线缆屏蔽对地面气象观测场仪器雷电影响分析

线缆屏蔽对地面气象观测场仪器雷电影响分析

胡晋 ,宋敏 ,陶海舰

（黄冈市气象局  黄冈    4380000）

摘要：文章结合调查的10个气象台(站)共计13次观测场雷击故障特征和线缆均未有效屏蔽的隐患共性，经过计算分析，当连接风塔传感器线缆未采用金属管（槽）屏蔽且线缆屏蔽层悬浮时，可产生线缆被击穿等4种形式的危害，闪电电涌可以从主采开始直至侵入值班室；当地沟线缆出现调查中发现的几种未有效屏蔽形式时，可能产生接线端口短路、电涌保护器（SPD）失效和地电反击等现象。最后，采用举例方式提供风塔线缆双重屏蔽改造方案。

关键词：气象观测场；雷电防护；线缆屏蔽

引言：地面气象观测场（以下简称观测场）选址四周空旷，地势相对较高。观测场内安装各类气象要素传感器、采集器和串口服务器等弱电设备；敷设有交、直流电源，光缆（纤）和金属数据线路。地处偏远的观测场还存在架空输电线路距离远、跨度大等难以规避的雷击风险。

调查统计湖北黄冈10个气象台（站）观测场，2015至2021年共计发生雷击故障13次，每次都会造成单项或多项气象要素缺测，设备毁损，其中，毁损设备集中于主采集器（以下简称主采）和串口服务器。在采取等电位连接改造、防雷器件更换和接地装置降阻等措施后，雷击故障总量虽然逐年减少，但每年仍有发生。

每次雷击故障发生后，我们会拆解故障设备进行现场勘验分析，在击损通信控制模块、电源控制器、数据采集器等器件的同时，几乎每次会在连接传感器或电源的线路端口找到因大电流烧灼的痕迹，而被击损设备上安装的SPD模块，13次故障只有2次前端空气断路器（空开）跳闸，SPD接地端口剩磁测试有雷击泄流迹象，其它11次SPD均无启动特征。多次故障发生时SPD未启动，表明设备和所连接线缆并非遭受直击雷所形成的闪电电涌，而是由闪电感应造成。线缆屏蔽是减少或避免闪电感应危害的基本措施。

1 观测场线缆屏蔽与布线

1.1  观测场内砖砌深度0.5m、宽度0.35m地沟，电源和信号线缆分开从铝合金型材（镀锌板、不锈钢板）线槽沿桥架敷设，地沟顶板采用大理石或水泥板，角钢镶框，沟内还安装等电位连接带。地沟空间构成LPZ1区域。

1.2 按照中国气象局《地面气象观测场规范化建设图册》规划设计，观测场仪器设备用电由值班室UPS配送；路灯、施工电源由市政电力线路配送。输入电源全部引入观测场配电箱，再分配至串口服务器和主采等设备。

1.3 信号线路由值班室光缆连接串口服务器。日照、天脸、降水现象仪等要素设备通过RS232接口或CAN总线外挂串口服务器（连接线均为金属线）。其它要素传感器线缆连接主采再连接至串口服务器，连接方式为RS232或CAN形式。

2  常见未有效屏蔽的几种现象

2.1  主采连接风塔的信号电缆未有效屏蔽。典型方式是主采引出的电缆埋地（2m左右）至风塔基座，再穿 PVC线管至塔顶平台，电缆裸线从平台连接到风传感器（2m左右）。信号电缆采用金属编织网屏蔽层，首（主采）、末（传感器）两端采用螺母紧压方式连接设备外接口。安装于平台的风向标、风杯和传感器均位于LPZOB区，且采用绝缘螺栓固定于平台，由此，信号电缆末端屏蔽层未接地（悬浮）,首端屏蔽层通过螺母连接主采机箱接地端子板，存在屏蔽线与信号线（芯线）绝缘层无安全间隙。调查黄冈市10个气象台（站）风塔线缆布置，形式基本相同。

2.2 地沟敷设的线缆未有效屏蔽。主要存在以下形式：

1）线缆采用PVC线槽而非金属线槽敷设；

2）金属线槽首末两端或一端未接地或未形成电气导通；

3）数据传输线屏蔽层接地由设备机箱内接地端子转接至箱外接地端子再转接至地沟等电位连接带，造成断路或接触不良。

3  影响分析

3.1  连接风塔线缆屏蔽悬浮可产生的风险

3.1.1雷电反击。当闪击直击于风塔接闪杆时，接闪杆专设引下线对大地具有极高电位，由于风传感器和信号线缆与其处于绝缘状态，两者之间有巨大电位差，因而存在反击风险。当击穿电缆绝缘层和处于悬浮状况的屏蔽层后，电缆芯线与接闪杆引下线电位相近。举例计算：

