自动气象站防直击雷技术的改进

1、自动气象站防直击雷技术的改进摘要：目前在风向风速杆上安装独立接闪杆做为自动气象观测场直击雷防护以及自动气象观测场设防雷接地和电子设备共用一个接地系统，这种防雷设计已经不能满足现代气象观测场对防雷安全的要求，通过防雷规范和物理分析，得出结论:观测场的接闪杆需独立设在观测场的外面，距离风向杆的垂直距离不小于3m,观测场的电子设备要在接闪杆的保护范围内，自动气象观测场设二个接地系统：防雷接地系统、电子设备接地系统（直流接地、静电接地、交流工作接地、安全保护接地）。关键词:自动气象站接闪杆接地系统随着自动气象站的投入使用，大大提高了大气探测自动化水平，自动气象站是气象业务、科研、服务实现现代化的重要基

2、础，由于自动气象站都建在空旷露天地带，四周要求无高大建筑物，并且自动气象站作为一种集合传感器、芯片、数据采集处理、数据通信等技术的自动化气象电子设备，大都采用半导体器件，这些电子设备普遍存在绝缘程度低、过电压和过电流耐受能力差、对电磁干扰敏感等弱点，即使自动气象站防雷措施符合相关标准，在运行过程中，这些电子设备也容易遭受雷电侵害。国内许多学者对自动气象站的防雷技术进行了深入细致的研究工作12。根据黄冈市及所属自动站近年来雷击事故的统计分析，可以发现雷击事故不仅与当地雷电活动时空分布特征有关，而且,自动气象站在防雷设计方面考虑不到位，如:(1)对自动气象观测场的防雷设计，大多数气象观测场是在风向

3、杆上装一支独立接闪杆做为直击雷防护；(2)整个自动气象观测场的接地装置是共用接地系统。1自动气象站防直击雷存在的问题1.1在风向杆上安装接闪杆的问题在风杆上安装接闪杆，数据线与防雷引下线处在同一磁场空间，雷电流先通过接闪杆引入，再经过引下线流入防雷接地网时，所产生的强大的雷电磁场对数据线几乎没有衰减，数据线铜丝网屏蔽层很难抑制雷击电磁脉冲。数据线与防雷引下线被金属材料隔离，虽然能够有效抑制雷击电磁脉冲，但由于数据线与防雷引下线间隔距离达不到规范要求值时，不能从根本上消除雷击电磁脉冲对数据线的影响。用防雷规范和物理原理对以下方面进行分析。数据线引起的暂态电位升高及雷电反击安装在观测场内的风感应器

4、支撑杆一般高度10m以上，风向杆上安装一支接闪杆、防雷引下线与防雷接地体构成直击雷防雷装置。当观测场出现雷电时，接闪杆几乎接收全部的雷电流，虽然数据线被风杆屏蔽，但数据线与防雷引下线由于间隔距离大约只有0.5m,会产生雷电的反击。为了防止雷击电流流过防雷接地网时所产生的高电位对被保护的建筑物或与其有联系的金属物发生反击，应使防雷装置与这些物体之间保持一定的间隔距离根据GB50057-2010第4.2.1条第五款的条文解释，引下线任意高度hx的电位U二Ur+UL=ii+L。hx/dt相应的间隔距离为：S=iRi/ER+(L。hxdi/dt)/EL式中:i为流过引下线的雷电流，按二类防雷类别取15

5、0kA;Ri为接地电阻取4Q,L0为引下线单位长度电感取1.5aHZm,hx为引下线上任意点距地面的高度，取10m;di/dt为雷电流陡度取15kA/卩雷电流波形10/350卩s)ERI阻电压降的空气击穿强度，取500kV/mEL电感电压降的空气击穿强度，当T=10s,EL=660kV/m,代入公式简化计算则风杆顶部对数据线的安全距离为Sa10.4(Ri+0.1hx)=2.0m,地下部分Se10.4Ri=1.6m,因此在风杆上安装接闪杆，对数据线不可能达到安全距离要求(标准规定3独立接闪杆和架空接闪线或网的支柱及其接地装置与被保护建筑物及其接地装置与被保护建筑物及其有联系的管道、电缆等金属物之

