衡阳市气象局装备中心 421001
摘要：本文从多年的自动气象站维护维修经验出发，结合了大量的自动站雷电故障排除案例，综合性的对目前各类型自动气象站运行情况看，其雷电故障的多发性和普偏性，是威胁各类自动气象站设备安全高效运行的最为突出的问题，从深入的分析自动气象站雷电故障多发的成因中看，各自动气象站生产厂家在雷电防护模块的设计和防护器材的选择上存在一些不足，并提出了可行的对应的改善性研发设计。这对于保障和改善设备的安全性和可靠性有着现实可行应用价值和意义。
关键词:自动气象站；雷电防护；改善性研发方案
引言
随着现代电子信息技术的飞速发展使得我国气象工作业务效率和手段得到了很大的提高和扩展。目前已初步建立了庞大的现代化的气象装备体系。最具代表性的是近10年来自动气象站和区域自动气象站设备在我气象部门得到了大规模而又广泛的应用，对防灾减灾及政府决策起到了不可替代的作用。自动气象站设备是集电脑技术，网络通讯，集成微电子等技术的产品，这类设备它的工作电压和信号电压一般只有3-12伏，电磁兼容能力较差，工作电压和耐冲击电压水平低很容易感受脉冲过电压和雷电电磁脉冲的危害。为确保设备高效安全的运行，实有必要对现装备应用的各类自动站雷电防护模块和防护器材进行深入了解和分析，解剖其形成雷电故障多发原因和机理，对其不足之处进行改善性的论证研发与设计。
1.自动气象站站雷电故障多发的原因分析
我们知道自动气象站和多要素区域自动站都因其观测环境和条件的要求，都建于野外海拔较高较而空旷的场地中，风杆（塔）则成为孤立高耸物，这样站点设备遭遇雷电危害机率和强度就会增加很多。由于金属体风杆（塔）对形成雷击点和雷击通道提供了绝佳条件。在分析自动站形成雷电途径及损坏机理中我们可以明确的看到，当雷电击中金属风杆避雷针时，瞬间内会在风杆引下线自上而下的产生一个很强的变化磁场。处在这个电磁场作用下的导体，便会感应产生电压，其数值也可达数十千伏，而处在这个磁场作用范围内的自动站设备它们的传输线路及电源都因相对地切割了这个变化的磁场磁力线而产生出感应高压，从而使设备造成过压损坏。同时自动站是一个闭合回路的导体，因雷电形成的感应电压会产生一个电流通过，这样就很容易又造成设备的过流损坏。再有由于雷电冲击波的能量集中在工频附近几十赫兹到几百赫兹的低端，雷电冲击波能量就容易与工频回路发生耦合、谐振，于是雷电冲击波从电源线路进入设备的机率要比从信号线中进入的机率要高很多。从长时间的自动站故障维修案例分析遭遇直击雷故障的比例要远低于感应雷故障，感应雷是通过与自动气象站设备连接的电源线路、数据线路等,而形成的静电感应或电磁耦合产生的感应过电压（即瞬间高压脉冲），它会直接沿这些线路侵入自动站设备，使设备遭到损坏，同时感应雷所产生成的故障多体现在集成电路上，自动气象站系统是由信号采集、传输、存储、检索等多环节组成。鉴于系统环节多、接口多、线路长等原因，给雷电的耦合提供了条件。系统的电源进线接口，信号输入输出接口，接口的线路较长等是感应脉冲过电压容易侵入的原因，其形成故障的通道也很多，维修难度也相对要高，在这些故障案例中我们也发现许多站点是因为供电环境和质量问题造成的，其中有因零地电压过高造成电源故障，再加上因采集器或各传感器接地不良又极容易形成高静电冲击对弱电芯片造成损坏，其中还有因线路的屏蔽性能不良和站点接地电阻不达标而引发的雷电故障，从目前应用最多的3种型号（天津DZZ6,TYQ200,无锡ZQZ,上海长望CAWS系列）在雷电防护模块设计和元器件应用上存在一些不足，这也是造成雷电故障多发较主要的应用之一。
2.自动气象站雷电防护模块的改进设计
2.1 hy-1k雷电防护模块电路主要有如下三种形式
图1：电路用于信号传输线间的防护设计，图2：电路用于12V直流供电线路防护设计，图3：电路用于5V电线路防护设计，图4：风向电路防护设计。
图3 图4
2.2对元器件应用性能的分析
根据电子线路最大承受过压的一般条件，电子线路最大承受过压为4倍工作电压，时间小于30ms。本集成式防雷保护器防护动作时间<1ns及浪涌电压限制阀值<18V，均满足于被保护线路（20V/30ms）的工作需要。
图1中的线路主要由陶瓷气体放电管、电阻及双向抑制二极管组成传输线间的浪涌电压保护电路。
