一起雷擊事故成因分析

鄧學(xué)軍,白 慧,李洪彪,潘 竑,楊再奎

(1.貴州省黔東南自治州氣象局防雷減災(zāi)中心,貴州 凱里 556000;2.貴州省黔東南自治州氣象臺(tái),貴州 凱里 556000)

一起雷擊事故成因分析

鄧學(xué)軍1,白 慧2,李洪彪1,潘 竑1,楊再奎1

(1.貴州省黔東南自治州氣象局防雷減災(zāi)中心,貴州 凱里 556000;2.貴州省黔東南自治州氣象臺(tái),貴州 凱里 556000)

通過(guò)對(duì)凱里·黃平機(jī)場(chǎng)氣象站 2010年 3月 23日凌晨雷擊事故發(fā)生時(shí)的天氣系統(tǒng)、雷達(dá)資料、閃電定位監(jiān)測(cè)資料和機(jī)場(chǎng)觀測(cè)場(chǎng)土壤墑情、機(jī)場(chǎng)氣象站地形地貌的分析,并結(jié)合雷擊事故現(xiàn)場(chǎng)勘察和該站雷電防護(hù)設(shè)施檢測(cè)結(jié)果分析,找出造成該站雷擊事故的原因,并提出對(duì)機(jī)場(chǎng)氣象站防雷設(shè)施的整改措施。

雷擊事故;成因分析

1 引言

地面自動(dòng)氣象觀測(cè)站建設(shè)中對(duì)雷電防護(hù)要求非常嚴(yán)格,必須符合技術(shù)規(guī)范要求[1-4],因此,在一般情況下,地面自動(dòng)氣象觀測(cè)站發(fā)生雷擊事故的概率非常小。氣象部門不少防雷工作者結(jié)合自已的實(shí)際工作,對(duì)雷電災(zāi)害進(jìn)行了大量的研究[5-7]。通常情況下,強(qiáng)雷電才容易造成災(zāi)害。但凱里·黃平機(jī)場(chǎng) (籌建中)地面自動(dòng)氣象觀測(cè)站自建站以來(lái),無(wú)論雷電強(qiáng)或弱,均多次遭遇雷擊事故。2010年 3月23日 04:00-04:30,凱里·黃平機(jī)場(chǎng)又遭受雷擊。由于該站不是氣象部門主管單位,黔東南州防雷減災(zāi)中心技術(shù)人員應(yīng)邀對(duì)雷擊災(zāi)情進(jìn)行調(diào)查,并對(duì)雷擊事故進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)勘查和防雷設(shè)施的檢測(cè)。通過(guò)對(duì)這起雷擊事故原因的分析和研究,提出整改措施,對(duì)今后規(guī)范管理氣象部門和非氣象部門地面自動(dòng)氣象觀測(cè)站雷電防護(hù)設(shè)施具有重要意義。

2 雷災(zāi)事故概況

2010年 3月 23日凌晨 04:00-04:30,凱里 ·黃平機(jī)場(chǎng)氣象站自北向南出現(xiàn)雷雨天氣,05:00觀測(cè)時(shí),值班觀測(cè)員發(fā)現(xiàn)該站自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)顯示無(wú)風(fēng)向和風(fēng)速數(shù)據(jù),初步判斷風(fēng)向風(fēng)速監(jiān)測(cè)設(shè)備是因雷擊出現(xiàn)故障。據(jù)技術(shù)人員現(xiàn)場(chǎng)勘查發(fā)現(xiàn),風(fēng)向風(fēng)速儀感應(yīng)部分插線接口處有明顯過(guò)電壓起火痕跡,且測(cè)風(fēng)桿避雷針導(dǎo)流管因雷擊劇烈膨脹或收縮而爆裂。更換風(fēng)向風(fēng)速儀感應(yīng)器后,監(jiān)控系統(tǒng)正常顯示風(fēng)向風(fēng)速數(shù)據(jù),因而判定該地面自動(dòng)氣象觀測(cè)站風(fēng)向風(fēng)速感應(yīng)器因雷擊而損壞,造成風(fēng)向風(fēng)速資料記錄中斷。技術(shù)人員對(duì)該站防雷設(shè)施、接地體電阻和竄擾電壓進(jìn)行檢查和測(cè)試,發(fā)現(xiàn)該站防雷設(shè)施完全不符合《氣象臺(tái) (站)防雷技術(shù)規(guī)范》要求,是導(dǎo)致雷擊事故發(fā)生的直接原因。

