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自動氣象站防雷板的安全性

文檔作者：陳代亮，陳俊文檔來源：湘潭市氣象局		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時間： 2021年11月04日
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第3期
2O10年9月
氣象水文海洋儀器
Meteorological，Hydrological and M arine Instruments
NO．3
Sep．2010
自動氣象站防雷板的安全性
陳代亮，陳 俊
(湘潭市氣象局，湘潭411100)
摘 要：防雷板防雷器件主要是氣體放電管和齊納二極管，部分防雷板的線路設(shè)計(jì)時沒有充分
考慮雷電泄流對信號的影響，雷電狀態(tài)下，盡管防雷器件能夠完成規(guī)定的動作，但也有可能造
成二次雷電感應(yīng)，在雷電泄放的通道上形成不利的電磁感應(yīng)場。本文分析了現(xiàn)有防雷板線路
存在的利弊，并提出了改進(jìn)防雷板結(jié)構(gòu)措施，以提高其防雷效果。
關(guān)鍵詞：雷電；電磁感應(yīng)；接地
中圖分類號：TH765．7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006—009X(2010)03—0097—03
Security on lightning protection board of automatic weather station
Chen Dailiang，Chen J un
(Xiangtan Meteorological Bureau，Xiangtan 411100)
Abstract：The lightning protection device is mainly composed of gas discharge tube and zener diode．
Parts of lightning protection circuit are not designed in the consideration of the effect of lightning
leakage on the signa1．Under the lightning condition，lightning protection devices are able to work，but
it is probably to cause secondary lightning induction that formed negative electromagnetic induction
field in the lightning discharge channe1．This paper analyses the disadvantages of existing lightning
protection circuit and points out the measures to improve the structure of lightning protection board
that can enhance its lightning protection effect．
Key words：lightning；electrom agnetic induction；grounding
1 防雷板設(shè)計(jì)原理
以無錫生產(chǎn)的自動氣象站為例，其主控器內(nèi)
電路板的信道通道前端，即在數(shù)據(jù)線從箱體外殼
進(jìn)人工作電路前通常布置了防雷電路，電路設(shè)計(jì)
基本原理如圖1所示。
圖1中A點(diǎn)與地之間連接的是氣體放電管，
當(dāng)雷電作用時可以釋放10 kA 的雷電能量，其動
作電壓為300 V，響應(yīng)時間小于100 ns；B點(diǎn)與地之
問連接的主要是齊納二極管，動作電壓小于8 V，
響應(yīng)時間小于10 ns，允許通過的最大電流強(qiáng)度：為
60 A。根據(jù)電工原理，當(dāng)雷電波經(jīng)過A點(diǎn)且氣體
圖1 防雷板防雷器件電路原理
放電管還沒有響應(yīng)前，部分雷電波前沿將到達(dá)B
點(diǎn)，如果齊納二極管瞬間動作泄放雷電流，當(dāng)放電
強(qiáng)度達(dá)到60 A時，這時在AB與地之間的電壓將
