浅析如何做好自动气象站防雷工程
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摘要 自动气象站雷击防护是一个比较复杂的工程,我省每年都有自动气象站不同程度地受到雷击,直接影响了气象业务的正常开展。本文结合雷击可能发生的原因和途径,从直击雷、感应雷及雷击电磁脉冲保护入手,提出了相应的解决办法,对做好自动气象站的雷击防护,具有一定的参考价值。
中图分类号P49 文献标识码A 文章编号 1674-6708(2010)25-0030-02
0 引言
近年来,随着气象事业的不断发展,全省各县局基本已全部建成全新的自动气象站,然而根据省局业务处的统计记录,从建成的自动气象站发生故障的概率来看,由于雷击造成的设备损坏而影响业务正常运行的情况占到了80%以上。因此对自动气象站进行系统的防雷分析,设计一个完整、适当的防雷方案,切实保护自动气象站有关设施免遭雷击,不但为业务工作的正常进行与运转提供了有效保证,而且为观测站值班员营造了一个安全的工作环境。
自动气象站雷击防护是一个比较复杂的工程,几乎涵盖了目前雷击防护的方方面面,包括直击雷、感应雷及雷击电磁脉冲保护,根据《河南省自动气象站接地与防雷工程建设方案》,结合自动气象站实际情况,大致可分为以下几大类。
1 建筑物、风向杆等设施直击雷的雷电保护
直击雷是指雷电直接击在建筑物等上,产生电效应、热效应和机械力者。为使雷电浪涌电流泄入大地,使被保护物免遭直击雷或感应雷等浪涌过电压、过电流的危害,所有建筑物、电气设备、线路、网络等带电金属部分,金属护套,避雷器,以及一切水、气管道等均应与防雷接地装置作金属性连接。
防雷接地装置包括避雷针、带、线、网,接地引下线、接地引入线、接地汇集线、接地体等。根据自动气象站情况,风向杆、地温、雨量计、观测场围栏等防直击雷设施应一并接入地网。为防止反击,以往的防雷规范对防雷接地与其他接地之间提出一整套限制措施,即规定两类接地体和接地线之间的最短距离。在有些情况下,间距无法拉开到规定值时,则要采用严密的绝缘措施。
防雷接地,应按现行国家标准《建筑防雷设计规范》及《自动观测站》执行。由于接地的良好状态对防雷有非常重要的影响,所以在制作接地体时一般采用40mm×40mm的角铁,每根长2.5m,间距约5m垂直打入地下,顶端距地面约0.5~1.0m,顶端再用40mm×40mm左右的扁铁全部焊起来,构成一个统一的接地系统。
另一方面就是信息系统的防雷保护与常规的防雷保护是有区别的。如建筑物与非信息设备防雷根据IEC-1024《建筑物的雷电防护》和GB50057-94来进行的,而电子信息系统的防护是根据电磁脉冲防护标准进行的防护,其国家标准为GB50174-93及QX3-2000《气象信息系统雷击电磁脉冲防护规范》。
2 电源系统的雷电防护
雷电的破坏力极大,以雷击中心1.5km~2km范围内都可能产生危险过电压,损害线路上的设备,防雷仅有外部防雷(避雷针或避雷带)是不够的,雷电波会侵入电气通道(如电源线、信号线和金属管道等)。由雷电产生的高电压和浪涌电压对通讯设备、网络、信息系统有极大的危害,轻则毁坏线路,重则损坏设备,系统瘫痪,造成难以估算的损失,特别是近年来随着计算机网络的广泛应用,造成数据设备、精密仪器的大量损害逐年上升,所以必须进行内部防雷,在进出建筑物的各保护区上的电缆、金属管道上、信息数据线上、电子设备前端,安装防雷器,并实行等电位连接。
一个欲保护的区域,从EMC(电磁兼容)的观点来看,由外到内可分为几组保护区,最外层是0级,是直接雷击区域,危险性最高,越往里,则危险程度越低,过电压主要是沿线窜入的,保护区的界面通过外部防雷系统,钢筋混凝土及金属管道等构成的屏蔽层面形成,从0级保护区到最内层保护区,必须实行分级保护,对于电源系统,分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级,从而将过电压降到设备能承受的水平。对于信息系统,则分为粗保护和精细保护,粗保护量级根据所属保护区的级别,而精细保护则是根据电子设备的敏感度来进行选择,从理论上讲,雷电流约有50%是直接流入大地,还有50%将平均流入各电气通道(如电源线、信号线和金属管道等),因此,必须进行电源系统的分级防雷。
2.1 电源的第一级防雷
危险的过电压可产生于建筑外,当雷电击中电力传输线或电力公司切换负载时,危险过电压就可产生并沿电力线传输。如果在你的建筑进口没有保护,这些危险瞬态过电压将进入楼内损坏敏感设备,在雷击损坏事故中70%~80%是外部危险过电压造成的。所以要进行第一级防护,安装电源防雷保护器,位置应在电力线进入建筑物入口处的主配电盘,将瞬态过电压限制在安全范围内,保证设备不受损坏。
2.2电源的第二级防雷
危险的过电压,也可产生于建筑内部,当空调、电梯或其它大型设备开关和运行时,可引起瞬态过电压,破坏敏感的电气设备并缩短其使用寿命,故要设第二级防护,位置设在建筑内的配电盘处,安装电源防雷保护器保护使用该配电盘供电的所有设备。
2.3电源的第三级防雷、第四级防雷
