自动气象站的雷电及过电压防护

自动气象站的雷电及过电压防护

李丹

李丹

洛阳市气象局防雷中心河南洛阳471000

[摘要]文章从自动气象站遭雷电干扰和入侵通道入手，对自动气象站存在的雷电隐患进行分析，提出自动气象站雷电过电压防护措施。

[关键词]自动气象站；雷电防护；过电压

引言：随着气象事业的不断进步发展，自动气象站的投入使用逐步取代了传统的常规气象观测仪器，使我国气象事业走向新的历程。自动气象站是一种能自动观测和存储气象观测数据的设备，应用于各个行业的多个领域，主要由传感器、采集器、通讯接口、系统电源等组成，设备结构复杂精密，都是采用高科技电子产品等，为用户提供多时空分布、实时监测的精确信息，虽然自动气象站均有安装避雷防护装置，但各类气象传感器却没有抵御外界电磁干扰的能力，再加上自动气象站的使用环境要求在室外、空旷的地带，气象站测桅杆在旷野孤立高耸等，种种条件因素给雷电产生的过电压提供了入侵通道，因此雷电防御也成为自动气象站的重要组成部分。

1：自动气象站雷电干扰和入侵途径

1.1雷电干扰源

现代化自动气象站监测系统都是采用大量高科技电子元器件组成的电气设备，这些电子元器件有机组合在一起，形成了微电子的系统设备。气象站系统的电子设备对外界电磁干扰十分敏感，电磁干扰一般分为人为干扰和自然干扰两种干扰源，人为干扰包括断路器、电力系统等产生的过电压以及来自通信网络的高频电磁干扰等，这种人为的电磁干扰使用现代化防御技术能够很好地被控制，不会给社会造成重大影响损失；自然干扰包括雷电、射线及其他自然界的干扰等，这种自然界的电磁干扰比较严重。其中雷电发生时产生的放电和过电压产生的危害最大，成为主要的干扰源。雷电产生过电压危害的主要来源有两种形式，直击雷和感应雷，其中直击雷能击中自动站的可能性较小，在工作中采用一般的避雷网或者避雷针都可以对自动站进行有效地保护，但是感应雷所产生的危害就比较大，针对此情况，应该采用综合性措施进行防护工作。

1.2雷电入侵通道

1.21自动气象站的结构工作原理

自动气象站的类型有多种，但其结构组成基本一致，主要由传感器、采集器、系统电源、通信接口及外围设备（计算机、打印机）等组成。系统软件还包括采集软件和地面测报业务软件。传感器把观测到的气象要素转换成信号输出；采集器是自动站的核心组件，由接口电路、处理器和存储器等软件组成，工作效率较高，主要对观测到的数据进行采样、存储、传输等；系统电源是提供所有设备仪器工作的前提；通讯接口用于各数据之间的传输通道。

1.22雷电对气象站的入侵途径

雷电入侵气象站的方式可以有多种，其中主要以两种形式侵入：传导耦合和辐射耦合，通过这两种形式将雷电过电压输送到自动气象站，导致气象站的系统设备不能正常运行甚至损坏。自动气象站的组成线路通道复杂多样成为雷电入侵的主要途径，各电源线、连接部件之间的通道和网络的通信电路等，自动气象站的电源是由低压线进行电力传输，需要引入电源至室内，线路受雷击容易出现破损，雷电的过电压沿着电力配置路线进行感染传播，所以以电源线的方式入侵较严重。雷暴天气，雷电产生的强大雷电流击到建筑物，电流通过物体传入大地，通过入侵到自动气象站的传感器或采集器等通信线路，造成设备故障或毁坏；还可能穿击网络线或传感器到采集器之间电缆线路的绝缘层，使瞬态过电压沿线路侵入；若通信线路遇到感应雷袭击，则会感应出数千伏过电压并通过线路入侵，致使设备受损。

