自动气象站雷电防护技术的研究.doc

1、自动气象站雷电防护技术的研究摘要：近年来，随着科学技术的发展，自动气象站已在气象业务系统得到了广泛的应用。但由于自动站主要是由大量电子设备构成，且一般都位于地势孤立、四周相对开阔的位置，因而增加了雷击概率和风险，也影响了气象业务的正常运行。并且自动气象站对电磁干扰也特别敏感，作为自然干扰源的雷电放电可以说是自动气象站正常运行的隐形杀手，所以必须加强对于自动气象站的雷电防护技术。本文通过对自动气象站存在的隐患以及相关技术 关键词：自动气象站 雷电防护 防护措施 中图分类号：P4 文献标识码：A 文章编号： 1 引言 自动气象站是开展精细化预报所不可或缺的气象源，也是大气勘测地基系统的重要组成部分

2、之一，并且它还是使用非常广泛的地面气象勘测系统以及中小尺度的气象预报的重要勘测手段。自动气象站采集器等电子设备对电磁脉冲特别敏感，抗雷电过电压的能力脆弱.然而雷电其峰值电流大，时间短，可以瞬间产生极强的电磁脉冲，所以在实际业务运行中非常容易受到雷电损害。据陕西省气象局的统计，就 2007 年 13 个自动气象站因雷击遭到破坏，其中有 4 个特种观测设备；湖南永州气象局 2003 年 6 月由于雷击造成自动站计算机系统和测报计算机系统处于瘫痪，采集器、风自动传感器、计算机主板、打印机、MODEM 等均被打坏，损失严重。因此，预防雷电过电压损害，已成为自动气象站网络可靠性设计的重要组成部分。 2

3、自动气象站的雷击隐患 2.1 自动气象站的介绍 自动气象站用于对大气温度、相对湿度、风向、风速、雨量、气压、太阳辐射、土壤温度、土壤湿度、能见度等众多气象要素进行全天候现场监测。具有手机气象短信服务功能，可以通过多种通讯方法与气象中心计算机进行通讯，将气象数据传输到气象中心计算机气象数据库中，用于对气象数据统计分析和处理。 一般情况下气象站都安装有避雷针、避雷带来保护高大建筑物及内部工作的人员，避免被雷电击中，但是这些避雷设备却不能阻止雷电的电磁波侵入到各种气象传感器中。气象传感器遭到电磁侵袭，就可能导致整个气象站无法正常工作，然而自动气象站必须连续且安全的工作， 因此对于自动气象站的防雷是十

4、分必要的。 2.2 设备的雷击隐患 2.2.1 室外设备的雷击隐患 自动气象站的室外设备主要是各种气象要素传感器，而由于这些传感器的特殊布置环境和自身对电磁干扰敏感的特点，使其存在雷击隐患，这些隐患大致如下： （1）由于气象观测的需要，气象站的室外设备均安装在观测场内，而观测场的周围要十分开阔，不能有高大的建筑物。加之气象因素的传感器由于感知各种气象因素的需要，探头均是由敏感性很高的金属体制成，这样加大了传感器被雷击的概率。 （2)虽然最易遭受雷电袭击的风向和风速感应器均采取了一定的措施来进行保护，但若感应器的风杆遭到雷击，雷电波就会顺着风杆传向室内采集器的传输电缆线，电缆线感应电磁脉冲进而会

5、损坏室内设备。 （3)观测场的避雷针遭受雷击的瞬间会产生强大的电磁场和局部高电位，电磁场会经常安装在室外的感应器的信号电缆耦合到设备，造成设备损坏，高电位会使感应器的金属探头遭受电位反击而损坏。 2.2.2 室内设备的雷击隐患 自动气象站的室内设备主要是气压感应器、数据采集器和计算机处理系统，这些室内设备比室外设备更加脆弱，更易因电磁脉冲而损坏。雷电电磁脉冲可以通过采集器的传感线路损坏设备，也可以通过电源线路损坏电子设备，这些损坏甚至会造成整个自动气象系统的瘫痪；另外如果接地系统的接地不规范，会导致电子设备之间产生电位差，也会损坏气象站的电子设备。 3 自动气象站场室防雷技术规范 3.1 雷电

6、防护区的划分 自动气象站工作室的雷电防护区划分如图： 3.2 自动气象站场室防雷等级划分 根据安装自动气象站的台站性质、发生雷击事故的可能性和后果以及雷暴日数，将自动气象站场室的雷电防护等级分为三级。 （1）遇有下列情况之一时，自动气象站场室防雷等级应划分为一级。a）国家基准气候站、大气本底站； b）地处平均雷暴日大于（含）30d/a（d/a：天/年）的国家基本气象站； c）地处平均雷暴日大于（含）80d/a 的一般气象站以及其他场所； （2）遇有下列情况之一时，自动气象站场室防雷等级应划分为二级。a）地处平均雷暴日小于 30d/a 国家基本气象站； b）地处平均雷暴日大于（含）40d/a 且

