区域自动气象站设备的防雷技术浅谈
邬洪养
（怀集县气象局，广东怀集，526400）
摘要：区域自动气象站的观测设备都是弱电设备，易受雷击（太过口语化）。本文通过调研近几年来本市内区域自动气象站常见的一些气象设备遭受雷击的实例，比照（是说比较吗？，也不能说比较，应该是根据现有的。。。。。。）有关防雷设计规范和雷电学基本原理，分析雷击原因，查找防雷的薄弱环节。重点探讨现在的区域气象自动站的风向风速传感器、数据采集设备和线路屏蔽等的雷电防护设计技术，提出了相应防雷保护技术措施，以供同行参考。
关键词：自动气象站；防雷；接地
1 引言
随着科技的进步和气象现代化的发展需要，近几年，各地按要求都建设了许多区域自动气象站（表达过于通俗）。这些自动气象站所收集的气象资料，对我省气象部门作为天气预报的第一手资料，起到了极为重要的作用，故保障这些自动气象站设备的正常运行非常重要。区域自动气象站因其观测环境条件及安全的要求，基本建于较高较空旷的建筑物天面上，测风杆（塔）则成为孤立高耸物，是最容易遭受雷击的。而供电线路又多是架空线路，通过对自动气象站安装的雷击记录式避雷器的数据统计显示，自动气象站是经常遭受到雷电波侵袭的，有的站甚至一年内多次遭受到雷电侵袭，严重的造成自动气象站设备损坏、观测中断。所以，为了保护设备的正常工作，应对自动气象站进行综合防雷考虑。（全文格式统一）
2 区域自动气象站设备的组成及工作原理
现用区域自动气象站的设备（我省基本是WP3103型，如下以之为例）主要由气象要素传感器（风向、风速、雨量、气温等）、数据采集器和电源组成。
区域自动气象站的工作原理主要是用于对风向、风速、雨量、气温等气象要素进行全天候监测的数据，通过气象要素传感器传给数据采集器，再经数据采集器处理，通过通讯方法（电话信号、GPRS移动通讯等）将这些数据传输到气象中心计算机气象数据库中，进行统计分析和处理。 3 自动气象站设备受雷害分析 3.1 直击雷
直击雷是指雷电直接击在建筑物或设备上，其破坏力是很大的，如果雷击在设备上，就能在瞬间产生很高的电压，放电后会转化为热能和机械能，使设
1 备损坏甚至摧毁。 3.2 雷电感应
当天空中有带电的雷云出现时，雷云下的地面及建筑物等，都由于静电感应的作用而带上相反的电荷，地面某些局部，例如架空导线，由于与大地间的电阻比较大，当雷击发生后，导线上的感应电荷不能在同样短的时间内消失，就会形成局部地区感应高电压。雷电流具有较大的辐值，在它周围的空间里会产生强大的变化的电磁场，处在这电磁场中的导体会感应出较大的电动势。雷电的静电感应和电磁感应（其原理图如下图1示）会使自动气象站的部分弱电设备由于过电压入侵而遭受损坏。
图1雷电感应原理图
3.3 雷电波侵入
是由于直击雷或间接雷从输电线、通信线缆、网络线、无线电天线等金属的引入线侵入室内, 危及人身安全或损坏设备（其原理如下图2示）。
图2雷电波侵入原理图
3.4 地电位反击
是指不同的两个接地体，如果其间距不够，当其中一个接地体因雷击而使
2 雷电流沿其注入大地造成电位抬升，电位达到一定临界击穿值时，将对临近的接地体放电，即反击，反击使地电位抬升（其原理如下图3示）。
图3地电位反击原理图
3.5 电磁兼容
IEC定义是指设备或系统在其电磁环境中能正常工作，并且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力（其原理图如下图4示）。
图4电磁兼容原理图
3.6 雷击个案分析
为弄清区域自动气象站设备易受雷击的原因，笔者通过对本市区域自动气象站的运作情况调查，发现被雷击损坏的主要有风向风速传感器、TDU和数据采集器模块等，下面对二个受雷击有代表性的案例作分析。
（1）某站被雷击损坏风传感器、TDU和数据采集器模块等设备。这案例根据当时现场情况分析，主要是由风铁塔的避雷针直接接闪而导致与其相连的风向风速感应器受击，使风传感器损坏的；虽然现在的自动气象站数据线做了电磁屏蔽，但由于直击雷电流较强，得不到有效的抑制，雷电波又沿数据线入侵损坏了采集器模块设备。
