龙洞堡机场自动观测系统的防雷设计

刘武

摘 要：针对贵阳机场自动观测系统雷击时雷电入侵的途径和危害，采取相应的防雷设计；系统的防雷设计包括机房内外防护和外场防护：机房防护包括屏蔽、等电位连接和共用接地系统、过电压防护以及综合布线等措施；外场防护包括人工接地体和电涌保护器等措施。

关键词：自动观测；防雷设计；雷电；电涌保护器

中图分类号：TP29 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）15-0074-03

Abstract： In view of the ways and harm of lightning intrusion during thunder and lightning strike of automatic observation system of Guiyang Airport， the corresponding lightning protection design is adopted. The lightning protection design of the system includes the protection inside and outside the computer room and the external field protection. The protection of the machine room includes shielding， equipotential connection and common grounding system， overvoltage protection and comprehensive wiring； field protection includes manual earthing and surge protector.

Keywords： automatic observation； lightning protection design； thunder and lightning； surge protector

引言

随着时代的快速发展，人们逐渐从对雷电现象的感官上的认识发展到对雷电极具危害性的物理层面上的认识。雷电以其极具破坏力的特点对人类的生命、财产安全造成巨大的危害。而机场自动观测系统作为一项保障航班正常运行的关键电子系统，若受到雷击损坏，将不能准确及时提供飞行所需的气象数据，这会直接影响飞行保障工作。因此，对于机场自动观测系统的防雷保护就显得非常的重要和必要。

1 自动观测系统

自动观测系统（AWOS）是机场运行中重要的气象设备，提供跑道视程（RVR）、能见度（Visibility）、修正海平面气象（QNH）和风向风速等要素，为管制员指挥决策、飞行器飞行提供气象保障。系统主要由中央处理单元（CDU）、切换单元（Switch-over Unit）、不间断电源（UPS）、局域/广域网（LAN/WAN）、工作站、专用数据显示器、数据输出系统等构成。其工作原理是利用传感器（温度传感器、气压传感器、风向风速传感器等）感知各种气象要素并将其转化为电信号，然后数据传输系统将电信号传输到数据接收系统，经过相关计算与数据处理，最后便可从显示工作站获得各种气象要素讯息。自动观测系统工作站分为系统维护工作站、观测员工作站、预报员工作站及天气显示工作站，各站点之间是相互独立的[1]。图1为整个自动观测系统的结构图。

自动观测系统的基本模式是传感器——数据采集器——计算机——应用/服务，其用到了现代三大技术。第一类就是电子技术，包括电子测量技术、单片机技术、嵌入式系统技术；第二类就是数据通讯技术，包括计算机网络通讯技术、电信数据通讯技术等，主要负责数据的通讯与传输工作；第三类是计算机技术，包括数据库技术、图形显示和处理技术、数据发布技术等，计算机技术的使用主要是负责将传输的数据进行处理，最后得到所需要的信息。

自动观测系统具有以下的特点：

（1）系统可靠性高：因为航空气象对自动观测系统运行正常率要求较高，因此自动观测系统的可靠稳定极其重要，要能确保系统长时间的无故障工作[2]。

（2）系统采样速度快：自动观测系统的数据采集要求速度快，能实时采集最新数据，无滞后现象。

（3）系统精确度与灵敏度高：数据采集的精度如果不够，正常的微小畸形变化就会被数据采集所产生的误差所掩盖，无法分清是气象本身所产生的差异还是误差产生的差异。

（4）数据量小，处理快：就目前情况而言，常规的自动观测系统观测数据量还是比较少的，而且数据的处理速度也较快。

目前，自动观测系统已是机场运行必须配备的设备，一旦出现故障对航班保障会造成不良影响。因此自动观测系统的工作状况会引起运行部门的高度重视[3]。

2 雷电的破坏原理

2.1 雷电的产生

雷电是天空中一部分带电的云层内部、云层与云层之间或者云层与大地之间一种长距离放电现象，具有大电流、高电压、强电磁辐射等特征。从物理层面来说，雷电就是雷击电磁脉冲（LEMP），它的产生有两种方式：一是雷击电流，通过释放电流回路，形成电流脉冲波；另一种是雷击电流脉冲的产物，通过磁场辐射出的雷击电磁脉冲。这两种方式可以彼此间相互转换。

2.2 雷电的破坏原理及主要途径

雷电的破坏一般是雷击电流引起的。示波器下的雷击电流的波形是一种脉冲电流波，其特征是上沿很陡、下沿较长、能量值很高。而且因制造工艺的发展，各类电子设备与元器件越来越小型化，它们的工作电压甚至仅有几伏，同时作为信息传递的电流也很小，这使得电子设备对雷击电磁脉冲（Lightning electromagnetic impulse，LEMP）极为敏感。所以当电子设备在受到雷击时，放电产生的数十万伏的電压会损坏电子设备的正常运行[3]。

通过对多年雷灾事故的实际调查和分析，我们认为，雷电入侵的途径主要有以下几类：

（1）直击雷。直击雷是一种以强烈电流与高温为破坏手段的云地间放电方式，电压可高达几亿伏。它会对突出的且向上的物体进行雷击，进而造成十分巨大的损害。这种雷电主要以安装避雷针为主要防范手段，但是在避雷的过程中也会出现雷电散击或绕击现象，因此对于直击雷的防范不可忽视。

（2）感应雷。感应雷又称雷电感应，分为静电感应和电磁感应。感应雷不是一种以直击为伤害方式的雷电。它以户外管道为途径，迂回损伤电子设备。感应雷累积电流不高，但发生雷电的次数频繁，所以这种雷击的伤害也不容小觑。

