浅析自动站防雷技术

2022-09-11

雷电是不可避免的自然灾害, 地球上任何时候都有雷电在活动。因此, 了解雷电的规律, 掌握正确的预防措施和自救方法是十分必要的。雷电及其它强干扰对通信系统的致损及由此引起的后里是严重的, 雷电由高能的低频成份与极具渗透性的高频成份组成。其主要通过两种形式, 一种是通过金属管线或地线直接传导雷电致损设备;一种是闪电通道及泄流通道的雷电电磁脉冲以各种耦合方式感应到金属管线或地线产生浪涌致损设备, 绝大部分雷损由这种感应而引起。据统计, 雷电对通信设备的损害, 占通信设备损坏因素的比例高达33%, 所以自动站数据通信设备防雷已成为一项迫切工作。

目前, 克拉玛依市已经建设了18个自动气象站、2个雨量校标站, 现已投入正常的业务运行。随着后续自动气象站的增多, 无疑对综合防雷提出更高的要求。因此, 对自动气象站的综合防雷技术进行研究探讨是十分必要的。

1 雷电高电位引入自动气象站的途径以及损坏原因

1.1 自动气象站雷电高电位引入的主要途径

自动气象站雷电高电位引入的主要途径有。

(1) 直击雷直接击中架空线缆, 让高压雷电以波的形式沿着导线两边传播而引入室内。

(2) 静电感应或电磁感应, 感应出过电压, 通过线缆引入室内。

(3) 由于直击雷在房屋或房屋附近入地, 因其通过地网入地时, 在地网上会发生数十k V至数百k V的高电位, 通过引下线, 电力系统的零线、保护接地线和通信系统的地线, 也是以雷电波的形式引入室内, 并沿着导线传播到远处, 殃及更大的范围。

1.2 自动气象站仪器设备被雷击损坏的原因

(1) 雷电产生强加热效应和电动力作用使被击物体损坏。

(2) 由于静电感应和电磁感应作用, 使导体产生火花, 引起爆炸或灾害。

(3) 由于闪电或静电释放引起的电位瞬变, 通过上述几种途径侵入到网络系统中。

(4) 接地技术或等电位处理不当引起地电位反击。

(5) 瞬态电位抬高使仪器设备损坏。

2 自动气象站的综合防雷工程设计原则

现代防雷技术是多学科、多行业相互合作、协调、配合, 相互联系的一项系统工程。因此, 自动气象站的防雷也是综合各个领域防雷的一门专门技术, 它不仅需要考虑防直击雷, 还要考虑防感应雷、雷电波侵入。总的设计原则是:综合治理、层层设防、整体防御。具体来说, 主要包括外部防雷 (直击雷) 和内部防雷 (感应雷、雷电波侵入) 两个部分。

3 自动气象站的综合防雷设计方案

按照总的防雷设计原则, 自动气象站的综合防雷设计方案应从外部防雷和内部防雷两个方面入手。

3.1 外部防雷

针对自动气象站外部防雷问题, 主要依据是《建筑物防雷设计规范》GB50057-1994, 国际规范IEC1024以及相应的防雷规范和标准。根据当地雷击日数, 年预计雷击次数和建筑物的有关资料, 进行防雷分类。一般情况下, 可按照二类建筑物进行防雷设计。防直击雷接闪器一般包括避雷针、避雷带、避雷网、作接闪的金属屋面和金属构件等直接接受雷击部分。自动气象站仪器设备的避雷接闪器, 根据实际情况在房顶上安装避雷针, 避雷带或避雷网、避雷线, 也可利用风向杆作为接闪器, 但要通过滚球法计算出它的保护范围, 要符合防雷技术规范要求, 接闪器要通过引下线与地网连接。

3.2 内部防雷

内部防雷主要考虑两个部分即电源系统和信号系统。

3.2.1 电源系统

电源系统一般采用T N-S或T N-C-S系统供电方式, 要进行多级防雷保护, 防止雷电侵入造成配电系统及相关设备损坏。第一级在电源的总进线处安装一个40k A以上的电源SPD。第二级在机房配电进线至UPS之间安装一个20k A的电源SPD。第三级在采集器前端安装一个10k A的电源SPD, 在每台计算机电源与UPS之间安装插座式避雷器。

3.2.2 信号系统

电子计算机及其它信息设备损坏的主要原因是雷电感应浪涌电压造成, 它可以通过各种信号引线把感应浪涌电压波引入设备内部, 破坏其芯片和接口, 所以应在信号线之间加装信号防雷装置。同样要采用多级保护, 在各级防雷区的过渡地带安装各种信号SPD。

(1) 供电线路与信号线路电磁兼容 (EMC) , 这个问题是近年来人们一直研究的重要课题, 是我们综合防雷系统所必须解决的问题。采取的主要办法是解决两种线路之间的安全间题, 通过对两种线路进行屏蔽、接地、均压、等电位连接等综合处理, 达到减少电磁干扰的目的。