6、间的间隔距离按公式Sa10.4(Ri+0.1hx)、Se10.4R计算，且不得小于3m)。在数据线引起的雷击电磁感应雷电通道和防雷保护系统的导线上的雷电流，在接地系统的冲击接地电阻上产生电压降，同时，也会在建筑物内部导线形成的环路，感应出浪涌电压和电流，如图1a、b。特别是由于雷击的电磁干扰辐射，周围区域的雷击在设备环路上感应出浪涌电压和电流。脉冲磁场在回路中感应出的电压大小与回路尽寸、雷电流波头陡度以及回路与截流导体之间的距离有关：那么，单位长度的数据线上产生的感应电压：U1=0.2冶2Xn(a1+a3/a3)diC/dt式中:U1回路感应电压，kV;al、a2感应回路的宽和长,m;a3载流

7、导体与感应回路之间的距离，mdiC/dt雷电流陡度，kA/ps在ra1a2情况下4,在闭合感应回路中出现电流后，如果回路中某个部位的接触不良，则可能在此处产生严重的局部发热，如果回路中部分导体接触良好，则回路中的电阻就小，在感应过电压作用下就会产生过电流，过电流的热效也应可能会使回路传感器受到损害。1.2共用接地系统与独立接地系统的问题大部分观测场都是将电子设备接地与防雷接地共地，在雷击发生时，大部分雷电流通过接闪杆接闪，防雷引下线将雷电流引入防雷地网在地网上产生的数十千伏到数百千伏瞬时冲击电压，使电子设备内外的电位差达几十千伏到几百千伏，从而损害电子设备。雷击时暂态大电流可以通过电路的耦合对

8、电子设备形成干扰或产生地电压，另外，雷电暂态电流流过接地系统所造成的暂态高电位也能通过各种电源线、信号线和金属管道传播到距离接地系统很远且原先为零的地方，将会对电子设备和人员产生安全威胁。共用接地系统的适用范围是高层建筑物,而独立接地系统的适用范围是低层建筑物或有条件的地区民用建筑电气设计规范，两个接地系统的距离不小于20m。2防雷装置的改进2.1在观测场安装独立接闪杆因为独立接闪杆易遭雷击，先通过接闪杆把雷电流泄入大地，接闪杆与气象观测场内电子设备保持在安全距离的范围内，就不会影响到自动气象观测站内的电子设备，这种防雷设计理念已广泛应用到自动气象观测站。由于接闪器的引雷特性和接闪器保护范围的

9、有限性与不稳定性，如果观测场面积很大，为避开雷电的绕击率，就需要设计2根以上等高的独立接闪杆，来保护观测场内设备，用滚球法计算接闪杆的高度，值得注意：用独立接闪杆做为直击雷的防护前提是不能采用共用接地体,观测场的接闪杆设在观测场的外面，距离风向杆的垂直距离不小于3m。2.2观测场的接地系统将独立接闪杆的防雷接地网向观测场外延引伸，不让雷电流进入观测场内，而观测场内只需设电子设备接地网，两个接地网的距离不小于20m。电子设备地网供观测场内的电子设备接地，即观测场设二个接地系统：防雷接地系统、电子设备接地系统，在观测场内的电子设备接地网，需要铺设一个电缆沟，有电源线、信号线和接地母线三类线组成,电

10、源线、信号线需要铺设金属线槽，接地母线采用镀锌扁钢，沿着管沟进行敷设，在雷暴的多发区，不能用PVC护套管敷设电缆，用金属护套管对电缆进行双重屏蔽，把所有电子设备接地接在扁钢上，在资金充足的情况下最好采用铜排，作为观测场电子设备接地网。在接闪杆与观测场围栏之间，如果距离太近，二个接地系统接地电阻值相等，需考虑接闪杆放电。如果相距1m,接闪杆接闪时，由于地电位的反击使观测场金属围栏带高电位，围栏和观测场内设备是共用一个接地，就存在接闪杆对观测场内的电子设备进行放电，所以在独立接闪杆与观测场金属围栏之间需要用绝缘材料的填充。3结语自动气象站在风杆上直接安装接闪杆、防雷接地与电子设备接地（直流接地、静电接地、交流工作接地、安全保护接地）共用接地系统这种设计理念，是目前气象自动站遭受雷击的主要原因，笔者认为:观测场的接闪杆宜设在观测场的外面，距离风向杆的垂直距离不小于3m;观测场设二个接地系统：防雷接地系统、电子设备接地系统，两个接地网的距离不小于20m。为减少和避免雷击对自动站电子设备的危害,应结合气象自动站所在地雷电活动的规律与特征，先进行雷击风险评估,然后确定该观测站的防雷类别与防雷措施。但是，随着新的科学技术发展，自动气象站将来会应用更新型的探测电子设备，也将会对防雷措施的要求更高，今后有必要通过进