瓷气体放电管构成一级浪涌抑制电路，双向抑制二极管构成二级浪涌抑制电路，电阻R1、R2为两级电路之间的隔离电阻。陶瓷气体放电管器件型号为SIEMENS 2R90(GDT1)和SIEMENS 3R90(GDT2),防护动作电压为90V最大耐流10KA。GDT1针对雷电感应至传输线之间的差模浪涌电压，GDT2针对雷电感应至传输线与大地（PE） 之间的共模浪涌电压，这一级电路的作用是以0.2～0.3μs的速率将AB传输线间的浪涌电压限制在90V以下。双向抑制二极管器件型号为P6KE18CA（TVS1、TVS1），防护动作电压为18V最大耐流23A。该级通过TVS1、TVS2进一步以<1ns的速率将AB传输线间的浪涌电压限制在18V以下。
图2的线路主要由陶瓷气体放电管、压敏电阻、共轭电感及双向抑制二极管组成12供电浪涌电压保护电路，陶瓷气体放电管构成一级浪涌抑制电路，双向抑制二极管构成二级浪涌抑制电路，共轭电感L1、L2 为两级电路之间的隔离作用。 陶瓷气体放电管器件型号为SIEMENS 2R90(GDT1)和SIEMENS 3R90(GDT2),防护动作电压为90V最大耐流10KA。GDT1针对雷电感应至传输线之间的差模浪涌电压，GDT2针对雷电感应至传输线与大地（PE） 之间的共模浪涌电压，这一级电路的作用是以0.2～0.3μs的速率将AB传输线间的浪涌电压限制在90V以下。
双向抑制二极管器件型号为P6KE18CA（TVS1、TVS1），防护动作电压为18V最大耐流23A。该级通过TVS1、TVS2进一步以<1ns的速率将+12V及G端与地(PE)线间的浪涌电压限制在18V以下。
图3线路主要由陶瓷气体放电管、电感及双向抑制二极管组成5V供电浪涌电压防护电路。
陶瓷气体放电管构成一级浪涌抑制电路，双向抑制二极管构成二级浪涌抑制电路，电感L1、L2 为两级电路之间的隔离作用。
陶瓷气体放电管器件型号为SIEMENS 2R90(GDT1)和SIEMENS 3R90(GDT2),防护动作电压为90V最大耐流10KA。GDT1针对雷电感应至传输线之间的差模浪涌电压，GDT2针对雷电感应至传输线与大地（PE） 之间的共模浪涌电压，这电路的作用是以0.2～0.3μs的速率将AB传输线间的浪涌电压限制在90V以下。
双向抑制二极管器件型号为P6KE18CA（TVS1、TVS1），防护动作电压为18V最大耐流23A。该级通过TVS1、TVS2进一步以<1ns的速率将+5V及G端与地(PE)线间的浪涌电压限制在18V以下。
图4线路主要由双向抑制二极管、陶瓷气体放电管、隔离电阻组成的风向传感器信号保护电路。
3.与自动站原有雷电防护模块的比较
图7：天津产防护模块（绿色板） 图8：HY-1K集成式防雷模块（外观）
图5（无锡ZQZ）插接式集成防雷模块该模块内含两级防雷电路。一级防共模浪涌为陶瓷气体放电管，二级防雷元件双向抑制二极管，以电阻或电感作两级防雷电路之间的隔离元件。优点：为承载瞬间浪湧电流大，防体器件积较小安装方便。缺点：缺少对差模浪涌电压的防护作用，由于插片式模块容易因（南方高湿环境）氧化引起接触电阻增大导致设计参数漂移，最后失去对信号电路的防雷保护。
图6 （天津DZZ6）双向抑制二极管构成的单级浪涌抑制防护模块，从多年的应用经验分析它没有充分的考虑到雷电气象条件的地区差异，从雷电气象角度看北方地区的雷电强度及频率要远低于南方，这种双向抑制二极管构成的单级浪涌抑制防护模块，在南方地区应用较突出的弱点，是因为它不能很好的承受高强度高频率的持续性的雷击，其防护效果也要远低于北方地区，单级的双向抑制二极管信号防雷在南方站点的应用显得不足，就规范而言在南方地区应该应用二信号防雷。
图7 图8
图7（天津产）多要素区域气象自动站防护模块，从元器件和电路的应用上看存在着较明显的不当因为，简单的讲因为图中的双向抑制二极管它对雷电浪涌电压的反应时间要明显的快于陶瓷气体放电管，其雷电浪涌电压只集中在双向抑制二极管上，陶瓷气体放电管在该电路中的应用几乎不其作用等等。
图8 HY-1K集成式防雷模块（内部电路结构：该防雷模块主要由ABCD四个单元板组成，其中A板为风向防护板，B板为DC12电源防护板，C板为温度、湿度防雷板，D板为风速、雨量及气压防护板）