分别为对电子设备的精细保护,一般均考虑所保护的电子设备的耐压水平而确定。自动观测站所使用的计算机及所有用电设备最好使用具有防雷作用的插座。
3计算机通信网络的雷电防护
早期的电子设备是用诸如继电器、线圈和真空管等元件组成的,这些传统元件对于突变的电磁及瞬变电源是有一定的免疫力和耐受力的,但是计算机技术发展至今,多层、超规模的集成芯片,电路更密集,集成度更高,元器件间隙更小,导线更细。几年前,1cm2的计算机芯片有2 000个晶体管,而现在的奔腾机则超过14万个。从而增加了计算机受瞬间过电压损坏的概率。由于计算机的设计和结构决定了它是在特定的电压范围内进行工作的,当电压超出计算机所能承受的电压范围时,计算机将出现数据乱码,芯片被损坏,部件提前老化。这些症状包括:意外的数据错误,接收、传输数据的失败,丢失文档,工作失常,经常需要维修,原因不明的故障和硬件问题等等。而雷电产生的感应瞬态过电压强度远远超出了计算机和其它电气设备所能承受的水平,绝大多数情况下,造成计算机的立即毁坏,数据永远的丢失。因此保护这些智能设备免遭系统瞬态干扰的影响就变得更加重要。
1)计算机通信网络防雷主要由外部防雷系统和内部防雷系统两部分组成。外部防雷包括空气截雷系统即避雷针或避雷带,引下线或接地系统;内部防雷系统主要是对建筑物内易受过电压破坏的设备,如计算机及其通信接口、电话机、路由器、交换机、UPS、数据传输线等电子设备加装过电压保护装置,采取有效防护技术措施,在设备受到电压侵害时,保护装置能快速动作,将能量泄放,从而保护设备不受损坏。
2)雷电对计算机通信系统的损害途径是多方面的,有通过通信线路感应而传入系统损坏设备的,有从雷击建筑物或邻近地区雷电放电从而导致建筑物内部计算机通信网络环路中由于空间电磁感应产生瞬态过电压造成的损坏,有通过供电线路的感应而引入系统电源导致设备的损坏,另外从电磁瞬态脉冲感应耦合的通道理论角度看,由于电子信息系统是由信号采集、加工处理、传输、存储、检索等众多环节组成,由于系统环节多,接口多,线路长等原因,给雷电的耦合提供了条件。例如:一个信息系统不但有电源进线接口,还有信号输入输出接口,天线馈入接口等,这些接口的线路较长,符合闪电耦合的条件,是感应脉冲过电压容易侵入的原因,也是感应脉冲过电压波侵入的主要通道。 因此计算机网络系统防雷保护是一个比较复杂的问题,对计算机局域通信网络的防雷保护不仅取决于设备的接口抗力,电源系统的多级防护,防雷保护装置的性能,而且也取决于通信线路的布放方式,均压等电位联接,屏蔽及接地的方式,另外建筑结构以及楼顶铁塔或避雷针的安装方式等都是极其重要的因素,良好的通信线路的布设、屏蔽、等电位联接及接地的方式,可以提高设备的接口抗力和保护水平。
3)计算机通信网络遭雷击后,易损部位分别是:计算机同轴网络适配卡、特定功能的接口适配卡(例如:带R232串行通信接口的多功能卡等),计算机远程通信用的调制解调器、路由器、交换机、采集器、计算机电源系统各器件等方面。尤其是象这些设备的连接MODEM的串口、连接双绞线的RJ45端口等信号部分应进行信号部分的保护、避免因路由器、局域网交换机端口被雷击或高电压击穿。对于局域网上所用的双绞线,如果它连接的设备不在一个电源环境内、或走线距离比较长时(不在一个房间内或者跨越楼层),双绞线两端连接的设备都应安装防雷设备,避免因两端设备电压不一致时较高的电压通过双绞线击向电压较低的设备;局域网使用细缆作为传输介质时,因其连接多台设备、更应安装防雷设备。连接MODEM的专线和拨号线,均为架空线,且由室外进入室内,遭受雷击的概率大于其它任何计算机设备,故必须首先提高通信接口和电源系统的自身抵抗力,在计算机各通信接口处安装各类通信接口防雷器,特别是主机与采集器、宽带路由器、服务器的输出接口均要加装信号防雷装置。在电源系统,即计算机电源、UPS电源、市电电源等前级必须安装电源防雷器,并按分区、分级、分层的防御理论进行防雷器的安装,同时通过合理的布线、屏蔽、均压等电位联接理论及规范的接地等有效措施降低雷电可能引起的侵害程度。
根据我国有关资料统计,通讯线路被雷击后造成的损失约占整个雷击损失的70%以上,而且线路受到强雷击时很可能使其连接的MODEM、路由器、交换机、采集器等设备也同时遭受损坏,因此通讯线路与设备关系网络是否畅通、气象数据能否及时准确传输的问题,这部分应予重点保护。
4结论
自动气象站的防雷工作是十分重要的,由于雷击造成的损害可能会使整个系统瘫痪,导致仪器设备不能正常采集,观测数据的永久丢失。因此,如何全面系统地做好防雷工程至关重要,同时也要考虑环境、地理位置等方方面面的因素,从根本上做好自动气象站防雷工作,尽可能减少雷击带来的各种损害,保证气象工作的正常顺利运行是我们还应不断探讨的问题。
参考文献
[1]《建筑物的雷电防护》IEC-1024.
[2]《建筑物防雷设计规范》GB50057-94.2000版.
[3]《建筑物电子信息系统防雷技术规范》GB50343-2004.
[4]《电子计算机房设计规范》GB50174-93.
[5]《气象信息系统雷击电磁脉冲防护规范》QX3-2000 .