升為60×5 V(AB之間的電阻為5 Q)，即A點(diǎn)對
收稿日期：2010—02—26．
作者簡介：陳代亮(1974一)，男，大學(xué)，助理工程師．從事雷電監(jiān)測技術(shù)工作．
· 98 · 氣象水文海洋儀器
地的電壓達(dá)到300 V，隨即，氣體放電管響應(yīng)并放
電，如此，AB問的能量配合完成了對雷電的抑
制，起到防雷的作用，盡管還存在圖1所示的殘余
雷電能量，但通過電路及有源器件和電路的濾波，
一般的防雷效果還是很明顯。實(shí)踐中，市場上銷
售的絕大部分信道避雷器的工作原理與圖1大體
相同。
2 防雷板結(jié)構(gòu)及改進(jìn)
無錫無線電研究所生產(chǎn)的自動氣象站主控件
內(nèi)電路信道防雷板的結(jié)構(gòu)大體如圖2所示。
接地
(a)無錫產(chǎn)2氣象要素防雷板外表結(jié)構(gòu)圖
接地
(b)改進(jìn)的2氣象要秉防雷板外表結(jié)構(gòu)圖
圖2 防雷板結(jié)構(gòu)示意及防雷前級電路結(jié)構(gòu)圖
圖2(a)中方塊為氣體放電管，虛線框是數(shù)據(jù)
線纜插口，虛線條即為外數(shù)據(jù)線與內(nèi)電路的連接
線路，實(shí)粗線為接地線。此電路設(shè)計(jì)中，當(dāng)放電管
放電時，勢必存在圖3所示的電磁感應(yīng)現(xiàn)象，隨著
雷電放電強(qiáng)度的大小和雷電波型的不同，將在進(jìn)
人工作電路前的電路上產(chǎn)生大小不同的危害性感
生電流，防雷效果大大降低，如圖3所示。
圖3中，假設(shè)雷電流I經(jīng)接地線到放電管泄
放，在接地線的周圍勢必產(chǎn)生磁感應(yīng)B場，B場里
的數(shù)據(jù)線(虛線所示)因磁感應(yīng)場而產(chǎn)生感生電流
i，i將伴隨信號侵入到工作電路中，使得前級的防
雷效果不盡完善。
該設(shè)計(jì)的不盡人意處，主要是沒有考慮雷電
泄流時雷電流方向及其物理效應(yīng)對其線路的影
響。電路設(shè)計(jì)中，電磁兼容設(shè)計(jì)是電子電路必須
充分考慮的，設(shè)計(jì)接地時，必須知道地電流的實(shí)際
流動路徑，就雷電流來說，其量級高于普通地電流
的幾個量級，如果忽視，其危害性將會很大。
根據(jù)上面的分析，筆者試圖將防雷板的電路
進(jìn)行改造，理論上采用了圖2(b)圖的方法，其有
益的地方，主要是將放電電路(接地)與信號傳輸
線路放在不同方向，根據(jù)感應(yīng)電壓Ul1]===
jcoBAcosO(這里B為騷擾磁路密度；A為接受回
路面積；口交鏈回路面積)，減小干擾信號與工作
信號之間的交鏈交角和回路面積，使磁感應(yīng)效應(yīng)
最小。
圖3 放電管放電對信號的影響
3 自動氣象站防雷的分析
搞好自動氣象站的防雷，必須加深對雷電電
磁感應(yīng)場的認(rèn)識。由于自動氣象站是與自然狀態(tài)
聯(lián)系非常緊密的電子設(shè)備，電磁環(huán)境比單純的建
筑物更復(fù)雜。一般來講，根據(jù)自動氣象站氣象要
素采集特征和傳輸特性，僅從防雷方面就要考慮
供電電源的安全特性以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩匦浴?
如果采用電網(wǎng)電源供電，要認(rèn)真分析電網(wǎng)所承載
的雷電種類和雷電波形，單一地依靠自動氣象站
設(shè)備內(nèi)電路的防雷板防雷，恐怕難以奏效，從電網(wǎng)
傳遞來的雷電強(qiáng)度通常要大于10 kA。實(shí)踐中，
我們不妨將自動氣象站當(dāng)作一個孤立的建筑物，
把設(shè)備機(jī)殼看作是建筑物的外體，機(jī)殼內(nèi)的電路
板看作是建筑物內(nèi)的電子設(shè)備，綜合地運(yùn)用《建筑
物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》和《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技
術(shù)規(guī)范》，用建筑物防雷方法正確分析直擊雷可能
對設(shè)備的侵襲以及不同線纜在機(jī)殼界面處的等電
位聯(lián)結(jié)，在機(jī)殼內(nèi)外的線纜走線和接地走線則靈
活應(yīng)用電子信息系統(tǒng)防雷基本原理。由于雷電哪
