摘要 近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，地面遙測(cè)系統(tǒng)越來越多的被用于氣象觀測(cè)和預(yù)報(bào)領(lǐng)域。自動(dòng)氣象站是由很多電子元器件集合而成的電子電氣設(shè)備，該設(shè)備需要進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理和上傳，這些工作都要求其能夠安全、連續(xù)地運(yùn)行。自動(dòng)氣象站對(duì)電磁干擾特別敏感，作為自然干擾源的雷電放電堪稱是自動(dòng)氣象站正常運(yùn)行的隱形殺手，故研究自動(dòng)氣象站的雷電防護(hù)十分重要。本文圍繞自動(dòng)氣象站的雷電防護(hù)，首先對(duì)自動(dòng)氣象站作了簡(jiǎn)單的介紹，從室內(nèi)設(shè)備和室外設(shè)備兩個(gè)方面來討論雷電隱患，緊接著闡述了雷電波的入侵途徑和防御方法，最后結(jié)合當(dāng)前的實(shí)際情況給出了幾個(gè)自動(dòng)氣象站綜合防雷的方案。

關(guān)鍵詞 自動(dòng)氣象站；雷電防護(hù)；探討

中圖分類號(hào) P415 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1673-9671-(2012)051-0160-02

自動(dòng)氣象站把很多技術(shù)比如傳感器、數(shù)據(jù)采集和處理、數(shù)據(jù)通信技術(shù)集合在一起的自動(dòng)化的電子電氣設(shè)備，對(duì)電磁干擾特別敏感。正常情況下的電磁干擾源有兩種，一種是來自電力系統(tǒng)的擾動(dòng)而產(chǎn)生的過電壓、高頻輻射電磁干擾及來自通信網(wǎng)絡(luò)的干擾，統(tǒng)稱為人為干擾源；另一種是由自然界的宇宙射線、其他天體和氣象活動(dòng)引起的干擾，統(tǒng)稱為自然干擾源。雷電就是一種自然界的放電現(xiàn)象，這種放電發(fā)生在雷、雨、云之間或者云地之間。雷電災(zāi)害就是一種較為常見的自然干擾源，由雷擊產(chǎn)生的直擊雷和雷擊電磁脈沖損害對(duì)自動(dòng)氣象站的危害很大，因而雷電防護(hù)對(duì)于自動(dòng)氣象站的長(zhǎng)期正常安全運(yùn)行不可忽視。

1 自動(dòng)氣象站的介紹及雷擊隱患

1.1 自動(dòng)氣象站的介紹

自動(dòng)氣象站是利用了眾多技術(shù)的綜合性很強(qiáng)的電子電氣設(shè)備系統(tǒng)，它集合了數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、利用計(jì)算機(jī)計(jì)算處理數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、傳輸、通信等技術(shù)。一般一個(gè)完整的自動(dòng)氣象站包括風(fēng)向、風(fēng)速、溫濕度、雨量、蒸發(fā)、地溫等氣象要素傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)等部分，其中氣象要素傳感器安裝在室外的空曠處，數(shù)據(jù)采集器和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)按包裝在室內(nèi)。氣象站一般都安裝有避雷針、避雷帶來保護(hù)高大建筑物及內(nèi)部工作的人員不會(huì)被雷電擊中，但是這些避雷設(shè)備是不能阻止雷電的電磁波侵入各種氣象傳感器中。氣象傳感器遭到電磁侵襲，就可能導(dǎo)致整個(gè)氣象站無法正常工作，然而自動(dòng)氣象站必須連續(xù)安全的工作，因此對(duì)于自動(dòng)氣象站的防雷是十分必要的。

1.2 室外設(shè)備的雷擊隱患

自動(dòng)氣象站的室外設(shè)備主要是各種氣象要素傳感器，這些傳感器的特殊布置環(huán)境和自身對(duì)電磁干擾敏感的特點(diǎn)使其存在一些雷擊隱患，這些安全隱患大致如下：1）由于氣象觀測(cè)的需要，氣象站的室外設(shè)備均安裝在觀測(cè)場(chǎng)內(nèi)，而觀測(cè)場(chǎng)的周圍要十分開闊，不能有高大的建筑物。加之氣象因素的傳感器由于感知各種氣象因素的需要，探頭均是由敏感性很高的金屬體制成，這樣加大了傳感器被雷擊的概率；2）雖然最易遭受雷電襲擊的風(fēng)向和風(fēng)速感應(yīng)器均采取了一定的措施來進(jìn)行保護(hù)，例如在風(fēng)桿上安裝避雷針或者把風(fēng)向和風(fēng)速感應(yīng)器安裝在避雷針的保護(hù)范圍內(nèi)。感應(yīng)器的風(fēng)桿遭到雷擊，雷電波就會(huì)順著風(fēng)桿傳向室內(nèi)采集器的傳輸電纜線，電纜線感應(yīng)電磁脈沖進(jìn)而會(huì)損壞室內(nèi)設(shè)備；3）觀測(cè)場(chǎng)的避雷針遭受雷擊的瞬間會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的電磁場(chǎng)和局部高電位，電磁場(chǎng)會(huì)經(jīng)安裝在室外的感應(yīng)器的信號(hào)電纜耦合到設(shè)備，造成設(shè)備損壞，高電位會(huì)使感應(yīng)器的金屬探頭遭受電位反擊而損壞。

