浅谈海岛自动气象站防雷技术.pdfVIP

第十届长三角气象科技论坛论文集 - 1 - 浅谈海岛自动气象站防雷技术 庄瑞谈 （洞头县气象局，温州洞头， 325700） 摘要：随着气象探测业务的发展，自动气象站已成为地面观测系统的重要组成部分和开展精细化预报所不可缺少 的气象要素源。海岛自动气象站在实际运行过程中很容易遭受雷电的侵袭，洞头岛地处东南沿海属于国家基本站， 全县范围各个岛屿分布着多个自动气象站。自动站反应出来的雷电电磁危害严重影响了探测环境，建站中对电磁兼 容设计的忽略是造成雷害的主要原因。 关键词： 自动气象站 电磁感应 雷电 1.海岛自动气象站数据采集 海岛自动气象站所有的数据采集都是通过传感器获得的（见图 1），由于数据的传输是微电流 信号，所以经过采集器到计算机的信号对电磁环境十分敏感，可以说，恶劣的电磁环境会严重影响 信号的传输乃至使信号失真。海岛自动站安装在岛屿空旷处，从传感器到采集器，再从采集器到计 算机，传输线一般大于 50 米，而且数据传输线与电源线、接地线等是处在几乎相同的电磁环境， 相互之间存在一定的影响。作为测风用的风传感器一般距离地面的高度在 10 米以上，是所有传感 器中最容易收集雷电信号的部件，而且数据传输线很难做到电磁屏蔽。现行设计的自动气象站信号 采集器虽然设置了防雷模块过滤可能的雷电信号，但由于是参照程控电话防雷的参数设计，事实上 不能很有效地防雷。尽管后来设计的采集器从室外移至室内，但传感器和传输路径和环境并没有发 生变化，因此采集器的采集核心在雷电信号面前仍然敏感和脆弱。 图 1 自动站要素采集与数据传输示意图 2.自动站现行数据传输和防雷与接地的电磁环境 自动气象站的组成完全是集成度高的电子敏感设备系统，应该具有较好的电磁兼容性，使之在 有限的空间、时间和频谱资源下各种设备可以共存。由图1 可以看到，对自动站电磁环境形成影响 第十届长三角气象科技论坛论文集 - 2 - 的是接地系统、供电系统、雷电感应和雷电波侵入等。根据实际影响自动站运行质量的电磁环境情 况，这里着重讨论雷击时可能存在的电磁骚扰。目前自动站普遍采用的防雷与接地安装布置如图 2： 图 2 自动站防雷接地与走线 绝大多数台站在工程建设中，将线缆穿 PVC 管或金属管，管道设在预先设计的电缆沟里，接地极则 埋在电缆沟底，同时也采取了屏蔽接地等措施，但为什么一旦遇雷，就不可避免地出现设备受损的 情况呢？关键的问题还是图 2 所示的方式不利于电磁兼容。 2.1 雷击时存在的电感性耦合 如果电容性可以通过套管接地进行有效屏蔽的话，实现电感性屏蔽则有一定的难度。雷击时， 接地线上流过的瞬态电流 i 所产生的磁通必然引起相邻电路的磁感应耦合，假设两相邻电路间的互 感为 M，那么可以导出感应电压式[1] U =M×di/dt n 形象地理解，就是因为磁力线是一种闭合的线，一般的屏蔽措施无法改变磁力线的性质。见图 3： 图 3 套管走线与接地线间的电感性感应 为了讨论方便，假设雷电流波形 10/350μs 没有衰减，当避雷针接闪将强雷电流泄入地下时，若 雷电流幅值 200kA，di/dt可达 20kA/μs[2]，对于接地线与线缆近距的情况，近似线缆间无磁漏， 1/2 由 M=K（L ×L ） （K 为耦合系数，L、 L 为线缆自感系数），取 K=1，雷电瞬间，接地线或线缆 1 2 1 、 2、 [2] [1] 单位长度电感 L 分别近似为 1.5μH/m 、L 为12.88μH/m[L =0.02 ln(6.28·H/W)