摘要：介绍自动气象站的组成结构及工作原理和雷电侵入到自动气象站系统的主要途径，通过分析某自动气象站因雷击过电压造成损坏案例，探寻具体原因和存在问题，提出屏蔽、接地、安装SPD等改进措施，使雷电对自动气象站的危害降到最低水平，对自动气象站雷电防护设施建设有一定的指导意义。

关键字：自动气象站 雷击过电压 防护措施

中图分类号：S761文献标识码： A

引言

近年来全球极端气候日益突出，重大气象灾害时有发生，给人民生命财产安全和生活带来了不小威胁和影响。然而，随着气象事业水平的不断提升，气象事业在国民经济和社会生活领域发挥了重要作用，有效减少了各类气象灾害带来的损失。为了更加准确、快捷的获得各类气象基础数据，从而进一步提升气象预报的准确率和精细化水平，自动气象站得到了逐步推广，建设规模亦逐年扩大。但是，由于自动气象站的组成部件大都采用半导体材料，这些设备普遍存在绝缘程度低，对过电流和过电压耐受能力差、抗电磁干扰能力弱的等缺点；加之自动气象站建设环境要求空旷、平坦无遮挡，使得自动气象站容易遭到雷电的危害。因此，预防雷电过电压入侵是自动气象站面临的一项重要工作。本文分析了某自动气象站遭受雷电过电压造成损坏的原因，在案例分析结果的基础上提出了具有一定针对性的自动气象站的防雷技术。

1自动气象站的结构及工作原理

自动气象站是一种能自动收集、处理、存储和传输气象信息的装置，由传感器、数据采集器、主控计算机、信号传输线缆、电源系统和打印机等组成，通过微处理器进行实时控制和采集处理气象要素。其中，室外部分有温、压、风、雨、湿等传感器，数据采集器，连接箱等；室内部分有主控计算机、打印机、电源等(见图1)。随着气象要素值的变化，各相应传感器的感应元件输出的电量也随之改变，而数据采集器通过对这种变化的采集、线性化和定量处理来实现从工程量到要素量的转换 ，再通过数据筛选对数据进行质量控制；经过预处理的气象要素通过信号传输系统传送到主控微机，并实时显示。

数据采集器通信接口采用RS-232-C标准，数字信号“1”和“0”工作电平分别为-15～-5V、5～15V。数据采集器的工作电压范围为：AC 9～18V，DC 11～24V。传感器的工作电压为4.5V，采集的信号输出范围为-2.5～2.5V。从上面的数据可以看出，自动气象站系统的主要组成部件耐压水平很低，因此极易受到雷电过电压的冲击而损坏。

图1 自动气象站的组成

2雷电流入侵的几种主要途径

从理论上分析，雷电能量传输的途径有两个，“场”和“路”。所谓“场”，指LEMP(Lightning Electromagnetic Pulse，雷击电磁脉冲)以电磁波的形式从空间传播到建筑物内部，在建筑物内部各种金属回路中产生电磁感应作用，形成感应过电压和过电流，进而导致串联在回路 中的电子设备终端被击穿损坏。所谓“路”，指雷击引起的过电压或者过电流沿各种金属线路传导进入建筑物内部，损坏与金属线路相连的电子设备终端。对于自动气象站系统而言，可能将雷电流引入到建筑物内部的金属线路主要有电源线路、数据传输线路及接地回路。

从实际情况来看，雷电流损坏自动气象站设备的途径主要有：(1)雷电的直接袭击。发生这种情况的几率在安装了避雷针的情况下比较小。(2)由于防雷系统和数据传输线之间存在高电位差，导致反击，从而使雷电流进入自动气象站系统。(3)雷击电磁脉冲对临近线路的电磁耦合干扰。

3自动气象站雷击损坏情况及原因分析

3.1自动气象站防雷设施情况

该观自动气象站位于双流县彭镇，其周边为林地，地势较空旷，周围无高大建筑和树木。自动气象站建成时防雷设施情况为 ：(1)接闪杆：利用风杆(高10m)作为支撑，在风杆水平横杆下方0.8m位置采用水平支撑杆来固定一支约1m 左右的接闪杆，接闪杆实际高度仅高于测风仪器约0.3m，水平距离约为0.5m，接闪杆与风杆绝缘。(2)引下线采用25mm多股铜芯线，沿风杆内部设置，在地面处与接地装置连接。(3)接地装置采用人工接地装置，水平接地体为40×4mm热镀锌扁钢，垂直接地体为50×50×5mm热镀锌角钢。(4)等电位连接：数据处理终端设备箱、风杆等较大金属构件采用10mm多股铜芯线进行电位连接。(5)屏蔽：未采用屏蔽方式布线，线缆均采用套PVC管埋地方式敷设。(6)电涌保护器(SPD)：未安装SPD进行保护。

