摘要：自动气象站作为一种集合了传感器、数据采集及处理、数据通信等技术的自动化电子设备，其抵御雷电损害的脆弱性是不言而喻的，加上自动气象站安装运行在严酷的环境下以及与市电、通信网络的联系，更增加了遭受雷电损害的危险性。因此，预防雷电损害是自动气象站网可靠性设计的极其重要部分。
关键词：自动气象站；雷电防护；探讨
1 自动气象站的介绍及雷击隐患
1.1 自动气象站的介绍
自动气象站是利用了众多技术的综合性很强的电子电气设备系统，它集合了数据自动采集、利用计算机计算处理数据、数据存储、传输、通信等技术。一般一个完整的自动气象站包括风向、风速、温湿度、雨量、蒸发、地温等气象要素传感器、数据采集器、计算机处理系统等部分，其中气象要素传感器安装在室外的空旷处，数据采集器和计算机系统按包装在室内。气象站一般都安装有避雷针、避雷带来保护高大建筑物及内部工作的人员不会被雷电击中，但是这些避雷设备是不能阻止雷电的电磁波侵入各种气象传感器中。气象传感器遭到电磁侵袭，就可能导致整个气象站无法正常工作，然而自动气象站必须连续安全的工作，因此对于自动气象站的防雷是十分必要的。
1.2 室外设备的雷击隐患
自动气象站的室外设备主要是各种气象要素传感器，这些传感器的特殊布置环境和自身对电磁干扰敏感的特点使其存在一些雷击隐患，这些安全隐患大致如下：1）由于气象观测的需要，气象站的室外设备均安装在观测场内，而观测场的周围要十分开阔，不能有高大的建筑物。加之气象因素的传感器由于感知各种气象因素的需要，探头均是由敏感性很高的金属体制成，这样加大了传感器被雷击的概率；2）虽然最易遭受雷电袭击的风向和风速感应器均采取了一定的措施来进行保护，例如在风杆上安装避雷针或者把风向和风速感应器安装在避雷针的保护范围内。感应器的风杆遭到雷击，雷电波就会顺着风杆传向室内采集器的传输电缆线，电缆线感应电磁脉冲进而会损坏室内设备；3）观测场的避雷针遭受雷击的瞬间会产生强大的电磁场和局部高电位，电磁场会经安装在室外的感应器的信号电缆耦合到设备，造成设备损坏，高电位会使感应器的金属探头遭受电位反击而损坏。
雷电电磁干扰主要通过传导耦合和辐射耦合方式传送到自动气象站，使其失效或损坏。一般雷电入侵自动气象站除阻性耦合影响的反击电压之外，分别沿电源线、传感器到采集器和采集器到主控微机之间的通道、网络的通信线路入侵。一是自动站供电线路侵入。在电力线入室之前可能遭受直击雷和感应雷，直击雷击中高压线经过变压器耦合为低压后入侵；云地闪电击中建筑物或建筑物附近时，雷电流通过引下线泄入接地体，可通过电路中的零线、保护地线和布线中的接地线，以脉冲波的形式侵入室内，使设备损坏。二是通信线路入侵。当自动气象站周围直击雷防护不力时，地面突出物或高层建筑物遭雷击，雷电过电压将地面土壤击穿。
1.3 室内设备的雷击隐患
自动气象站的室内设备主要是气压感应器、数据采集器和计算机处理系统，这些室内设备比室外设备更加脆弱，更易因电磁脉冲而损坏。雷电电磁脉冲可以通过采集器的传感线路损坏设备，也可以通过电源线路损坏电子设备，这些损坏甚至会造成整个自动气象系统的瘫痪；另外如果接地系统的接地不规范，会导致电子设备之间产生电位差，也会损坏气象站的电子设备。
2 雷电波入侵途径及防护办法
2.1 雷电波从电源线入侵时的防御方法
雷电波从电源线入侵的概率比从其他途径入侵自动气象站的概率都大，一般都是直击雷损害。直击雷的入侵途径主要有：直击雷击中高压线会产生过电压，过电压经过变压器耦合之后，传到次级然后沿着220 V高压线路侵入室内的电源设备；直击雷除了在高压线路上耦合也会在低压线路上耦合产生过电压；直击雷还会击中高压线还会击中变压器，到室内的低压线路，也产生过电压，造成气象站的严重的损坏。