本集成式防雷保护器针对以往采集器防雷设计的不足，在原有防雷电路中增加了对信号线路的差模浪涌电压的保护，将原有供电线路的一、二级浪涌电压保护电路的电阻隔离改为电感隔离，选用动作时间更加灵敏、动作电压更加精密的陶瓷气体放电管作为一级防雷器件 ，所有原件均选用结电容小的优质器件，进一步将防护水平提高到新的等级，针对南方雷击强度高、单次雷击频次密度大等原因，本电路采用由电压开关型元件（陶瓷气体放电管）和限压型元件（双向抑制二极管）组成的组合型电涌保护器。同时在一级防护电路中加强对共模及差模浪涌电压的防护，另外在电源防护电路中以电感做隔离元件，利用电感电压不能突变的原理对雷击带来的尖峰浪涌电压进行抑制。如有特殊需要在一些雷电多发的站点，适当调整电路参数后，两个模块串联来同时使用，这样就可以在原有的基础上增加防护级数，对浪涌电压进一步进行多电压段防护。
3.1电路元件的选用及改进做了如下措施
① 选用元件性能参数一致性好的SIEMENS 3R90三端陶瓷气体放电管为专用差模防雷器件。
② 针对南方高湿环境采用了可折叠的铝硅合金盒做外盒，具有良好的防水防潮兼电磁屏蔽作用。这样可加强信号电路抗电磁干扰能力，减少电磁波的冲击，屏蔽因雷电形成的电狐闪对其他器件的影响等等有着较好适应性。
③ 所有信号端子的连接皆采用GX16型航空镀银防水插接器件。
④ 模块与地(PE)之间连接DT50-10平方铜鼻并处以焊锡浸焊方式保证连接处电气性能长久可靠，同时本模块信号线的连接全部改用了航空接头，这样减少了很多因接触不良或接头腐蚀生锈，避免因压接不良造成接地电阻压降增大以至防浪涌抑制电压的增大而引发的设备故障，这样增强了各要素接地有效性，减少了静电损害。
⑤ 增加了直流电源输入端的电源防护模块，（模块也可直接用于交流开关电源输入端）在我们目前应用的各型自动站中忽略了电源这一级防护作用，事实上由它引发的电源故障比例很高，其防护效果和重要性在多要素区域自动站中体现的十分突出。
4.自动气象站集成式雷电防护模块使用说明
4.1集成雷电防护模块输入/输出插接件功能定义图
图12
4.3各插接件管脚连线定义
4.4.1电源12V
① +，② -， ③防雷地。
4.4.2风速接口
①5V，②空， ③ SP，④ G，⑤防雷地。
4.4.3雨量接口
①G， ②R， ③防雷地， ④防雷地
4.4.4湿度接口
①5V，②H1， ③G， ④防雷地。
4.4.5格雷码风向接口
①A0，②A1 ，③A2， ④A3，⑤A4，⑥A5，⑦A6，⑧A7，⑨防雷地。
4.4.6 P1100温度接口
①A1，②A2 ，③B1， ④B2，⑤防雷地。
4.4.7PTB气压接口
①R， ②G， ③T， ④防雷地
4.4.8外壳接防雷总地
5.结论
自动气象站是微电子技术在气象业务应用中的典型代表，新设备的技术和结构与过去电子管设备有了很大区别，雷电的物理效应会在想不到也看不到的新器件、新产品上发生作用，设备的雷电过电压及电磁干扰防护，是保障自动气象站设备安全的重要技术手段，是确保设备运行必不可缺少的技术环节，是我们气象装备保障运行管理工作的重要组成部分。本文作为课题研发的理论总结，是本着科学严谨负责的态度来完成的，其文中所述还有较多学术细节上的不足，不当之处望大家指正。在自动站雷电防护设备设施的应用上，另外存在一个值得十分注意的地方，由于南方地区高温高湿的气象条件，其对自动站防雷设施的影响应加以充分的考虑，有很多是因为湿度过大而引发设备故障，所以在防护模块上应注意防湿防潮的工艺处理，另建议建立自动站设备技术应用问题的反馈制度，建立厂家对有缺陷的产品进行升级或召回改进制度。检验本雷电防护模块的实用性和可靠性，已在本地区选用了10个雷电故障多发的站点进行为期一年半的跟踪应用性实验，从应用结果看其因雷电引发的故障得到了很好的改善，提高了设备运行的安全性和可靠性，降低了设备的运行成本，有着较好的借鉴和推广价值。
参考文献：
中国气象学会雷电防护委员会 《防雷规范标准汇编》 2005.7
中华人民共和国国家标准《通信设备过电压保护用气体放电管通用技术条件》 1988
龚志平等《雷电防护技术标准实用手册》 2007
林维勇、黄勇根等《建筑物防雷设计规范》2011.10
论文作者:贺中华,李建宇,唐益民,张敏,殷秋云
论文发表刊物:《防护工程》2017年第22期
论文发表时间:2017/12/28
标签：浪涌论文; 雷电论文; 电压论文; 防护论文; 防雷论文; 电路论文; 抑制论文; 《防护工程》2017年第22期论文;