                                     （1）

式中：—与风传感器等高的接闪杆处的电压，KV；

I—雷电流，取二级气象站，首次正极性雷击，取值100KA；

—冲击接地电阻，取值4Ω；

   Lo—单位长度电感，取值1.55μH/m；

L—引下线长度，取值11m；

—雷电流陡度，取幅值100KA，波头时间，取值10μs；

＝570.5（KV）

判断能否击穿屏蔽层和空气间隙，采用公式（2）计算：

E·S≥U                                          （2）式中：E—介质闪络强度，取空气击穿强度，取值500KV/m；连接风传感器线缆绝缘击穿强度，

取值100KV；

         S—绝缘间隙，取接闪杆距风传感器或信号线缆距离，取值0.7m；

         E·S＝420（KV），小于同高度接闪杆雷击时的电压。

由此可见，当接闪杆出现正级性100KA闪击，风塔平台至风传感器连接线缆为裸线，且电缆屏蔽层悬浮时，传感器和连接信号线缆存在击穿风险。

3.1.2 闪电感应。由于风传感器连接主采屏蔽线缆仅一端接地，在雷暴云与地面构成的电场中，静电感应产生的电荷聚集于屏蔽层，对信号芯线形成静电屏蔽，屏蔽层感应电荷只需一端接地就可向地面释放和中和。当闪击风塔接闪杆时，瞬变的磁场使屏蔽层和芯线产生感应电流，由于屏蔽层在末端未作等电位连接，没有构成导体回路，所以不能产生抵消源磁场强度的磁通，感应电流会沿芯线侵入主采。

对于闪击风塔可产生闪电感应的危害，引用某大楼实测数据例证：楼顶加621V冲击电流，楼内长80m的SYV—75型同轴电缆外屏蔽层不接地时，干扰电压（感应电压）达114V（换算成50KA冲击电流时应为918V）；外屏蔽层两端接地后干扰电压小于1V（换算成50KA冲击电流时小于8.1V），两者相差超过百倍。

3.1.3 闪电电涌。由线缆屏蔽状况判断，引入闪电电涌的一种形式是当雷电反击并击穿表层绝缘和悬浮屏蔽层后，公式（1）计算出的数百KV直击雷分流量。就算是未击穿屏蔽层，由于线缆屏蔽层首、末两端的屏蔽线（铜丝）紧靠芯线的绝缘层，由屏蔽层引入的高电位也会击穿绝缘层后击损主采或风传感器，并且还会沿电源和信号线路侵入串口服务器、观测场内其它传感器和值班室；另一种形式是以电磁感应为主（静电感应大部分被屏蔽）的闪电感应形成的电涌，由于相对能量较弱，可能会对主采和串口服务器等敏感设备造成危害。

3.1.4 对SPD保护模式的影响。台（站）通常在值班室或附属建筑物配电装置设置第一级SPD、观测场配电箱设置第二级SPD、串口服务器和主采的电源箱内设置第三级SPD，上下游在设计上考虑了能量配合和选型差别，为了对负荷侧设备充分保护，SPD均安装于线路电源侧。但当闪击风塔时，危害源出现倒置，SPD1、SPD2和SPD3对雷电能量的释放配置也倒置，主采处于无SPD保护状态。这也是在调查中发现主采击损、保险管熔断而主采电源箱内SPD经常未启动的重要原因之一。

3.2 地沟线缆未屏蔽或屏蔽悬浮可产生的风险

3.2.1 PVC线槽（管）对电磁场无屏蔽作用，金属线槽未形成电气导通对电磁场无屏蔽效果，线缆屏蔽层一端接地线在转接中丢失时，效果与屏蔽悬浮相同。

在云地垂直磁场中，地沟内电源和信号线路构成感应环路，垂直切割磁力线。当连接主采、串口服务器的电源和信号线缆屏蔽悬浮，线槽又未形成有效屏蔽时，以主采旁地沟线缆为例，可产生的开路最大感应电压按公式（3）、环路最大短路电流按公式（4）计算：