（3）雷电浪涌。电路在遭雷击和在接通、断开电感负载或大型负载时常常会产生很高的操作过电压，这种瞬时过电压（或过电流）称为浪涌电压（或浪涌电流），是一种瞬变干扰。电子设备在升级过程中，集成度也在快速增加，导致对于雷电流的抵抗力也在下降。雷电浪涌许多途径对电子设备进行干扰与破坏，因此安装浪涌保护器对于防止雷电浪涌很有必要。

（4）雷电反击。雷电的反击现象通常是指在接闪瞬间与大地间存在着很高的电压，这种电压对与大地连接的其他金属物品发生放电（又叫闪络）的现象。雷电反击受雷击电位、电流大小及磁场变化的影响。雷电反击会损害设备，甚至危害人体。

（5）雷电入侵波。由于雷击在架空线路的导线上或架空的金属管道上产生的冲击电压，沿着线路或管道的两个方向迅速传播的雷电波称为雷电入侵波。雷电在通过不同的线路时，因为各线路参数不同，就会导致阻抗也不尽相同，因此就会导致线路中某处电压突然变高，电压的突然升高会对电子设备和元件造成极大的损害。

2.3 雷电对电子设备的干扰方式

雷电对电子设备的干扰方式干扰分为三种[4]：

（1）雷电中的电磁辐射对电路、信号线路和电子设备的电磁干扰。

（2）瞬时强大电流对电子设备电路的干扰。

（3）许多电子管道会作为导体传来电磁波，对内设进行损害与干扰。

3 自动观测系统的防雷设计

在分析了雷害入侵的各种途径的基础上，依据国家和有关行业标准，参照IEC的有关防雷技术标准要求，并根据实际防雷工作经验，认为对自动观测系统的防雷应分为机房防雷（机房外部防雷和机房内部防雷）和外场防雷（自动观测系统传感器端和传输）。

3.1 机房外部防雷保护措施

机房的外部防雷保护主要是指机房所在建筑物的直击雷和侧击雷防护，其设计依据主要是GB50057-94《建筑物防雷设计规范》和IEC1024《国际建筑防雷标准》。利用建筑物本身的接闪器（避雷针、带、网）、引下线、接地装置将雷电流的50%泄放入地[5]。

3.2 机房内部防雷保护措施

机房的内部防雷保护主要是指机房内的感应雷，雷电浪涌和雷电入侵波防护，其防雷措施主要有屏蔽、共用接地系统和等电位连接、过电压防护以及综合布线等。

机房内的屏蔽分为设备屏蔽和线缆的屏蔽，设备的屏蔽应在对设备耐过电压水平的基础上，按雷电防护区（Lightning Protection Zone，LPZ）施行多级屏蔽。线缆应敷设在金属屏蔽槽（管）内加以屏蔽，并使金属屏蔽槽（管）两端接地，且在穿越雷电防护区（LPZ）交界处时，与该层等电位连接带连接[6]。

共用接地系统是指利用建筑物基础地网作为共用接地地网。等电位连接是指将分开的装置、各类导电物体用等电位连接导体或电涌保护器（Surge Protective Devices，SPD）连接起来以减小雷电流在它们之间产生的电位差。共用接地系统和等电位连接是减少雷电反击的有效手段。

过电压防护是自动观测系统机房防雷设计的重要环节，分为机房低压供电系统的过电压防护和通讯网络系统设备接口的过电压防护。供电系统应注意其供电制式应使用TN-S系统或TN-C-S系统。 通讯网络系统设备接口处应加装电涌保护器（SPD）并接入等电位连接带上[7]。

综合布线主要考虑：广域网线缆不要与局域网线缆同槽架设；电源线不要与信号线同槽架设，线缆与外墙距离最好在1米以上。

3.3 外场防雷保护措施

自动观测系统外场探测设备建设在距跑道中心线120米处，地势空旷。其防雷保护措施的设计主要依据GB50343《建筑物电子信息系统防雷技术规范》有关接地体的规定。对采集传输模块的保护主要采用空心电感线圈作为级间退耦器件的电涌保护器（见图2）。该型电涌保护器具有低回路阻抗、高使用寿命、高频抑制及滤波功能等特点，能够有效确保系统的精密性、稳定性及可靠性。

综上所述，我们把自动观测系统的防雷设计总结为：分流（Dividing）、均压（Bonding）、屏蔽（Shielding）、接地（Earthing）和防雷保护设备使用的综合，外部防雷和内部防雷缺一不可。

参考文献：

[1]王立志，郭辉，孙国春，等.WJG-Ⅰ型机场气象自动观测系统的设计[J].微型机与应用，1994（8）：7-8.

[2]王伟，彭慧.SAWS-1（B）自动气象观测系统在民航机场中的应用与研究[J].气象水文海洋仪器，2009，26（1）：24-28.

[3]张锦东.雷电对弱电设备的危害及其主要侵入途径探究[J].科技资讯，2012（17）：241.

[4]苗艳梅，孙艳玲.浅谈电子衡器遭受雷电袭击损坏的原理和电子衡器防雷技术[J].衡器，2010，39（7）：35，51.

[5]郑毅.应用Hyper-V技术进行服务器虚拟化[J].电脑与信息技术，2016（5）：37-38.

[6]李德水.HyperV虚拟网络应用模型分析[J].办公自动化，2015（17）：48-50.

[7]王慨.Hyper-VServer2008R2的服务器虚拟化应用研究[J].南通职業大学学报，2011（2）：77-81.