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2.2 雷电波从传感器通道入侵时的防御方法
气象传感器安装在空旷的室外观测场中，当气象站周围空旷区雷电防护不好时，设置在高于地面10.5米的风杆就是雷击的首要目标，风干被击中，风速和风向传感器最易被损坏。雷电的过电压太大，可能会击穿地面的土壤，这样一个是会导致埋在地下的地温传感器被损坏，还有就是传感器与采集器之间的电缆绝缘层也可能被击穿，瞬间的过电压就会沿着通信线直接入侵。
防止雷电波从传感器入侵的较好的方法就是做好观测场防雷地网与风向风速传感器安装的避雷器的电气连接，还要保证所有的传感器的信号线均放置在接地的金属材质套管内，或者是带有金属屏蔽层的PVC塑料套管内，同时传感器的信号线还要与电源线在不同的管子内穿行。
3 自动气象站的综合防雷方案
3.1 值班室和观测场共同防护直击雷
常规的建筑物防直击雷一般是在建筑物中安装避雷针、避雷网、避雷带或者将它们混合组成接闪器，把建筑物顶部的板筋和内部的柱子内的主钢筋作为引下线，建筑物底部的基础钢筋作为接地体，实现将雷电流安全的排放到大地中。还有就是避雷针的针体高度要保证观测场的风速风向传感器位于其保护范围内，同时针体可以耐受150 kA的雷电流冲击。
观测场中，风向和风速传感器是安装在11.0米高的风杆上的，对雷击十分敏感，因此需要在它们顶端设置避雷针，避雷针以及避雷针的引下线均不能直接与风杆相连，必须用绝缘杆与风杆固定，避雷针的引下线入地点附近要设置垂直接地体，接地体也要与观测场地网进行可靠的电气连接。一般自动气象站的避雷针是利用直径≥16毫米、长度≥1500毫米的圆钢制成的，水平绝缘距离≥500米。
3.2 观测场地网的设置
观测场的地网主要功能就是把雷电流传输到大地。一般情况下，地网是沿着围栏周围设计为闭合的环形，接地极安装在围栏外以保证数据缆线与接地线之间的安全距离。观测场内所有的设备必须要与地网实现牢固的连接。还有就是观测场的地网沿着自动气象站线缆地沟辐射会延伸至值班室，与值班室的采集器、计算机等设备的保护及设备的工作接地合设一个共极，辐射延伸接地体铺设在线缆地沟的底部，埋设深度离地面至少一米，埋设完毕后要回土并且夯实被挖出的土壤。
3.3 计算机机房内部防雷系统
自动气象站的大部分室内设备都是安装在计算机机房内部，传感器和采集器获得的数据都要在这里进行处理和存储，计算机机房可以算的上是一个自动气象站的心脏。计算机机房的设备包括气象站的服务器、路由器、交换机、视频监控系统、UPS等等。在计算机机房中要进行等电位连接，等电位连接配设在计算机机房的配电箱中，一般采用S型星型结构。
结束语
总而言之，自动气象站是一种全新的、高科技的、更加准确、高效的地面自动观测微机处理系统，可以实现气象数据的自动采集、计算、处理。自动气象站的主要传感器都安装在室外，由于微电子装置的微弱性，加之与市电、通信网络的联系，使其极易遭受雷电侵袭。自动气象站的雷电防护是一项综合性的工程，任何单一防护措施都不可能取得良好的效果，必须采取多方面的技术措施相结合，发挥每一项技术的重要作用，使内部防护与外部防护的结合，观测场与值班室相结合，用以保证自动气象站安全连续的稳定工作。
参考文献：
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[3]谢君，徐远远，窦红影.气象与环境科学[J].自动气象站的雷电防护，2007，9（30）.
论文作者:徐杨
论文发表刊物:《基层建设》2018年第27期
论文发表时间:2018/9/18
标签：雷电论文; 传感器论文; 自动气象站论文; 过电压论文; 避雷针论文; 设备论文; 气象论文; 《基层建设》2018年第27期论文;