雷電電磁干擾主要通過傳導(dǎo)耦合和輻射耦合方式傳送到自動(dòng)氣象站，使其失效或損壞。一般雷電入侵自動(dòng)氣象站除阻性耦合影響的反擊電壓之外，分別沿電源線、傳感器到采集器和采集器到主控微機(jī)之間的通道、網(wǎng)絡(luò)的通信線路入侵。一是自動(dòng)站供電線路侵入。在電力線入室之前可能遭受直擊雷和感應(yīng)雷，直擊雷擊中高壓線經(jīng)過變壓器耦合為低壓后入侵；云地閃電擊中建筑物或建筑物附近時(shí)，雷電流通過引下線泄入接地體，可通過電路中的零線、保護(hù)地線和布線中的接地線，以脈沖波的形式侵入室內(nèi)，使設(shè)備損壞。二是通信線路入侵。當(dāng)自動(dòng)氣象站周圍直擊雷防護(hù)不力時(shí)，地面突出物或高層建筑物遭雷擊，雷電過電壓將地面土壤擊穿。

1.3 室內(nèi)設(shè)備的雷擊隱患

自動(dòng)氣象站的室內(nèi)設(shè)備主要是氣壓感應(yīng)器、數(shù)據(jù)采集器和計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)，這些室內(nèi)設(shè)備比室外設(shè)備更加脆弱，更易因電磁脈沖而損壞。雷電電磁脈沖可以通過采集器的傳感線路損壞設(shè)備，也可以通過電源線路損壞電子設(shè)備，這些損壞甚至?xí)斐烧麄€(gè)自動(dòng)氣象系統(tǒng)的癱瘓；另外如果接地系統(tǒng)的接地不規(guī)范，會(huì)導(dǎo)致電子設(shè)備之間產(chǎn)生電位差，也會(huì)損壞氣象站的電子設(shè)備。

2 雷電波入侵途徑及防護(hù)辦法

2.1 雷電波從電源線入侵時(shí)的防御方法

雷電波從電源線入侵的概率比從其他途徑入侵自動(dòng)氣象站的概率都大，一般都是直擊雷損害。直擊雷的入侵途徑主要有：直擊雷擊中高壓線會(huì)產(chǎn)生過電壓，過電壓經(jīng)過變壓器耦合之后，傳到次級(jí)然后沿著220 V高壓線路侵入室內(nèi)的電源設(shè)備；直擊雷除了在高壓線路上耦合也會(huì)在低壓線路上耦合產(chǎn)生過電壓；直擊雷還會(huì)擊中高壓線還會(huì)擊中變壓器，到室內(nèi)的低壓線路，也產(chǎn)生過電壓，造成氣象站的嚴(yán)重的損壞。

因此，防止雷電波從電源線入侵自動(dòng)氣象站是很迫切的，必須嚴(yán)格規(guī)范氣象站的供電系統(tǒng)。一方面，值班室的供電系統(tǒng)必須規(guī)范，自動(dòng)站的設(shè)備、輔助設(shè)備及照明設(shè)備必須采用相互獨(dú)立的供電系統(tǒng)，自動(dòng)氣象站的設(shè)備必須采用單相專線從進(jìn)用戶配電盤進(jìn)行供電；另一方面，總電源線的進(jìn)戶前端，后端都必須裝配總的電源避雷器，然后避雷器還要與防雷地網(wǎng)做可靠的電氣連接。

2.2 雷電波從傳感器通道入侵時(shí)的防御方法

氣象傳感器安裝在空曠的室外觀測(cè)場(chǎng)中，當(dāng)氣象站周圍空曠區(qū)雷電防護(hù)不好時(shí)，設(shè)置在高于地面10.5米的風(fēng)桿就是雷擊的首要目標(biāo)，風(fēng)干被擊中，風(fēng)速和風(fēng)向傳感器最易被損壞。雷電的過電壓太大，可能會(huì)擊穿地面的土壤，這樣一個(gè)是會(huì)導(dǎo)致埋在地下的地溫傳感器被損壞，還有就是傳感器與采集器之間的電纜絕緣層也可能被擊穿，瞬間的過電壓就會(huì)沿著通信線直接入侵。

