自动气象站的防雷与接地技术

摘要 随着人工气象观测设备的逐步淘汰，自动气象站已成采集各种气象要素的主体设备。为保障自动气象站的安全正常运行，应做好日常维护工作，特别是正确认识防雷与接地工作的必要性。文中针对防雷接地系统进行了论述，并在实际应用中获得了成效，同时提出了使用要求。
关键词 自动气象站；防雷与接地；自动化系统

    自动气象站，是一套自动化程度高、数据采集精度高的监测系统。该系统从各种数据的采集到合成运算、数据存储、数据传速，大量运用了微电子技术。由于设备电路的精密集成度高，且工作于室外，甚至工作于恶劣的环境条件下。而近年来气候环境恶化、天气变化反复无常、雷电灾害也呈逐年上升趋势。从而造成我国自动气象站每年因雷击、雷电电磁脉冲入侵、操作过电压等因素的影响造成故障频发，严重影响了各种气象要素的正常采集。由于感应雷电及雷电电磁脉冲的入侵易损坏相应的电子设施，加之设备自身电缆馈线的裸露，感应雷击的危害明显增加，仅靠避雷针已远不能满足自动气象站的防雷实际需求。因此，需做好系统接地工作和对台站设备实施综合防雷工程。

1 接地系统
    用于自动气象站的防雷工程务必做好系统接地，即：连线坚固、地网可靠、泄流畅通。总之，在一个工作区域内，尽量将值班室内的计算机、采集器、配电柜、通讯机柜及通信电缆等统筹考虑，按均压、等电位的原理将工作地、保护地和防雷地组成一个联合接地网，台站内各类接地线应从接地汇集线或接地网上分别引入，扩大地网范围，增强整体防雷能力。
    “接地”是避雷技术中的重要环节，无论直击雷、感应雷或其他形式的雷，都将通过接地装置导入大地。因此，没有合理而良好的接地装置，就不能有效地进行防雷。从避雷的角度讲，把接闪器与大地做良好电气连接的装置称为接地装置。接地装置的作用是把雷电对接闪器闪击的电荷尽快泄放到大地，使其与大地的异种电荷中和。
1．1 地网的设计
    对于室外气象观测场，地网采用闭合环形较好如图1所示。气象观测场大小为25 m×25 m，考虑到施工方便，环行地网应设计为26 m×26 m为宜。四角各设垂直接地体一根，四边各增设4～5根，垂直接地体长度为2．0～2．5 m，垂直接地体的间距为自身长度的1．5～2倍。水平接地体与垂直接地体相交的焊接点应做防腐处理。接地体埋设深度应≥600 mm。观测场接地电阻要求：公频接地电阻应≤4 Ω，对于采用组合单环水平接地方式仍不能满足要求的场地，可采用多根环行水平接地体或增加辐射式延伸接地体，延伸接地体长度应限制在10～30 m。在铺设地网的同时，应根据观测场内地面设备接地的位置，将引下线预先由地网引出。既要考虑设备就近接地，又要兼顾环行地网引下线的均匀分布。

    自动气象站场、室宜采用共用接地系统。该接地系统由工作室地网与室外观测场地网共同组成，如图1所示，两地网间的连接应使用组合式接地体进行连接。连接带的埋设深度应≥600mm。
1．2 主要接地标准
    由于雷电浪涌电流较大，频谱较宽且持续时间短，避雷系统的接地电阻要求应足够小，工频接地电阻应≤4 Ω。为增大地表层的泄放面积，可采用埋设有一定间隔(3～5 m)的多根接地体，且相互焊接。接地体宜采用热镀锌钢材，其规格要求如下：钢管φ50 mm；壁厚≥3．5 mm；角钢≥50mm×50mm×5mm；扁钢≥40mmm×4mm。

