浅析防雷技术对我市山区 WP3103 型自动气象站的保护

收藏 打印 发给朋友 发布者：唐玫瑰 王焯杰 黄瑞英

热度0票  浏览79次 时间：2019年3月14日 08:43

　　摘要 : 在多年来对我市山区自动气象站架设和安装工作的实践基础上 , 针对我市山区地理环境及气候的主要特点，分析了目前我市山区 WP3103型自动气象站的防雷现状、雷电的危害和 WP3103 型自动气象站的系统构成，介绍影响雷电防护的基本因素和运用雷电防护的“分流”、“堵截”方式，并对现有的防雷措施提出改进意见。

　　关键词 : WP3103 型自动气象站；雷电灾害；雷电防护

       随着我国气象事业的不断发展 , 我市山区自动气象站已大规模投入到探测业务上使用。清远位于广东省西北部，是粤、湘、桂三省的结合部，共有 124 个 WP3103 型自动气象站。属亚热带季风气候区，有两个多雨期，4 ～ 6 月为前汛期，是锋面暴雨季节，以锋面低槽降雨为主，随着 6 月下旬副热带高压的季节性北跳，清远市受热带气旋等低纬热带天气系统影响，步入了第二个多雨时期 (7 ～ 9 月 ) 后汛期，为热带气旋暴雨季节；气候资源优越，气象灾害频繁。雷雨天气始终贯穿着整个多雨季节，并且亚热带季风气候区造成其明显的山地立体气候特征。受暖湿气流的影响，雷暴活动特别频繁，出现概率高于平原地带，极易产生强对流天气，特别是夏季雷电活动频繁，雷击密度大，平均雷暴日多达 93 天，所以清远是广东的重雷区。

　　1、我市的 WP3103 型自动气象站防雷现状

　　由于清远处于复杂的地理环境，受多变气候的影响，每年有半年的时间遭受恶劣雷雨天气的影响，设备自带防雷系统不足以应对恶劣天气对我们设备带来的损害。自 WP3103 型自动气象站在清远山区投入运行以来，由于 WP3103 型自动气象站微电子装置的脆弱性经常遭受雷击损害，尤其是 WP3103 型自动气象站作为一种集合传感器、数据采集及处理，数据通信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 WP3103 型自动气象站安装运行在恶劣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 [1]。

　　2、雷电的介绍及其对 WP3103 型自动气象站的危害雷电电磁干扰主要通过传导耦合和辐射耦合方式传送到 WP3103 型自动气象站，使其电源板和 TDU 失效或损坏。WP3103 型自动气象站遭受直击雷袭击，除了直击雷直接毁坏设备外，由直击雷产生的直击雷过电压还袭击自动气象站传感器、采集器和主控微机。WP3103 型自动气象站安装在空旷处，从传感器到采集器，再到主控微机，传输线有一段距离，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，相互之间存在一定影响，数据传输线很难做到电磁屏蔽。这就容易造成雷电通过磁场耦合、电场耦合、电阻耦合等以传导和辐射方式对WP3103 型自动气象站设备构成侵害 [2]。

　　3、WP3103 型自动气象站的系统构成

　　3.1WP3103 型自动气象站的组成

　　整个系统包括数据处理器、存储器、LCD 屏幕和键盘、各要素传感器、电源、通信单元等。

　　3.2WP3103 型自动站的用途

　　WP3103 型自动气象站自动采集记录风向、风速、气温、相对湿度、雨量和气压等气象要素探测数据。它既可以作为一个独立测站使用，也可以由一个数据采中心和若干个自动气象站通过有线网络或者无线网络组成自动气象探测网。主要用于中尺度灾害性天气系统的自动监测，同时也适用于军事、海运、航空、环保、交通等部门的气象探测需要。

　　3.3WP3103 型自动气象站工作原理

　　WP3103 型自动气象站利用传感技术进行数据采集，采集器内大量使用 CMOS 集成电路模块和系统分散控制 CPU 单元。MORS 一 232C 接口等现代化微电子器件组成的电路，对浪涌电压承受能力较弱，将成为雷电涌侵入的薄弱环节。而且 WP3103 型自动气象站各传感和通讯用电话线路等都暴露于室外，易受雷击。因此，防止雷击 ( 直击雷、感应雷 )是确保自动气象站正常工作的一个重要环节 [3]。

　　3.4WP3103 型自动气象站功能特点

　　采集器内置有线 \ 无线调制解调器，可以通过有线或无线与资料接收站通信。使用时只需根据采用的通信方式，接入无线通信设备或电话线，即可实现资料传输。数据传输加有前向纠错和误码检测，以保证数据传输的正确性。

　　4、影响 WP3103 型自动气象站雷电防护的基本因素防雷装置允许的输出残压值，但由于采用不同方案、不同核心部件及元器件所组成的 WP3103 型自动气象站，其峰值耐压会有较大差异。

　　通道雷电感应电压雷电感应电流

　　电源引入 <6kV3~10kA

　　通信引入 5kV 左右几百安培

　　传感器引入 <5kV 几百安培

　　图 2 感应雷电侵入自动气象站各通道的强度

　　国际电器电子工程师协会 IEEE 组织曾指出一般元器件可以经受两倍以上其额定电压值 [4]。我国通信部门有关标准也指出在交流 220V系统中 , 其元器件或部件的冲击耐压值应达 1500V: 在直流 48V 系统中则为 330V, 电信交换与用户终点设置为 1000V。

　　5、灵活运用雷电防护的“分流”、“堵截”方式分流是现代防雷的热点，对于自动站来说，就是在电源线、通信线路等入侵通道与接地线间并联一避雷器，从而对自动站进行有效的保护，这可以作为自动气象站防止感应雷所采用的主要手段。另一种防护方式是“堵截”，即是利用雷电波谱分量和设备工作频谱的差异，利用电容、电磁耦合或滤波器等“隔离”或“阻断”雷电波向被保护设备传递或是大幅度削减其能量 , 从而保护设备的安全。对于自动气象站缺乏良好接地条件的场合 , 采用雷电“堵截”方式不失为一种较好的解决办法，但是“堵截”任务的元器件要有高于雷电峰值冲击电压的绝缘强度，这就对元器件质量及防雷装置的工艺水平提出了较高的要求。在一般情况下可与“分流”方式进行有机组合使用，多层次的防护雷电从自动气象站电源引入。

　　结语：

　　目前在我市山区有部分自动站防雷方法与布局存在着一定的安全隐患，为了最大限度减少雷电对我市山区 WP3103 型自动气象站的危害，根据自动气象站多通道雷电侵入的特点，雷电防护措施应当是综合性全方位，在雷电侵入的路径上均予以设防。根据电源系统雷电引入的概率最大、强度最强的特点，应把电源系统作为重点保护对象，对电源系统需要进行多层次多级别的保护，必要时应采取隔离措施。因此，要根据现行规范的规定和考虑我市山区 WP3103 型自动气象站所处地理环境和气候的特点以及雷电活动的规律对其进行改进，进行层层设防，综合治理，进行综合防护才能做到和保证防雷装置的实用性、有效性和安全性。