Milos500型自动站雷电过电压保护

Milos500型自动气象站雷电过电压防护

陈丽红¹，杨　红²
（1.南昌市气象局，江西南昌　330046；2.江西信息应用职业技术学院，江西南昌　330043）

    摘　要：雷电过电压幅值高、陡度大，自动气象站的微电子设备脆弱，一旦遭遇雷击则损失重大。据此，分析了自动气象站的雷电过电压强度、入侵途径，并参照通信系统的防雷措施，探讨了用接地防反击、电磁干扰，多级重点保护电源，加装保护器和保护通信线路及传感器、采集器等方法来防护雷电灾害，以确保自动气象站正常有效地工作。
    关键词：自动气象站　雷电　过电压　防护
    中图分类号：TM683；P415.1+2 文献标识码：B　文章编号：1007-9033（2005）01-0056-03

    自动气象站是由传感器、采集器和主控微机３大部分组成的自动化电子系统。它通过通信线路与外界进行信号和数据的交换和传输。其本质是以大规模和超大规模集成电路为核心的微电子设备。它只耐低压，对电磁脉冲特别敏感，抗雷电过电压的能力脆弱。雷电过电压干扰是强电磁干扰，峰值电流高达几百甚至千Ａ，上升时间仅几μs，持续时间为ms到s量级，闪电所辐射的电磁场频率主要为10～100 kHz。它可经过各种途经进入自动气象站，轻者产生影响其工作的躁声干扰，引起系统误动作或失常；严重的可使设备局部损坏或整体报废。1992年国家气象中心大型计算机网络、通信系统硬件被破坏，通信中断；广州区域气象中心1993年、1994年VAX6200中断38 h，经分析都是遭雷击所致，损失巨大。因此，预防雷电过电压损害，已成为自动气象站网络可靠性设计的重要组成部分。
1　自动气象站干扰源、雷电入侵的途径和强度分析
1.1　干扰源分析
　　自动气象站是由大量的电子元器件集合而成的电子电气设备，对电磁干扰相当敏感。电磁干扰源通常分为2类：一类是人为干扰源。包括电力系统的隔离开关、断路器、系统扰动等产生的过电压，高频辐射的电磁干扰，以及来自有线通信网络的干扰等。另一类是自然干扰源。包括雷电放电，宇宙射线以及其它天体和气象活动的干扰。其中雷电过电压对自动气象站的危害极大，是主要干扰源。自动气象站遭受的雷电灾害主要有直击雷和雷击电磁脉冲损害。其中直击雷击中自动气象站的概率极小，通常可采用避雷针或避雷网的保护方式；而雷击电磁脉冲对自动气象站的损害概率较大，宜采用综合防护措施。
1.2　雷电入侵途径分析
1.2.1　自动气象站的组成
    Milos500型自动气象站，主要由传感器、采集器、主控微机和通信接口组成。其中传感器的功能是将气象要素转换成电参数，以实现气象观测自动化、智能化。采集器由接口电路、中央处理器、存储器和相应的软件组成。它的功能是采集各传感器输出的电信号，进行线性化和定性化处理，以实现工程量到要素的转换，从而对数据进行质量控制、存储和统计处理，并按规定格式形成逐日标准观测数据文件。主控微机是配合专门气象观测软件的自动气象站的观测数据处理控制终端，是观测员对自动气象站进行控制和操作的平台。通信接口主要用于报文、数据等的传送。
1.2.2　雷电侵入的途径
    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。一般来讲，雷电入侵自动气象站的可能途径有4条，分别为电源线、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，以及地电位的反击电压。其中以从电源线入侵的概率最大。
1.2.2.1　电源线入侵
    自动气象站的电源由低压线输入室内。雷电可沿配电线以行波的方式侵入电源，使电力线路失效或损坏。其中直击雷击中高压线产生的过电压经过变压器耦合后，到次级沿220 V线路入侵室内电源设备。另外，直击雷也可能击中变压器到室内的低压线路，从而产生过电压。同时，雷击电磁脉冲也可能在220 V的低压线路上耦合产生过电压，对自动气象站造成严重损害。
1.2.2.2　通信线入侵
    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，一方面使处于户外的传感器、采集器轻则失效，重则毁坏；另一方面，可能击穿网络线或传感器到采集器和采集器到主控微机之间的电缆线的绝缘层，使瞬态过电压沿通信线直接入侵。若通信线路遭雷击电磁脉冲袭击时，会在线路上感应出数千 V的过电压入侵。
1.2.2.3　地电位反击通过接地体入侵
    按GB50057-94规范，把信息系统所在建筑物或构筑物按需要保护的空间，由外到内分为不同的雷电防护区，分别为IPZOA、LPZOB、LPZ1、LPZ2……LPZn，自动气象站应置于LPZOB区或更高级别防雷区内。当避雷针接闪，自动站与引下线绝缘距离不够时，强大的雷电流泄放大，会对自动气象站产生反击，反击电压可达数万 V。
1.3　雷电入侵强度分析
    雷电从各途径入侵自动气象站的强度，是自动气象站雷电防护的基本参数，决定了雷电防护的设计。QX3-2000设计使用的各种电漏保护器的防护水平（Up），均要满足或配合被保护设备的耐压水平。当无法准确获取被保护设备耐压水平值时，可参照下列值进行设计：220/380 V三相系统中，电源处的设备为6 kV，配电线路和最后分支线路的设备为4 kV，用电设备为25 kV，特殊需要保护的设备为15 kV，通讯设备预期耐压模冲击过电压值为10 kV。
2　自动气象站防护雷电的措施
2.1　接地
    接地是防雷的基础。接地可分为：交流电源接地、直流工作接地、安全保护接地以及防雷接地。运行方式可采用分地和共地运行2种方式。经分析可发现，从降低反击电压来看，共地运行方式优于分地运行方式。对自动气象站而言，应建立联合的共地运行方式（图1）。由图1可知，在正常情况下,电源接地、通信线接地、感应器采集器通道接地以及保护接地，可采用统一的单点接地与防雷接地系统分开，以防止低频杂散电流的干扰。雷电期间，在建筑物底层两接地系统中，应通过低压避雷器相连，以防止闪络对自动气象站反击的发生。对于户外的感应器和采集器、采集器和主控微机间的传输电缆，宜采用全屏蔽线，并采用多点接地。在雷电多发地区。可在电缆上方约30 cm处铺设2根与电缆平行的接地金属导体。