3.2自动气象站雷击损坏情况

该自动气象站建于2006年，采用的是CAWS600B型设备，建站是按照建设方案进行了简单的防雷施工，但该自动气象站运行以来曾遭受多次雷击，尤其是室外接线盒内的多路选择开关芯片，多次被雷击损坏，每次都是用备份的芯片进行更换。该自动气象站遭受雷击损坏最严重的一次是2007年7月12日，观测场中的风自动传感器损坏，与风传感器共塔杆的接闪杆有明显烧灼痕迹，信号采集器、计算机主板、打印机均被击坏。这不仅给自动气象站设备造成损害，还造成了气象要素观测记录不连续，正常业务开展受到影响。

3.3原因分析

由于自动气象站系统的主要组成部件耐压水平很低，因此极易受到雷电过电压的冲击而损坏。雷电直接击中接闪器或附近，在周围空间产生强大的脉冲暂态磁场，这种空间暂态磁场除了能在宽回路中感应出过电压外，还能在由平行信号线或平行电源线感应出暂态过电压，尤其是通信设施是雷电感应过电压和雷电波入侵的重点通道。当闪电击中接闪器时，雷电流将沿着接地网络向大地中泄放，信号传输电缆与接闪杆引下线并排，极可能出现雷电流感应现象，即接闪杆在接闪后，引下线的铜芯线上瞬间通过数十kA 的雷电流，在与引下线平行的信号传输电缆上感应出较大的感应过电流，感应出的过电流传导至线缆末端的自动气象站数据处理终端，导致终端设备损坏。其次，室外的金属线缆穿PVC管敷设在电缆沟中，水平接地体与通信线缆平行敷设，当雷电流流过水平接地体时，在接地体周围产生很强的暂态电磁场，与之平行敷设的通信线路极易感应出较大过电压。线路未采用屏蔽布设也是导致雷击引起设备损坏的原因之一，裸露在雷击电磁场下的金属导线会感应出高电位差，它可能导致线路两端的设备损坏；第三，单点接地的等电位连接型式在不闭合的人工接地装置上，由于接地点位置的不同，会产生不同的电位差，这也可能导致设备在雷击时损坏；第四，电源系统中未安装电源SPD，当雷电流侵入电源系统时，可能通过电源线路侵入,造成设备损坏。

4防雷装置改进措施

4.1使用金属管对数据线缆进行屏蔽

自动气象站受雷电影响损坏的主要原因是雷电感应形成的共模和差模过电压超过了设备的耐压水平[1]，雷电流经外部防雷系统进入接地网络过程中对临近的数据传输系统产生的电磁耦合干扰是自动气象站雷电防护设计的核心，重视屏蔽措施在自动气象站防雷中的运用，使用具有高磁导率的铁质金属管对室外到室内的线缆进行完整屏蔽可以起到良好的防护效果。

4.2建立统一的接地网系统

为了充分发挥金属屏蔽管的屏蔽效能，需要建设一个良好的接地系统，使雷电流在地中均匀耗散，不会形成过大的电位梯度，防止造成接地系统和信号线缆之间的反击，同时也可以降低对信号线的电磁耦合干扰程度，根据《自动气象站场室防雷技术规范》(QX30-2004)[2]要求。应在观测场内敷设M型的地网，水平接地体可选用40*4mm的镀锌扁钢，垂直接地体可选用50*50*5mm的镀锌角钢，接地体的埋设深度需大于0.5m，连接部位保证焊接良好并有防腐措施。值班室接地应与观测场地网相互连接以形成统一的共用接地系统。

4.3安装电源避雷器

在机房配电柜和设备前段加装电源避雷器，按照《气象信息系统雷击电磁脉冲防护规范》(QX3-2000)[3]要求安装电源SPD进行防护，其中第一级安装在总配电柜上，每条相线和中性线上选用冲击电流limp不小于20 KA 或者标称放电电流ln不小于80KA ，电压保护水平不大于2.5KV的SPD；第二级安装在分配电盘上，每条相线和中性线上选用标称放电电流ln不小于15KA ，电压保护水平不大于,1.5KV的SPD；第三级安装在设备前端，每条相线和中性线上选用标称放电电流ln不小于5KA，电压保护水平不大干0.9KV的SPD。使用直流电源供电的新型自动气象站设备，应在直流电源线路上安装与设备额定电压等级相同的直流电源SPD。

5结束语

以双流某自动气象站为例，分析了自动气象站的雷电过电压入侵途径，针对该自动气象站的雷电防护提出改进措施。采用了建立统一接地网、金属管屏蔽、安装SPD等方法进行完善防雷设施。采取上述防护措施后有效地保证了自动气象站正常的工作。也为自动气象站防雷设施的改进提供参考。

参考文献

[1]施广全，王振会，屏蔽措施在自动气象站雷电防护设计中的作用[J].气象与环境科学,Nov.2008：88-91.

[3]重庆市气象局，中国气象局监测网络司，黑龙江省气象局，等．Q X 30 -2004自动气象站场室防雷技术规范[S].北京：中国标准出版社，2005.

[3]中国气象局.QX3-2000气象信息系统雷击电磁脉冲防护规范[S].2000版.北京：气象出版社，2001.