自动气象站防雷板的安全性
陈代亮,陈 俊
【摘 要】摘 要:防雷板防雷器件主要是气体放电管和齐纳二极管,部分防雷板的线路设计时没有充分考虑雷电泄流对信号的影响,雷电状态下,尽管防雷器件能够完成规定的动作,但也有可能造成二次雷电感应,在雷电泄放的通道上形成不利的电磁感应场。本文分析了现有防雷板线路存在的利弊,并提出了改进防雷板结构措施,以提高其防雷效果。 【期刊名称】气象水文海洋仪器 【年(卷),期】2010(027)003 【总页数】3
【关键词】关键词:雷电；电磁感应；接地
1 防雷板设计原理
以无锡生产的自动气象站为例,其主控器内电路板的信道通道前端,即在数据线从箱体外壳进入工作电路前通常布置了防雷电路,电路设计基本原理如图1所示。 图1中A点与地之间连接的是气体放电管,当雷电作用时可以释放10 kA的雷电能量,其动作电压为300 V,响应时间小于100 ns；B点与地之间连接的主要是齐纳二极管,动作电压小于8 V,响应时间小于10 ns,允许通过的最大电流强度为60 A。根据电工原理,当雷电波经过A点且气体放电管还没有响应前,部分雷电波前沿将到达B点,如果齐纳二极管瞬间动作泄放雷电流,当放电强度达到60 A时,这时在AB与地之间的电压将升为60×5 V(AB之间的电阻为5 Ω),即A点对地的电压达到300 V,随即,气体放电管响应并放电,如此,AB间的能量配合完成了对雷电的抑制,起到防雷的作用,尽管还存在图1所示的残余雷电能量,但通过
电路及有源器件和电路的滤波,一般的防雷效果还是很明显。实践中,市场上销售的绝大部分信道避雷器的工作原理与图1大体相同。
2 防雷板结构及改进
无锡无线电研究所生产的自动气象站主控件内电路信道防雷板的结构大体如图2所示。
图2(a)中方块为气体放电管,虚线框是数据线缆插口,虚线条即为外数据线与内电路的连接线路,实粗线为接地线。此电路设计中,当放电管放电时,势必存在图3所示的电磁感应现象,随着雷电放电强度的大小和雷电波型的不同,将在进入工作电路前的电路上产生大小不同的危害性感生电流,防雷效果大大降低,如图3所示。 图3中,假设雷电流I经接地线到放电管泄放,在接地线的周围势必产生磁感应B场,B场里的数据线(虚线所示)因磁感应场而产生感生电流i,i将伴随信号侵入到工作电路中,使得前级的防雷效果不尽完善。
该设计的不尽人意处,主要是没有考虑雷电泄流时雷电流方向及其物理效应对其线路的影响。电路设计中,电磁兼容设计是电子电路必须充分考虑的,设计接地时,必须知道地电流的实际流动路径,就雷电流来说,其量级高于普通地电流的几个量级,如果忽视,其危害性将会很大。
根据上面的分析,笔者试图将防雷板的电路进行改造,理论上采用了图2(b)图的方法,其有益的地方,主要是将放电电路(接地)与信号传输线路放在不同方向,根据感应电压U[1]=j ω BAcosθ(这里 B 为骚扰磁路密度 ；A 为接受回路面积；θ交链回路面积),减小干扰信号与工作信号之间的交链交角和回路面积,使磁感应效应最小。
3 自动气象站防雷的分析
搞好自动气象站的防雷,必须加深对雷电电磁感应场的认识。由于自动气象站是与自然状态联系非常紧密的电子设备,电磁环境比单纯的建筑物更复杂。一般来讲,根据自动气象站气象要素采集特征和传输特性,仅从防雷方面就要考虑供电电源的安全特性以及数据传输的安全特性。如果采用电网电源供电,要认真分析电网所承载的雷电种类和雷电波形,单一地依靠自动气象站设备内电路的防雷板防雷,恐怕难以奏效,从电网传递来的雷电强度通常要大于10 kA。实践中,我们不妨将自动气象站当作一个孤立的建筑物,把设备机壳看作是建筑物的外体,机壳内的电路板看作是建筑物内的电子设备,综合地运用《建筑物防雷设计规范》和《建筑物电子信息系统防雷技术规范》,用建筑物防雷方法正确分析直击雷可能对设备的侵袭以及不同线缆在机壳界面处的等电位联结,在机壳内外的线缆走线和接地走线则灵活应用电子信息系统防雷基本原理。由于雷电哪怕是经过几道雷电流泄放的雷电仍对电子元件有很强的杀伤力(如晶体管承受电脉冲的能力往往小于几百μ J),因此要尽最大可能减小接地与工作电路的回路面积,减小雷电强度变化率 di/dt以及其形成的磁场强度H。IEC 62305-4附录A第A.1第A.1.1指出:雷电流及其产生的磁场是主要危害源,雷电流产生的磁场与雷电流有相同的波形。
4 结束语
文章主要探讨了防雷板防雷电子元件的接地与信号走线的关系及影响。不仅对自动气象站防雷进行了全面的分析,还比较深入地探讨了雷电电磁场对电子线路的影响,尽管缺乏精确的计算,也没有进行模拟试验,但本文的分析是切实的,对我们的防雷实践有一定的指导作用。
防雷接地不是简单地拉线或“短、直、粗”,还要注意雷电流泄放的路径与其它
自动气象站防雷板的安全性