3 事故原因分析

3.1 氣象因子分析

3.1.1 雷電災(zāi)害影響系統(tǒng)分析 22日 20:00 500hPa圖上 (圖 1a),四川中部有高空槽發(fā)展東移,槽后有冷平流輸送,對(duì)應(yīng) 700～850hPa川東有低渦切變,貴州上空偏南氣流增強(qiáng),在兩廣和湖南一帶形成低空急流,貴州在急流左側(cè) (圖 1b)。500hPa高空槽東移南壓,將引導(dǎo)中低層低渦切變系統(tǒng)南壓影響貴州,同時(shí),冷平流疊加在中低層暖濕平流之上,是典型的層結(jié)不穩(wěn)定溫度場(chǎng)配置,最容易產(chǎn)生對(duì)流天氣。22日 14:00地面圖上云貴地區(qū)受熱低壓影響,貴州北部有輻合線生成,冷鋒南壓到湖北南部;17:00輻合線南壓到省中部威寧—貴陽(yáng)—黃平北部—玉屏一線,冷鋒進(jìn)入湘北;20:00(圖 2a)輻合線在威寧—貴陽(yáng)—黃平北部—天柱一線,冷鋒進(jìn)入湘中,貴州東北部出現(xiàn)雷陣雨天氣,凱里·黃平機(jī)場(chǎng)位于黃平縣城東北部,恰好位于輻合線附近;23日 02:00輻合線基本維持少動(dòng),貴州中部以東以北沿輻合線附近地區(qū)出現(xiàn)雷陣雨天氣,05:00輻合線西段南壓到興義—貴陽(yáng)南部—麻江—天柱一線,輻合線中東段地區(qū)有雷陣雨,冷鋒到達(dá)湘中偏南一帶;23日 08:00 500hPa槽已東移到貴州東部地區(qū),850hPa切變線南壓到貴州南部一線,地面熱低壓進(jìn)一步減弱西退,冷鋒影響到貴州東部和東北部地區(qū),氣溫下降,能量釋放減弱,08:00觀測(cè)時(shí)貴州境內(nèi)無(wú)雷暴,降水為小雨,說(shuō)明雷電天氣結(jié)束。

圖 1 2010年 3月 22日 20時(shí) 500hPa(a)和 850hPa(b)形勢(shì)場(chǎng)

3.1.2 能量條件分析 20—22日受熱低壓影響,貴州大部地區(qū)氣溫回升明顯,700～850hPa為強(qiáng)偏南暖濕氣流控制,能量積聚增大。據(jù)黃平地面自動(dòng)氣象觀測(cè)站監(jiān)測(cè),20～22日黃平日最高溫度均在25℃以上,22日為 26℃,說(shuō)明大氣積蓄了充足的能量。從 K指數(shù)演變來(lái)看 (圖略),22日 20:00貴州東部和東北部地區(qū) K指數(shù)大于 32℃,有利于雷暴發(fā)生。從貴陽(yáng) 22日 20:00探空資料可知 (圖 2b),大氣具有正不穩(wěn)定能量,且層結(jié)曲線呈“漏斗”狀,具有上干下濕特點(diǎn),有利于對(duì)流天氣發(fā)生。

圖 2 2010年 3月 23日 02時(shí)地面形勢(shì)場(chǎng) (a)和 22日 20時(shí)貴陽(yáng)探空?qǐng)D (b)

3.1.3 雷達(dá)回波及閃電定位資料分析 貴州省雷達(dá)觀測(cè)資料顯示,23日 03:28在龍里北部—福泉西北部—黃平西部和黃平東北部—余慶東部—石阡西南部分別有兩條回波發(fā)展東南移,強(qiáng)中心在龍里北部,強(qiáng)度為 35～40dBz;兩條回波發(fā)展快速,04:02(圖略)兩回波向東南移動(dòng)且合并增強(qiáng),呈西南東北向帶狀貫穿龍里中部—貴定北部—福泉中部—黃平中部—施秉北部一線,強(qiáng)中心在貴定東北部,強(qiáng)度為 40～45dBz,黃平境內(nèi)回波強(qiáng)度僅為 15～30dBz,回波里有多個(gè)相對(duì)較強(qiáng)的對(duì)流單體,凱里·黃平機(jī)場(chǎng)附近有一個(gè)對(duì)流單體,強(qiáng)度為 25～30dBz;04:07,機(jī)場(chǎng)上空出現(xiàn)一個(gè)強(qiáng)度為 30～35dBz的對(duì)流單體,04:25對(duì)流單體移到機(jī)場(chǎng)東南部;04:36整條回波東南移到龍里南部—貴定中部—福泉南部—黃平南部—施秉中部一線,對(duì)機(jī)場(chǎng)的影響結(jié)束。根據(jù)閃電密度和定位資料記錄 (圖略),23日共監(jiān)測(cè)到黃平有閃電回?fù)?118次,全部為負(fù)回?fù)?其中最大負(fù)閃強(qiáng)度為 173.9kA,平均負(fù)閃強(qiáng)度為 40.0kA,雷電流強(qiáng)度分布 <20kA的閃電 1個(gè),20～50kA的閃電101個(gè),50～100kA的閃電 14個(gè),100kA以上閃電的共 2個(gè)。機(jī)場(chǎng)氣象站上空出現(xiàn)雷電天氣,是凱里·黃平機(jī)場(chǎng)氣象站發(fā)生雷擊事故的導(dǎo)因。

