上安裝已提前固定好引下線的避雷針，令引下線與接地體可靠連接，避免了直擊雷的過電流導致設備發生故障，將浪涌保護器安裝于不同種類的通道入口位置，通過快速下降阻值令雷電流釋放，防護了位于其后的有關設備，故具有良好的雷電防護有效性，大幅降低了觀測場區域被雷擊的概率，確保氣象站正常運行。

同時，根據該氣象觀測場環境，結合GB50343-2012 與QX30-2004 防雷技術規范以及IEC61312 電磁脈沖防護標準分類，該觀測場雷電防護等級為一級，直擊雷防護等級為二類，電源線路雷電防護等級為三級，確保滿足觀測場設備電源安全需求。

為驗證防護措施的可行性，分別采用文獻[2]方法、文獻[3]方法以及該文方法，對所選觀測場的設備及其電路展開雷電防護實驗，所得實驗波形圖如圖8所示。

通過圖8 中波形可以看出，該文方法通過深入分析氣象觀測場的風桿、值班室電磁感應以及閃電反擊等多個因素，合理制定了地網、直擊雷避雷針以及浪涌保護器電源、主控板、RS485 總線等方面更具針對性的雷電防護措施，因此，將輸入的電壓信號可以調整至相對理想的電壓水平，確保了設備及其電路的正常工作，較文獻[2-3]方法更合理、性能更穩定。

圖8 設備及其電路波形圖

4 結論

氣象事業飛速進步，各類高科技水平的觀測設備逐漸替代傳統觀測方法。現代電子設備普遍存在絕緣強度較低、過電壓耐受能力較差等問題，較易受到雷電影響，日益演變為氣象觀測場雷電防護的關鍵環節。因此，該文面向設備電源安全，設計氣象觀測場雷電防護措施，提升觀測場的整體雷電防護標準。氣象觀測場的雷電防護屬于一種綜合工程，影響因素多種多樣，在今后的工作中應充分考量各方面雷電防護細節，確保各環節均能夠正常運轉，從根本上提升防護效果；應分別安裝避雷針與風向風速傳感器，利用電磁屏蔽避雷針引下線與數據線，保證雷電防護水平；需嘗試結合嵌入式、物聯網等各類創新型技術，爭取早日實現觀測場雷電防護措施的可視化，使其更具規范性。