做好自动气象站雷电防御工作的思考

2022-09-10

在雷雨多发的季节, 做好自动气象站的雷电防御工作成为重中之重。目前, 自动站的主要雷电灾害包括有直击雷与雷击电磁脉冲等, 尽管在多数气象站都设置有避雷带 (针) 等直击雷的防御措施, 能够对建筑物及自动站内部工作人员的人身安全起到有效的保护作用, 但是对于温湿度传感器、地温传感器等而言, 现有的防雷措施根本不能对雷击电磁脉冲起到有效的阻止[1]。一旦遭受雷电袭击, 传感器、计算机等都可能会遭到损坏, 使正常运行的业务中断。然而数据的采集、处理与上传等一系列操作都必须确保自动站的安全、连续运行。但是, 雷电灾害的发生严重威胁了其安全、正常运行, 因此做好自动气象站雷电防御工作极为迫切[2]。

1 自动气象站介绍及存在的雷击隐患

1.1 自动气象站介绍

自动气象站包含有使用计算机对数据进行处理、数据自动采集、数据储存、传输与通信等多种技术, 是一种具有较强综合性的电子电气设备系统。通常情况下, 完整的自动站包含有计算机处理系统、数据采集器与温湿度、风向风速、地温和雨量等气象要素传感器等主要部分。计算机系统与数据采集器多安装在室内, 而传感器多在室外相对空旷的位置处安装。

1.2 室内设备的雷击隐患

自动站的室内设备主要由计算机处理系统、数据采集器与气压感应器等几部分组成。与室外设备相比, 以上室内设备更容易受到电磁脉冲的影响而遭到损坏。雷电电磁脉冲往往通过采集器的传感线路对室内设备造成一定程度的损坏, 有时也会通过电源线路对电子设备造成损坏, 严重情况下还会导致整个系统陷入瘫痪。若接地系统不能够规范的接地也会使电子设备之间存在电位差, 进而对其造成损坏。

1.3 室外设备的雷击隐患

室外设备主要包括有温湿度、风向风速、地温等各种各样的气象要素传感器, 由于传感器多分布于特殊的环境条件下, 再加上其本身对于电磁干扰的敏感性, 导致传感器遭受雷击的可能性大大增加。室外设备存在的安全隐患主要包括以下几点。 (1) 受到气象观测条件的制约, 室外设备都在观测场内安装, 但观测场都处于开阔区域, 周围不能有高大的建筑物。另外, 由于气象要素传感器感知气象要素的需要, 探头都是由金属制成, 且具有极高的敏感性, 导致传感器遭受雷击的概率大大增加。 (2) 在各种气象要素传感器中, 风向风速传感器遭受雷击概率最高, 自动站通过将避雷针安装在风杆上, 或者将风向风速传感器安装在避雷针的保护范围之内等措施对其进行保护, 一旦雷电袭击感应器上的风杆, 雷电产生的雷电波将会沿着风杆快速传往室内采集器的传输电缆线, 进而对室内设备造成一定的损坏。 (3) 雷电在袭击观测场避雷针的瞬间会有局部高电位与较强的电磁场产生, 经过在室外安装的感应器的信号电缆电磁场会耦合到设备, 进而损坏设备;局部的高电位导致感应器的金属探头由于受到电位反击而被损坏。

由雷电产生的电磁干扰主要通过辐射耦合与传导耦合2种方式传输到自动站, 导致其遭受损坏, 进而无法正常运行。通常雷电除了通过阻性耦合影响的反击电压对自动站入侵之外, 还能够通过电源线、网络通信线路、主控微机与采集器之间的通道等入侵自动站。通常雷电入侵自动站的方式有2种:一是通过供电线路侵入自动站, 二是通过通信线路造成入侵。

2 自动气象站雷电防御工作存在的问题

2.1 观测场地避雷针的保护范围不合格

在观测场地安装雷电防御设备时, 必须要邀请专业人员对避雷针的有效保护范围进行计算与研究, 以确保观测设备能够位于避雷针的保护范围之内。但实际上, 观测场地避雷针的保护范围往往出现与实际标准不相符合的现象, 部分设备并未处于避雷针的有效保护范围之内。因此, 导致设备遭受雷击的概率有所增加。

2.2 避雷网、避雷带的不合理安装

安装避雷带能够有效防止自动气象站受到直击雷的入侵, 但只有正确地对避雷带进行敷设才能最大程度的发挥避雷针的功效。在敷设避雷带的过程中通常会出现没有以防雷等级为依据选择规格较为适宜的避雷网格, 进而导致防雷达不到预期的效果。

2.3 通讯系统没有设置避雷装置

避雷器能够将雷击产生的雷电流有效放大, 并在断路器采取动作之前快速泄调经过的雷电流, 进而对电路及后端用电设备起到一定的保护作用。自动气象站中的电路设备一旦遭受雷击将会导致雷击事故的发生概率大大增加。因此, 通讯系统未设置有效的避雷装置将会对自动站的安全性造成严重威胁。

2.4 风杆上避雷针、引下线与风向风速信号线的布设不够规范

一些自动气象站为了追求信号线的外观布设美观, 在风杆金属管内将风杆避雷针引下线与风向风速信号线并行引下, 这一做法与相关的规范要求不相符合, 由于风向风速信号线使用的电缆通常都带有屏蔽层, 导致避雷针在接闪之后将会屏蔽由雷击产生的全部电磁脉冲, 采集器不能忍受信号线上感应出的高压而无法正常运行, 甚至还会损坏采集器。

3 做好自动气象站雷电防御工作的对策

3.1 单独安装避雷针

设计单独避雷针能够很大程度防止接闪雷击对传输线与风传感器产生一定程度的影响。在对防雷器进行整改之后可以单独在其上方设置避雷针, 通常高度设为16m最为适宜。为了确保金属管与避雷针在做好等电位连接之后能够在观测场地共同存在, 往往使用滚球法对避雷针的有效保护范围进行计算, 以保证观测场地内的所有设备都处于避雷针的有效保护范围之内。

3.2 合理的设置信号线与引下线

就传感器的信号线缆而言, 需要选择带有接地装置的金属管, 并且其内外皮都必须有金属屏蔽层的PVC套管。此外, 必须安装好接闪器, 在安装避雷针引下线、电源线与信号线时必须分管穿行, 禁止并管引入, 以避免引下线上产生的雷电流对电源线或信号线产生一定的反击作用。

3.3 做好接地防护

良好的接地能够对直击雷与感应雷等进行有效防护, 通过接地能够将雷击产生的雷电流泄放入大地。以自动气象站中弱电子设备具备的特性为依据, 制定较高的防雷标准, 通常接地电阻值要以低于4Ω为最为适宜。以自动气象站管线布线的实际情况为依据, 使地网围绕观测场地一周, 并顺着管道对接地体进行安装, 并预留出充足的接地端子。如果降低电阻不能够降至小于4Ω, 则需要采取有效的降阻措施, 之后再将自动气象站内部全部防雷装置做共用接地连接处理, 以起到良好的雷电防御作用。

摘要：紧紧围绕自动气象站的雷电防御, 首先对自动站进行简要介绍, 并从室内与室外设备两个角度分析自动气象站存在的雷击隐患, 结合实际状况针对自动站雷电防御工作中存在的问题进行探讨, 提出做好自动气象站雷电防御工作的几点对策, 以确保自动站的安全、正常运行。

关键词：自动气象站,雷电隐患,雷电防御