3.1.4 土壤墑情及土壤電阻分析 土壤墑情與土壤電阻率關(guān)系密切,土壤電阻率隨土壤濕度、溫度、含水量、含鹽堿量、季節(jié)修正系數(shù)的不同而變化,而接地電阻大小與土壤電阻率直接相關(guān),土壤電阻率過(guò)高的直接原因是土壤缺乏自由離子的輔助導(dǎo)電作用,高溫干燥的天氣,土壤往往是松散的,土壤導(dǎo)電率很低,此時(shí)所測(cè)量出的接地電阻值就會(huì)比其它時(shí)候大得多[8]。凱里·黃平機(jī)場(chǎng)氣象站土壤以黃土為主,通常情況下土壤電阻率在 800～1 000Ω.m之間。據(jù)黃平氣象站觀測(cè)資料分析,黃平縣自 2009年 8月以來(lái)出現(xiàn)了歷史罕見的夏、秋、冬連續(xù)干旱,長(zhǎng)時(shí)間沒有出現(xiàn)有效降水,土壤墑情極差。盡管 3月 23日凌晨黃平出現(xiàn)接近 30mm的降雨,但根據(jù)黔東南州氣象臺(tái) 3月 23日對(duì)黃平實(shí)地土壤墑情觀測(cè)結(jié)果可知,雨水滲透土壤深度僅 10cm,取土測(cè)試20cm深度單位土壤含水率在 10%以下,土壤含水率極低,直接影響了土壤導(dǎo)電率,阻礙接閃雷電電流的泄放,是造成此次雷擊事故發(fā)生的重要原因。

3.2 機(jī)場(chǎng)氣象站地形地貌分析

黃平位于黔東南州西北部,處在雹云或雷雨回波從龍里→貴定→福泉→黃平→施秉→鎮(zhèn)遠(yuǎn)→岑鞏→玉屏西南東北向發(fā)展的路徑上[9],凱里·黃平機(jī)場(chǎng)氣象站位于黃平縣新州鎮(zhèn)東北部的東坡農(nóng)場(chǎng),距離縣城約 17km,是上述路徑雹云或雷雨回波的必經(jīng)之路。機(jī)場(chǎng)氣象站海拔高度為 916.7m,地形地貌為南高北低,東、北、西三面為溝谷,觀測(cè)場(chǎng)與四周地形比較,為相對(duì)獨(dú)立制高點(diǎn),且觀測(cè)場(chǎng)測(cè)風(fēng)桿是觀測(cè)站最高接閃金屬導(dǎo)電體,增加了迎風(fēng)接閃概率,導(dǎo)致雷電電流直接對(duì)測(cè)風(fēng)桿上避雷針放電,避雷針在通過(guò)引下線對(duì)地泄流過(guò)程中,在避雷針泄流導(dǎo)體四周形成強(qiáng)大電磁場(chǎng),處于該磁場(chǎng)中的微電子原件,因磁場(chǎng)感應(yīng)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì),導(dǎo)致微電子原件因過(guò)電壓而損壞。

凸出的特殊地形地貌,加上機(jī)場(chǎng)氣象站位于貴州西南東北向雹云或雷雨回波發(fā)展通道上,這可能是凱里·黃平機(jī)場(chǎng)氣象站雷擊事故多發(fā)的重要原因。

3.3 雷電防護(hù)設(shè)施檢測(cè)分析

機(jī)場(chǎng)氣象站值班室、自動(dòng)觀測(cè)站均安裝防直擊雷保護(hù)裝置,電源部分采取了 1級(jí)防雷電波入侵防護(hù)措施。雷擊現(xiàn)場(chǎng)設(shè)施接地電阻檢測(cè)結(jié)果為:值班室用房 (金屬板房)接地電阻 16Ω,值班室保護(hù)避雷針接地電阻 8.8Ω,自動(dòng)站觀測(cè)場(chǎng)設(shè)備保護(hù)接地電阻8.5Ω,測(cè)風(fēng)桿防直擊雷接地電阻 8.9Ω,觀測(cè)場(chǎng)金屬護(hù)欄接地電阻 8.9Ω,進(jìn)入值班室電源 SPD電源保護(hù)器接地電阻為 42Ω,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于自動(dòng)氣象站對(duì)接地電阻應(yīng)≤2Ω的要求;自動(dòng)站設(shè)備線路串?dāng)_電壓為16～19V,同樣遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)串?dāng)_電壓≤2V的要求。以上數(shù)據(jù)表明,該自動(dòng)氣象站防雷設(shè)施、保護(hù)接地電阻值和竄擾電壓均高于自動(dòng)氣象觀測(cè)站對(duì)防雷接地、儀器保護(hù)接地電阻值和竄擾電壓值的要求值,致使高空雷暴云直接對(duì)自動(dòng)站設(shè)備或風(fēng)桿避雷針放電,形成導(dǎo)電通道,雷電電流不能及時(shí)泄入大地,在探測(cè)儀器或避雷針引下線 (導(dǎo)流管)四周形成極強(qiáng)的電磁場(chǎng),而處于高磁場(chǎng)中的微電子元件因磁感應(yīng)產(chǎn)生高電位,與之所連接的導(dǎo)線形成電位差,當(dāng)電位差超出微電子元件承受能力時(shí),造成微電子元件損壞。雷電防護(hù)裝置不符合技術(shù)規(guī)范要求,是造成凱里·黃平機(jī)場(chǎng)氣象站多次遭受雷擊的直接原因。