2.2　防护系统
    对于自动气象站来说，除须采取统一的接地措施以外，还必须针对供电电源、通信线路等进行具体的保护。
2.2.1　低压电源的保护
2.2.1.1　单级保护
    为了防止220 V的低压线被雷击，或雷击电磁脉冲所产生的过电压对电源系统的破坏，一般应在用户进线侧加装低压电漏保护器或放电器。根据雷电入侵电线的强度，选择通流量为3～5 kA，最多10 kA，冲击放电电压低于电源的绝缘冲击电压的电漏保护器。
2.2.1.2　多级保护
    单级保护简单，但可靠性相对来说要差些，因此可采取更有效的多级保护电源措施（图2）：第一级采用气体放电管，将大的雷电流限制在后级可忍受的范围内。二级压敏电阻、三级雪崩二极管将输出电压钳制在规定值，L1、L2对高频的过电压具有较大的抑制作用。这样导线虽受雷击，但经过多级保护，电源及其后续主控微机等能够得到很好的保护。当然也可通过加装MOA及削平电容器，将雷电过电压限制在可接受的水平上。

2.2.2　传感采集通道及通信线的保护
　　在传感器、采集器及PSTN终端设备前，都须装保护器，给传感器、采集器，以及每一传输线路提供对地有效保护。根据传感器线路上可能出现的感应过电压幅值，以及采集装置的峰值冲击电压耐量,考虑对RS-232接口的兼容性,可选择瞬态功率为600 Ｗ、工作电压为18 Ｖ的双向TVS作为保护器件。对PSTN线路终端的保护,考虑到网络上可能出现的感应过电压幅值,可采用非破坏通流量达5 kA以上的气体放电管，作大电流限幅保护器件,并以瞬态功率达1.5 ｋＷ的TVS器件作为快速箝位之用。这种模式也是国际上比较标准的保护方式,可为电话线路终端设备提供较为可靠的防雷击电磁脉冲保护。

参考文献

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2　陈大涌.中尺度自动气象站防雷技术探讨［J］.泉州师范学院学报（自然科学），2002，20（4）：57～60.
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4　巩学海.微波通讯站供电电源的防雷保护研究［J］.华北电力技术，1997，(12)：1～3、13.
　

Defend Milos 500 Automatic Weather Station
Against High Pressure Of Thunderbolt

CHEN Li-hong1 , YANG Hong2
（1.Weather Bureau of Nanchang City , Nanchang 330046 , China;
2.Jiangxi Institute of Information Application Technology , Nanchang 330043 , China）

Abstract: High pressure of thunderbolt has big scope and gradient and automatic weather station , whose micro-electronics equipment is flimsy , will be destroyed on thunderstroke . Thereby , the intensity and inbreak route of high pressure of thunderbolt are analyzed . Furthermore , consulting the thunder prevention measures of communication systems , such measures as to defend counterattack and electromagnetic wave by earthing , to protect power supply emphatically , to install protector , to protect communication lines of communication , sensor and receiver ,etc. are discussed to ensure automatic weather station works normally and effectively .
Key words: Automatic weather station Thunderbolt High pressure Defend against

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收稿日期：2004年08月26日
第一作者简介：陈丽红（1976－），女，助理工程师，主要从事大气探测工作。