2 接闪装置和引下线
    自动气象站观测场内的所有观测设备均在直击雷范围，必须用避雷针进行保护，可利用风杆或风塔作为避雷针的引下线或使用独立引下线。
    对于防直击雷，一般主要采用避雷针、避雷带、避雷网等传统避雷装置，只要设计规范，安装合理，这些避雷设施便能对直击雷进行有效的防御，这种方法经济、简单。但要注意，由于避雷针、带接触雷击的强度较大、范围较广，首先要确保其具有良好的电流泄放通道。
    避雷针应选用直径≥16mm的圆钢，针尖应沾铜。其长度宜在1 200～1 500 mm，避雷针的引下线可利用风杆或风塔入地，也可采用独立引下线。若使用独立引下线，为增大引下线的集肤效应，宜采用截面积≥50 mm2的多股铜线。使用风杆做引下线的拉线应通过绝缘等级为35 kV(1．2／50μs)以上的绝缘子与风杆绝缘。观测场内金属围栏，百叶箱支架、雨量器、蒸发、自动气象站信号转接箱金属外壳等应就近与观测场地网连接。

3 室内设备要可靠接地
    室内设备接地要求必须有尽量小的电感量。引线不宜采用扁平编织线或绞合线，因为这种线电感量较大，不利于雷击电流的泄放，且容易被腐蚀。要尽可能使用3 mm以上的实心导线，且最好是相同的金属材料。禁止两种不同金属材料混用。
    自动气象站室内设备主要有微机、打印机、UPS电源以及计算机通讯系统等组成。值班室本身应具备有效的防直击雷措施、良好的接地体，工频接地电阻应<4Ω；观测场探测器到室内通讯线的感应雷防护由接口防雷保护器担任，并作可靠接地。在给自动气象站设备供电的UPS之前，需至少加装一级电源避雷器，并可靠接地。
    进入自动气象站工作室的所有线缆应使用屏蔽线缆，并穿金属管埋地引人。线缆屏蔽层和金属管应在建筑物入口处进行等电位连接。
    自动气象站工作室内应作等电位处理。可采用星形连接，或网形连接。并应与建筑物内钢筋或人工接地体作连接。
    当室内等电位采用S型连接时，设备之间、设备至等电位连接板的各连接导线之间应有>10 kV(1．2／50μs)的绝缘。工作室内所有设备的金属外壳、防静电接地、信号地、PE线和SPD接地线、屏蔽金属管和屏蔽线缆的金属外护层均应就近与等电位连接板进行电气连接。
    当室内等电位采用网形连接时，等电位连接带宜每隔≤5 m与建筑物内主钢筋连接。当建筑物无钢筋或建筑物内钢筋截面达不到地网要求时，网形等电位连接带应有不少于两处与人工地网可靠连接。
    网形和星形等电位连接的基本方法如图2所示。

4 走出共用接地的误区
    目前，关于共用接地有一种误解，认为将设备的接地引线无论怎样连接，最终只要接在同一个接地体上就算是共用接地，如图3所示。将“共引线”也误认为是“共地”。其实不然，所谓“共用接地”就是把许多不同性质的接地装置如电气安全接地、交流电源工作地、通信及计算机直流地等汇集于一个等电位连接箱，使之成为一个等电位体，然后直接与接地体连接，而防雷地则通过另一条引下线与接地体连接。而不是将室内设备接地与室外防直击雷接地通过同一根引下线与地相连。更不允许将室内接地引线与室外防直击雷引线汇集与一个所谓的等电位连接箱，然后再与接地体相连。室内接地引线要远离室外防雷引下线，如图4所示。否则，遇雷击时，强大的雷电流在通过引线向大地泄放的同时，室内引线及所有设备上瞬间便会产生很高的电位差，设备难免遭到破坏。另外，假设与接地体相连的引线因锈蚀断开或等电位连接端子接触不良，一旦发生雷击，强大的雷电流便会直击至值班室设备上，这是非常危险的。

5 做好等电位连接
    等电位连接是把值班室内所有设备如采集器、计算机、打印机、UPS电源、通信机柜及附近的所有金属物，如混凝土内的钢筋，金属柜、金属门窗及其他金属管道、电力系统的零线等用电气连接的方法连接，使整座建筑物成为一个良好的等电位体。当雷电袭来时，由于建筑物内部及其附近基本上做到等电位，因而不会发生建筑物内部的设备被高电位反击和人被雷击的事故。由于采用了等电位连接，对建筑物接地电阻的要求可适当放宽。这一点对于土壤电阻率较高的台站尤为重要。

6 结束语
    自动气象站在气象测报业务工作中占有重要的位置。能否正常而稳定的运行，不但要求在平时除认真做好日常维护工作外，而且要避免雷电等的危害。