最大感应电压：Ui=μo·b·Ɩ·H1/max/T1                            （3）

式中：Ui— 主采、传感器端口处最大感应电压（V）；

μo—真空磁导系统，4π×10-7（V·S）/（A·m）；

      b—地沟内由数据线、电源线组成的环路的宽，取值15（m）；

Ɩ —地沟内由数据线、电源线组成的环路的长，取值15（m）；

     T1—雷电流波头时间，取值10×10-6（S）；

     Hi/max—LPZ1区内最大磁场强度，（A/m）；

计算过程其它中间变量取值：

（1）Sa—雷击点与屏蔽空间之间的平均距离，取风塔顶接闪杆与主采下面地沟的距离，取值12（m）；

（2）io—最大雷电流，取二级站，首次正极性雷击，取值100（KA）；

（3）LPZ1—设地沟为LPZ1区；

（4）w—格栅形屏蔽网格宽，取地沟顶盖板预制件金属框架宽，取值0.5（m）；

（5）r—屏蔽网格导体半径，取地沟顶盖板金属框架换算值，取值4×10-5m；

Ui=37.59（V）；

     环路最大短路电流：略去导线电阻，按下式计算：

Ii=μo·b·Ɩ·H1/max/L                           （4）

式中：Ii——最大短路电流（A）；

        L——环路的自电感（H）；

        计算过程中间变量：r——环路导体半径（m），取值2×10-3（m）；    

Ii =3.84（A）

由式（3）、（4）计算可见，敷设地沟内线缆的电磁感应能量大不，几乎不可能造成相邻导线间击穿或对导线本身造成过流危害。但对于工作电流mA级的主采和串口服务器等敏感电子设备却仍能构成危害，其低电压、大电流特征，造成较为显见的现象：一是热效应，可造成线缆接线端口烧灼短路；二是故障时SPD不能启动，失去功效。

3.2.2 安装于风塔的接闪杆一般都不能对观测场全部观测设备、观测场至值班室及邻近区域提供全面防直击雷保护，加之对地闪击点存在不确定性，当对地闪击点邻近地沟地面或直击邻近地沟的杆塔且单根引下线分流（如值班室房的电杆、等电位连接和接地装置埋设处理不当的风塔等）时，闪击点或杆塔接地装置地面与邻近的地沟线缆之间存在极大的电位差，当其电位差超过土壤、电缆绝缘层等中间介质的耐压强度时，会形成放电，并且这类雷击故障因地沟线缆不易燃烧，一般难以发现。对地沟线缆的反击电压按公式（5）估算：

                                 （5）

式中：Ur—邻近闪击点电压，KV；

I—放电电流，取值100KA；

          r—地沟距闪击点距离，取值3m；

ρ—土壤电阻率，取值500Ω·m;

Ur=2654  （KV）

当采用PVC线槽敷设线缆时，线槽耐压设100KV，电源和信号线缆绝缘层耐压100KV，Ur能较轻易击穿中间绝缘介质，通过屏蔽层将高电位引入线缆两端设备端口。

当采用金属线槽屏蔽敷设时，雷电放电电弧对4mm厚度的金属板不能造成贯穿性击穿，金属线槽的屏蔽和分流对内部线缆能取到良好保护作用。

4  结束语

相对于直击雷的强电流和未衰减的强磁场，闪电感应危害程度显得要弱，文章通过计算也加以验证，如果将线缆屏蔽的作用仅限于抗闪电感应就会存在误区，因为它的另一个重要作用是分流，通过与屏蔽层连接的等电位连接带和接地线分流和降压，避免屏蔽层与芯线电位差过大造成击穿。如果屏蔽线缆外套金属线槽(管)且两端接地，不仅能构成双重屏蔽，降低电缆转移阻抗，还能提高抗机械力，避免反击。

线缆屏蔽是一种“细保护”，例如：在主采至风传感器连接线缆屏蔽层两端接地处理上，不能将屏蔽层高电位引入机盒内，更不能将屏蔽层金属网在两端接线端口处靠近芯线，使导体尖端对芯线放电，末端与风塔作等电位连接，首端接地要最短距与地沟接地装置连接。沿风塔垂直敷设的线缆应全程采用金属套管，顶端仍需与风塔作等电位连接，底端需与地沟金属线槽和接地装置连接，并对全程进行电气导通测试和接地电阻测试。每一步骤都应细致并符合电磁防护原理。

直击雷可对邻近泄流通道的导体形成反击（包含地电反击）；闪电感应较直击雷更加频繁，线缆屏蔽是对二者有效防护的重要措施之一。

参考文献：

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