(2) 天馈线系统。天馈线系统包括采集器、数据传输线、信号线、卫星信号线。 (1) 在馈线出口处安装相应的信号避雷器。 (2) 在信号线进入设备处安装相应的避雷器。 (3) 对馈线穿金属蛇皮管进行屏蔽接地处理。

(3) 邮电通信系统。 (1) 将邮电中继线穿金属管屏蔽接地。 (2) 对信号中继线加装避雷器。

(4) 计算机网络系统。计算机网络通信一般采用宽带 (ADSL) 接入因特网的方式, 传输数据。根据不同的要求安装相应的信号避雷器, 至少进行二级保护, 并做好计算机信息系统相关设备的接地处理。

(5) 屏蔽及线缆敷设。 (1) 屏蔽。屏蔽就是用金属网、箔、壳、管等导体把需要保护的对象包围起来, 阻隔雷电的脉冲电磁场从空间入侵的通道。屏蔽是防止雷电电磁脉冲 (EMP) 辐射对电子设备影响的最有效的方法, 是减少电磁干扰的基本措施。线缆屏蔽中要注意以下几个问题。

A屏蔽管线的接地一般要求入户线在入户前应埋入地中水平距离15m以上, 并在前后两端做良好接地。

B电缆连接器的屏蔽最好把电缆屏蔽层周边与连接器周边连接起来, 实行沿周长360度的连接。

C使用金属丝编制屏蔽电缆, 金属丝编织重量轻、使用方便。缺点是当电磁频率较高时其波长接近编织层网孔尺寸时, 波的透入增加, 因此, 最好再穿一层金属管。

D光缆介质冲击穿强度约为40k V, 比同轴电缆和对称电缆 (5k A) 大得多。但光缆的金属保护层或内部加固金属芯会减弱防雷效果, 因此, 也有必要采取防雷措施, 并在光缆进入光端机之前将金属芯和保护层分开, 进行等电位连接。

(2) 线缆的敷设。

A在需要保护的空间内采用屏蔽电缆。在分开的各建筑物之间的电缆应敷设在金属管道内或混凝土管道内, 这些金属物从一端到另一端应是导电贯道, 并应接到各分开的建筑物的等电位连接带上。

B使用非金属屏蔽电缆, 入户前应穿金属管并埋入地中直接埋地长度按L≥2 (ρ) 1/2计算, 但不应小于15m。如果受条件限制无法穿金属管并地入户, 则应加长入户屏蔽管线长度, 金属管线的两端以及在雷电防护区交界面处要做等电位连接和接地。

C通信电缆以及地线的敷设应尽量集中在建筑物的中部。

D通信电缆线槽以及地线槽的敷设应尽量避免紧靠建筑物立柱或横梁, 并沿建筑物立柱或横梁敷设较长的距离。

E为防止干扰, 供电线路、信号线路、地线等应分开敷设于不同的线槽中, 它们的间距应符合GB/T50311-2000规范中的要求, 并将这些线缆, 穿于金属管内, 以实现可靠的屏蔽。

4 接地系统

自动气象站接地就是将电气设备、杆塔、构塔、构架或过电压保护装置等用接地线或接地极连接的措施, 根据其作用可分为功能性接地和保护性接地两类, 包括工作接地、保护接地、过电压接地、防静电接地、屏蔽接地等。自动站接地系统应采用共同地网, 单点接地方式, 接地电阻应小于1Ω。所有的接地线应通过汇流排引至共用接地系统, 系统的保护接地和工作接地宜分别单独引至共用地网, 接地引下线长度要小于50m, 截面积不小于35mm2, 与防直击雷引下线的间距不应小于5m。接地体可利用建筑物四周埋设的人工垂直接地体和水平环型接地体, 接地体的冲击接地电阻应小于1Ω。

5 结语

自动气象站的综合防雷是综合各个领域防雷的一门专门技术, 它不仅要考虑防直击雷装置, 更要考虑到感应雷、雷电波入侵的防护。它牵涉面广, 技术性强, 要求防雷技术人员必须熟练掌握各种防雷规范和标准, 应用各种先进的防雷技术。在设计时, 必须认真仔细勘察所处的地理环境条件, 全面了解自动气象站各部分设备的技术参数, 根据需要, 采用分流、均压、屏蔽、搭接、接地等保护措施进行综合治理, 层层设防, 提出一个合理的、完善的综合防雷设计方案, 严格按照设计方案的要求, 采购合格的防雷设备和材料, 进行严格施工、监督和管理, 就能使综合防雷系统达到令人满意的防雷效果。

摘要：地面测报业务是气象工作的基础, 随着气象工作现代化建设不断进行, 自动站测报业务现已占主导地位。如何保证原始资料准确无误, 保障自动站设备的正常运转至关重要, 所以自动站防雷工作是必不可少的。本文根据自动气象站自身特点, 分析了雷电高电位引入自动气象站的途径以及主要损坏原因, 并提出了自动气象站系统防雷的方法及具体措施。

关键词：自动站,高电位引入,防雷设计,信号系统,接地系统