1.23等电位反击入侵

自动站受雷击需要保护的区间在国际防雷会议上被划分为0区、1区和2区，0区和1区处可采用避雷针（网），当避雷针接闪，自动站与引下线处绝缘距离短缺时，强大的雷电流无处被引导、分流，泄入地面对自动站产生数万伏的反击电压，导致自动站观测仪器和设备失灵或毁坏。

2：自动气象站设备存在的雷击隐患

自动气象站的组成设备大多在室外安装运行，计算机设备安装在室内，但其之间通过信号电缆相连。受室外设备环境和自身特性的影响，自动站受雷电的破坏性最大，常见的自动站防雷措施主要包括直击雷防护措施和感应雷防护措施，直击雷和感应雷都会在低压线路上产生过电压，破坏电源线路，进而攻击设备仪器。

2.1自动气象站室外设备隐患

自动站传感器为了提高其灵敏度和获得观测信息的精确度都是安装在空旷的观测场内，因而暴露在外，尤其风向风速传感器，安装在风杆顶端，观测探头属金属体，对周围电磁干扰敏感度极高，遇到雷电经过，很容易成为雷击目标。观测场的避雷针遭雷击时产生强大暂态电磁场，经温湿度、蒸发、地温传感器等信号电缆电磁耦合到设备，造成设备受损。

2.2室内设备存在雷击隐患

自动气象站室内设备有计算机、感应器和采集器，很容易受电磁感应的影响。雷电的静感应和电磁感应的高压脉冲在通信线路上感应出强大过电压，可以在极短时间内产生强大电压，造成观测系统瘫痪、电子设备损坏现象。如果室内防雷存在不规范接地，会造成各电子之间有电位差，超过一定差值，会对电子设备造成不同程度影响。

3：自动气象站雷电过电压防护措施

自动气象站雷电及过电压的综合防护技术一般采用接地、屏蔽、分流、均压等形式防护措施。

3.1接地

接地可分为交流电源接地、直流工作接地等多种安全接地方式，运行方式分别为共地和分地运行，是雷电防护的基础，接地装置效果的好坏直接决定整套防雷系统的防护效果。经分析，采用共地运行可以减少雷电反击。一般情况下，把气象站的多处通信接地、电源接地、感应器和采集器接地采用统一单点接地与防雷系统接地分开，防止低频杂散电流的干扰。

3.2屏蔽

屏蔽防护是使用金属网、通道等导体将外界电磁干扰阻断，保护需要保护的目标。自动站室外电缆，比如：采集器、感应器和计算机之间的传输通讯，大多暴漏在外面，易采用全面屏蔽的措施进行保护，使用多点接地。自动气象站周围雷电多发区，可在电缆上方大约30厘米处，建立与电缆相互平行的接地金属导体，作为接闪器。与电源相连的低压电源线可使用金属管低下敷设并将屏蔽层接地，这样才能有效阻断雷电感应产生的过电压。

3.3分流

分流就是在电源线及有关通信线路等可入侵通道相连之间并联一个避雷器或安装浪涌保护器等，降低雷电产生的过电压对自动气象站的破坏，防止雷电从线路流入室内造成的严重后果。

3.4均压

均压在防雷装置中与接地装置是相互配合使用的，尽量使用粗短的导线把各设备及雷电流可能入侵的部位连接起来，对于自动气象站，可将室外的传感器、采集器等各种接地与观测场避雷针的防雷装置连接到统一接地母线上，然后将室内各设备之间通过放电管连接，观测场与室内机房较远时，建立统一共用接地，使连接体各电压均衡，确保雷击时可以正常断开。

参考文献

[1]甘祥银金立军陈丽红自动气象站雷电过电压防护1001-1609（2004）05-0352-03

[2]刘艳李祥超自动气象站雷电过电压的防护措施气象教育与科技2008-84

[3]于红岭浅议自动气象站雷电防护设计科学之友1000-8136（2011）06-0027-02

[4]吴明江牛萍自动气象站雷电防护分析与探讨气象水文海洋1006-009x(2010)02-0099-04