怕是經(jīng)過幾道雷電流泄放的雷電仍對電子元件有
很強(qiáng)的殺傷力(如晶體管承受電脈沖的能力往往
小于幾百fJ)，因此要盡最大可能減小接地與工
第3期 陳代亮，等：自動氣象站防雷板的安全性 · 99 ·
作電路的回路面積，減小雷電強(qiáng)度變化率di／ dt
以及其形成的磁場強(qiáng)度H。IEC 62305—4附錄A
第A．1第A。l-l指出：雷電流及其產(chǎn)生的磁場是
主要危害源，雷電流產(chǎn)生的磁場與雷電流有相同
的波形。
4 結(jié)束語
文章主要探討了防雷板防雷電子元件的接地
與信號走線的關(guān)系及影響。不僅對自動氣象站防
雷進(jìn)行了全面的分析，還比較深入地探討了雷電
電磁場對電子線路的影響，盡管缺乏精確的計(jì)算，
也沒有進(jìn)行模擬試驗(yàn)，但本文的分析是切實(shí)的，對
我們的防雷實(shí)踐有一定的指導(dǎo)作用。
防雷接地不是簡單地拉線或“短、直、粗”，還
要注意雷電流泄放的路徑與其它線纜電路的關(guān)
系，減少雷電路徑與工作電路的回路面積。
參考文獻(xiàn)：
[1]白同云，呂曉德．電磁兼容設(shè)計(jì)[M]．北京：北京郵電
大學(xué)出版社，2001．
征稿簡則
1 征稿內(nèi)容
《氣象水文海洋儀器》是國內(nèi)外公開發(fā)行的科
技類期刊。主要刊登氣象、水文、海洋探測技術(shù)及
相關(guān)的論文、綜述、評論、報(bào)道及譯文等。歡迎從
事氣象、水文、海洋儀器及相關(guān)行業(yè)的科研、生產(chǎn)、
管理人員及大專院校師生投稿。
2 來稿要求
2．1 文稿須含要素：題名、作者姓名、作者單位和
所在城市名及郵政編碼、300字左右中文摘要、
3～8個關(guān)鍵詞及其英譯、中圖分類號、文獻(xiàn)標(biāo)識
碼、正文、參考文獻(xiàn)。
2．2 正文各層次標(biāo)題使用阿拉伯?dāng)?shù)字連續(xù)編號、
不同層次問用下圓“．”點(diǎn)、末尾數(shù)字后不加標(biāo)點(diǎn)，
如“1”、“1．2”、“1．2．3”，標(biāo)題一律頂格。
2．3 文中圖及表格要求
標(biāo)題：圖標(biāo)題放在圖的下面，表標(biāo)題放在表的
上面，均居中；
圖及表格中的漢字、數(shù)字、字母均為6號字；
表格采用三線表。
文中圖及表格隨文放置，圖及表序用阿拉伯
數(shù)字連續(xù)編號，不可先見圖、表，后見文，也不可將
圖及表都放在后面。
2．4 數(shù)學(xué)公式中的外文字母要分清大小寫，英文
與希臘字母要分清。所有物理量符號用斜體；用
于表示單位的字母函數(shù)符號、外文專用名詞用正
體。上下標(biāo)字母數(shù)字應(yīng)小一些，以示區(qū)別。計(jì)量
單位要符合國家標(biāo)準(zhǔn)。
2．5 腳注：注明課題的資助基金項(xiàng)目名稱及項(xiàng)目
編號(項(xiàng)目負(fù)責(zé)人姓名、單位、聯(lián)系方式、通信地址
及E—mail)。
2．6 全部作者的簡介：姓名、出生年(如1965
一)、性別、最高學(xué)歷、職稱、職務(wù)、現(xiàn)從事工作、通
信地址、郵編、電話(固定及手機(jī))、E—mail等。
2．7 參考文獻(xiàn)：必須引用作者閱讀過的文獻(xiàn)，非
公開出版物或尚未出版的文獻(xiàn)資料以腳注形式標(biāo)
注。按文內(nèi)出現(xiàn)先后次序編序，各類文獻(xiàn)的著錄
格式按《文后參考文獻(xiàn)著錄規(guī)則》的國家標(biāo)準(zhǔn)GB／
T 7714—2005錄人。可參考《關(guān)于文后參考文獻(xiàn)
著錄規(guī)則執(zhí)行新標(biāo)準(zhǔn)的通知》，例：
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3，等)．題名E3c獻(xiàn)類型標(biāo)識]．出版地：出版者，出
版年．起止頁碼．
b．期刊文章
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3，等)．題名EJ]．刊名，年，卷(期)：起止頁碼．
c．國際、國家標(biāo)準(zhǔn)
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