防止雷電波從傳感器入侵的較好的方法就是做好觀測(cè)場(chǎng)防雷地網(wǎng)與風(fēng)向風(fēng)速傳感器安裝的避雷器的電氣連接，還要保證所有的傳感器的信號(hào)線均放置在接地的金屬材質(zhì)套管內(nèi)，或者是帶有金屬屏蔽層的PVC塑料套管內(nèi)，同時(shí)傳感器的信號(hào)線還要與電源線在不同的管子內(nèi)穿行。

3 自動(dòng)氣象站的綜合防雷方案

3.1 值班室和觀測(cè)場(chǎng)共同防護(hù)直擊雷

常規(guī)的建筑物防直擊雷一般是在建筑物中安裝避雷針、避雷網(wǎng)、避雷帶或者將它們混合組成接閃器，把建筑物頂部的板筋和內(nèi)部的柱子內(nèi)的主鋼筋作為引下線，建筑物底部的基礎(chǔ)鋼筋作為接地體，實(shí)現(xiàn)將雷電流安全的排放到大地中。還有就是避雷針的針體高度要保證觀測(cè)場(chǎng)的風(fēng)速風(fēng)向傳感器位于其保護(hù)范圍內(nèi)，同時(shí)針體可以耐受150 kA的雷電流沖擊。

觀測(cè)場(chǎng)中，風(fēng)向和風(fēng)速傳感器是安裝在11.0米高的風(fēng)桿上的，對(duì)雷擊十分敏感，因此需要在它們頂端設(shè)置避雷針，避雷針以及避雷針的引下線均不能直接與風(fēng)桿相連，必須用絕緣桿與風(fēng)桿固定，避雷針的引下線入地點(diǎn)附近要設(shè)置垂直接地體，接地體也要與觀測(cè)場(chǎng)地網(wǎng)進(jìn)行可靠的電氣連接。一般自動(dòng)氣象站的避雷針是利用直徑≥16毫米、長(zhǎng)度≥1500毫米的圓鋼制成的，水平絕緣距離≥500米。

3.2 觀測(cè)場(chǎng)地網(wǎng)的設(shè)置

觀測(cè)場(chǎng)的地網(wǎng)主要功能就是把雷電流傳輸?shù)酱蟮?。一般情況下，地網(wǎng)是沿著圍欄周圍設(shè)計(jì)為閉合的環(huán)形，接地極安裝在圍欄外以保證數(shù)據(jù)纜線與接地線之間的安全距離。觀測(cè)場(chǎng)內(nèi)所有的設(shè)備必須要與地網(wǎng)實(shí)現(xiàn)牢固的連接。還有就是觀測(cè)場(chǎng)的地網(wǎng)沿著自動(dòng)氣象站線纜地溝輻射會(huì)延伸至值班室，與值班室的采集器、計(jì)算機(jī)等設(shè)備的保護(hù)及設(shè)備的工作接地合設(shè)一個(gè)共極，輻射延伸接地體鋪設(shè)在線纜地溝的底部，埋設(shè)深度離地面至少一米，埋設(shè)完畢后要回土并且夯實(shí)被挖出的土壤。

3.3 計(jì)算機(jī)機(jī)房?jī)?nèi)部防雷系統(tǒng)

自動(dòng)氣象站的大部分室內(nèi)設(shè)備都是安裝在計(jì)算機(jī)機(jī)房?jī)?nèi)部，傳感器和采集器獲得的數(shù)據(jù)都要在這里進(jìn)行處理和存儲(chǔ)，計(jì)算機(jī)機(jī)房可以算的上是一個(gè)自動(dòng)氣象站的心臟。計(jì)算機(jī)機(jī)房的設(shè)備包括氣象站的服務(wù)器、路由器、交換機(jī)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、UPS等等。在計(jì)算機(jī)機(jī)房中要進(jìn)行等電位連接，等電位連接配設(shè)在計(jì)算機(jī)機(jī)房的配電箱中，一般采用S型星型結(jié)構(gòu)。

總而言之，自動(dòng)氣象站是一種全新的、高科技的、更加準(zhǔn)確、高效的地面自動(dòng)觀測(cè)微機(jī)處理系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)氣象數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、計(jì)算、處理。自動(dòng)氣象站的主要傳感器都安裝在室外，由于微電子裝置的微弱性，加之與市電、通信網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)系，使其極易遭受雷電侵襲。自動(dòng)氣象站的雷電防護(hù)是一項(xiàng)綜合性的工程，任何單一防護(hù)措施都不可能取得良好的效果，必須采取多方面的技術(shù)措施相結(jié)合，發(fā)揮每一項(xiàng)技術(shù)的重要作用，使內(nèi)部防護(hù)與外部防護(hù)的結(jié)合，觀測(cè)場(chǎng)與值班室相結(jié)合，用以保證自動(dòng)氣象站安全連續(xù)的穩(wěn)定工作。

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