4 小結(jié)

為避免和減輕因雷電活動(dòng)給該氣象站再造成損失,保護(hù)工作人員生命和國(guó)家財(cái)產(chǎn)安全,切實(shí)有效做好雷電防護(hù)工作,經(jīng)討論研究,對(duì)凱里·黃平機(jī)場(chǎng)氣象站雷電防護(hù)措施提出以下整改措施:

①在觀測(cè)場(chǎng)東北角和西北角距離觀測(cè)場(chǎng)圍欄3m處增加兩支獨(dú)立避雷針,使測(cè)風(fēng)桿處于獨(dú)立避雷針保護(hù)范圍內(nèi),發(fā)揮避雷針引雷作用,避免雷電對(duì)測(cè)風(fēng)桿及觀測(cè)場(chǎng)內(nèi)儀器直接放電。

②改良接地體接地效果,使自動(dòng)氣象站儀器保護(hù)接地電阻達(dá)到 <2Ω的要求。

③進(jìn)入室內(nèi)電源設(shè)置 3級(jí) SPD保護(hù)措施,SPD接地電阻應(yīng)≤4Ω;進(jìn)入室內(nèi)電源戶外 30m采用埋地屏蔽處理。

④定期對(duì)自動(dòng)站保護(hù)接地電阻進(jìn)行檢測(cè),隨時(shí)掌握接地體接地電阻的變化,當(dāng)接地電阻達(dá)不到規(guī)范要求時(shí),應(yīng)及時(shí)予以整改。當(dāng)接地電阻超出儀器設(shè)備要求,暫時(shí)不能整改時(shí),為保證設(shè)備安全,應(yīng)采用應(yīng)急措施,即當(dāng)雷雨天氣來(lái)臨時(shí),切斷所有電源、切斷室內(nèi)監(jiān)控與室外數(shù)據(jù)采集器線路。

⑤為確保室內(nèi)工作人員和設(shè)備安全,對(duì)值班室金屬板房保護(hù)接地體進(jìn)行整改,使其接地電阻<10Ω。

⑥由雷達(dá)回波分析可知,導(dǎo)致凱里·黃平機(jī)場(chǎng)氣象站雷電災(zāi)害發(fā)生的回波從強(qiáng)度上來(lái)看,強(qiáng)度僅在 30～35dBz之間,為一般的陣雨或雷雨回波,說(shuō)明在特定的條件下,弱強(qiáng)度回波雷暴也可能造成雷擊事故的發(fā)生,在實(shí)際工作中值得探討分析,避免弱強(qiáng)度回波雷電造成災(zāi)害損失。

[1] 中華人民共和國(guó)氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《氣象臺(tái) (站)防雷技術(shù)規(guī)范》.QX4-2000.

[2] GB50343-2004.建筑物電子信息防雷設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3] GB5007-94.建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[4] GB2887-2000.電磁兼容設(shè)計(jì)[S].

[5] 戴世昆,晏敏 .自動(dòng)氣象站的雷電防護(hù)措施[J].廣西氣象,2005,28(3):16-17.

[6] 譚清波,劉朝英,劉詩(shī)韜 .羅甸“7.14”雷災(zāi)事故分析和防護(hù)對(duì)策[J].貴州氣象,2008,32(6):39-40.

[7] 陳磊 .山區(qū)孤立建筑物防雷系統(tǒng)技術(shù)探討[J].貴州氣象,2008,32(6):37-38.

[8] 淺析土壤墑情與接地電阻檢測(cè) .第五屆中國(guó)國(guó)際防雷論壇,2006.

[9] 貴州省短期天氣預(yù)報(bào)指導(dǎo)手冊(cè) .貴州省氣象局,1987,324-325.

T M862

B

1003-6598(2010)06-0045-03

2010-06-08

鄧學(xué)軍 (1969-),男,工程師,主要從事防雷管理和技術(shù)服務(wù)工作。