3 （2）另一站两次同样被雷击损坏风传感器。
这站两起雷击事件都是由风铁塔的避雷针直接接闪而导致风传感器损坏的，不同的是受雷击时的强度不同，受避雷针接闪时发生的闪击或雷电流在泄放过程中的瞬态雷电感应过电压引起的（描述不清楚）。
从以上案例可见，雷击都是由风铁塔的避雷针直接接闪而引起的。避雷针也叫引雷针，其作用在于将雷电栏截并通过事先设计好的金属装置改变雷电通道，使其不发生在需保护的物体上。若雷电流泄放不好，会对相连的导体等产生瞬态感应过电压，对弱电设备会造成损坏。 4 防雷的设计 4.1直击雷的设计
区域自动气象站因其观测环境条件的要求，多建于较高较空旷的建筑物天面上，风铁塔（高约5米左右）安装在这环境开阔的建筑物天面上，成为了雷电接闪的最佳选择，很容易遭受雷击。而安装在风铁塔上的风传感器及相连的数据采集器等设备都是弱电流设备，对强大的雷电流是十分敏感和脆弱。为此，条件可能的情况下，尽可能将避雷针系统与风铁塔的风传感部分分开，即另设置独立避雷针来栏截分流雷电流保护风铁塔及其他设备的安全。难以做到分开的，也应考虑风铁塔上的避雷针与风传感部分保持更大的安全距离，且做好雷电流引下线与风数据传输线之间的电磁屏蔽。避雷针与风铁塔的接地引下线可直接与建筑物天面防雷装置焊接，天面无防雷装置的要单独引下线接地。 4.2 雷电感应和雷电波侵入的防护
感应雷是通过与自动气象站设备连接的电源线、数据线的静电感应或电磁耦合产生的感应过电压（即瞬间高压脉冲），它直接沿这些线路侵入自动站设
4 备，使设备遭到损坏。为了防止感应雷和雷电波侵入的危害，在必要线路通道入口处安装相应的电涌保护器。这些接地要与主楼柱筋焊接时，须选取不是作防直击雷引下线的柱子；要单独引线直接与地网焊接时，要与避雷针或风铁塔的接地引下线分开（间距宜大于15米）。 4.2.1 供电系统的保护
用电供电系统基本是采用TN-S的，一般办公楼的配电房总电源处都已安装了一级SPD，这样，我们的设备电源在就近楼层电源开关作搭接，并采用二级SPD作保护：
第一级SPD：安装在搭接楼层的电源开关处，一般选用通过幅值电流20KA的SPD（8/20μs）。连接到设备的线路，有条件的最好采用铠装低压电缆。
第二级SPD：在采集器连接处安装一只幅值电流10KA（8/20μs）的防雷插座。
4.2.2 数据线路的防护
数据线路是指风向风速、雨量和温度等要素感应器传输数据到采集器的线缆（这些线缆放在天面应套管作保护）。数据线采用屏蔽线缆，应将其接地线作良好接地。为避免系统由于长的数据线缆所带来的电磁不兼容干扰，应将数据线缆与供电线缆分开敷设。（数据线仅屏蔽和接地是不够的，如果雷电击中在风杆上或者邻近雷击时，应该考虑加装合适的信号避雷器） 5 共用接地系统
区域自动气象站设备的接地系统应采用联合共用接地，即将防雷接地网、设备保护地、设备工作地等联合共用为一个接地系统，联合共用接地网的接地电阻要求不宜大于4Ω。联合共用接地可明显降低地网之间的电位差，防止地电
5 位抬升反击损坏设备。 6 结语
本文认为区域自动气象站的防雷关键要对风铁塔作防直击雷保护，设备采取综合防雷措施，就是对自动站系统进行层层设防，综合治理，坚持用“接闪、屏蔽、等电位连接、分流、限压、接地”等措施进行综合防雷。应用了上述综合防雷方法，才能尽量减少不必要的损失，确保自动气象站设备安全运行。
参考文献
[1]《建筑物防雷设计规范》GB 50057-94（2000年修订版）.[2]《气象信息系统雷击电磁脉冲防护规范》QX 3-2000.[3]《气象台站防雷技术规范》 QX 4-2000.[4]《建筑物电子信息系统防雷技术规范》 GB 50343-2004.[5] 刘欣武 《自动气象站防雷探讨》 《中国雷电与防护》2004年第一期.[6] 广东省气象计算机应用开发研究所.WP3103型自动气象站使用说明[G],广东:1997.[7] 广东省气象计算机应用开发研究所.DZZ1-2型自动气象站技术手册[G],广东:2003.