7、小于 80d/a 的一般气象站和其他场所； （3）除一级和二级防雷自动气象站场室以外的自动气象站场室，均应划为三级防雷自动气象站场室。 4 自动气象站的防雷措施 4.1 雷电波从电源线和传感器入侵时的防御方法 雷电波从电源线入侵的概率比从其他途径入侵自动气象站的概率都大，因此，防止雷电波从电源线入侵自动气象站是很迫切的，必须严格规范气象站的供电系统。 一方面，值班室的供电系统必须规范，自动站的设备、辅助设备及照明设备必须采用相互独立的供电系统，自动气象站的设备必须采用单相专线从进用户配电盘进行供电； 另一方面，总电源线的进户前端，后端都必须装配总的电源避雷器，然后避雷器还要与防雷地网做可靠的电

8、气连接。 4.2 雷电波从传感器通道入侵时的防御方法 气象传感器安装在空旷的室外观测场中，当气象站周围空旷区雷电防护不好时，设置在高于地面 10.5 米的风杆就是雷击的首要目标，风干被击中，风速和风向传感器最易被损坏。雷电的过电压太大，可能会击穿地面的土壤，这样一个是会导致埋在地下的地温传感器被损坏，还有就是传感器与采集器之间的电缆绝缘层也可能被击穿，瞬间的过电压就会沿着通信线直接入侵。 防止雷电波从传感器入侵的较好的方法就是做好观测场防雷地网与风向风速传感器安装的避雷器的电气连接，还要保证所有的传感器的信号线均放置在接地的金属材质套管内，或者是带有金属屏蔽层的 PVC 塑料套管内，同时传感器

9、的信号线还要与电源线在不同的管子内穿行。 4.3 自动气象站的综合防雷方案 4.3.1 值班室和观测场共同防护直击雷 常规的建筑物防止击雷一般都是在建筑物中安装避雷针、避雷网、避雷带或者将它们混合组成接闪器，把建筑物顶部的板筋和内部的柱子内的主钢筋作为引下线，建筑物底部的基础钢筋作为接地体，实现将雷电流安全的排放到大地中。观测场中，风向和风速传感器是安装在110 米高的风杆上的，对雷击十分敏感，因此需要在它们顶端设置避雷针，避雷针以及避雷针的引下线均不可直接与风杆相连，必须用绝缘杆与风杆固定，避雷针的引下线入地点附近要设置垂直接地体，接地体也要与观测场地网进行可靠的电气连接。一般自动气象站的避

10、雷针是利用直径l6 毫米、长度1500 毫米的圆钢制成的，水平绝缘距离500 米。4.3.2 观测场地网的设置 观测场内所有的设备必须要与地网实现牢固的连接。观测场的地网主要功能就是把雷电流传输到大地。一般情况下，地网是沿着围栏周围设计为闭合的环形，接地极安装在围栏外以保证数据缆线与接地线之间的安全距离。观测场的地网应沿着自动气象站线缆地沟辐射延伸至值班室，与值班室的采集器、计算机等设备的保护及设备的工作接地合设一个共极，辐射延伸接地体铺设在线缆地沟的底部，埋设深度离地面至少一米，埋设完毕后要回土并且夯实被挖出的土壤。 4.3.3 计算机机房内部防雷系统 自动气象站的绝大多数室内设备都是安装在

11、计算机机房内部，传感器和采集器获得的数据都要在这里进行处理和存储，计算机机房可以说是一个自动气象站的心脏。计算机机房的设备包括气象站的服务器、交换机、视频监控系统、UPS 等等。在计算机机房中要进行等电位连接，等电位连接配设在计算机机房的配电箱中，一般采用 s 型星型结构。 总而言之，自动气象站的雷电防护是一项综合性的工程，任何单一防护措施都不可能取得良好的效果，必须采取多方面的技术措施相结合，发挥每一项技术的重要作用，使内部防护与外部防护的结合，观测场与值班室相结合，用以保证自动气象站安全连续的稳定工作。 参考文献 1中国气象局.气象台（站）防裂技术规范M.北京，2000 2钱彬等物联网技术在智能电网中的应用J.新材料产业，2010，2 4金志刚等物联网让电网更智能J.河北省科学院学报，201 1，28