氣象觀測設(shè)備雷電災(zāi)害防御關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用研究

三明市氣象局 李衣長 張泉鋒 龔 偉 楊 希 李順新

氣象觀測設(shè)備雷電災(zāi)害防御關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用研究

三明市氣象局 李衣長 張泉鋒 龔 偉 楊 希 李順新

隨著氣象現(xiàn)代化技術(shù)的快速發(fā)展，許多精密的氣象觀測、采集、處理設(shè)備被廣泛應(yīng)用，但是氣象觀測設(shè)備防抗雷電電磁脈沖和雷電感應(yīng)過電壓、過電流能力弱，頻繁發(fā)生因雷擊事故損毀設(shè)備，進而影響業(yè)務(wù)的正常運行。該文通過對氣象觀測設(shè)備雷擊災(zāi)害事件的調(diào)查、鑒定與分析，總結(jié)雷擊災(zāi)害原因，按照因地制宜、經(jīng)濟合理的原則，提出做好直擊雷防護、等電位連接、線纜屏蔽與接地、安全保護接地與供配電系統(tǒng)防雷等雷電防御關(guān)鍵技術(shù)措施，并在雷電環(huán)境惡劣之處采取“獨立接閃裝置”等特殊防雷措施，在實際工程運用中取得良好的效果。

氣象 觀測設(shè)備 雷電防御 關(guān)鍵技術(shù)

近幾年來，隨著氣象觀測技術(shù)的快速發(fā)展，氣象觀測設(shè)備集成度與科技水平越來越高，越來越精密，這些精密的氣象采集、處理設(shè)備被廣泛應(yīng)用，也產(chǎn)生了一個棘手的安全問題，就是因其防抗雷電電磁脈沖和雷電感應(yīng)過電流、過電壓能力很弱，加上防雷措施不夠完善等原因，導(dǎo)致氣象觀測設(shè)備頻頻遭受雷擊，給氣象觀測業(yè)務(wù)的正常開展帶來嚴重威脅，同時也影響了氣象預(yù)測、預(yù)報工作。因此，近年來氣象觀測環(huán)境和探測設(shè)備的防雷工作引起了氣象部門的高度重視，本文通過對多起氣象觀測設(shè)備雷擊災(zāi)害事件的調(diào)查、分析和鑒定，開展了氣象觀測設(shè)備雷電災(zāi)害防御關(guān)鍵技術(shù)研究，取得了一些應(yīng)用研究成果，并在指導(dǎo)整改的實踐中取得良好的實效。

1 氣象觀測設(shè)備遭受雷擊狀況分析

據(jù)不完全統(tǒng)計，僅2016年1～8月因雷擊造成福建省氣象觀測設(shè)備損毀事件57起，永泰、閩清等35個站次因氣象觀測設(shè)備遭受雷擊影響了業(yè)務(wù)的正常運行，雷擊主要造成大監(jiān)站、海洋站、雷達站、區(qū)域站等各種探測場所的主采集器、地溫分采集器、傳感器（溫、濕、壓、地溫）、變壓器、主機端口等大量設(shè)備損毀，具體損毀情況見表1。

表1 2016年1～8月福建省氣象觀測設(shè)備遭雷擊損毀次數(shù)及所占比例

從表1可見，2016年1～8月，福建省氣象部門發(fā)生了57起雷擊事件，造成了79項氣象觀測設(shè)備損毀，包括自動站主采集器、觀測業(yè)務(wù)用電腦及串口服務(wù)器、（溫、濕、地溫）采集器與傳感器、變壓器、電源避雷器及風(fēng)廓線雷達、閃電定位儀等，其中自動站主采集器（包括DZZ5新型站、CAWS600自動站）因雷擊損毀情況嚴重，達到24起，占雷擊總損毀設(shè)備的30.3%；其次是觀測業(yè)務(wù)用電腦及串口服務(wù)器、接口等設(shè)備因雷擊損毀，共18起，占總損毀設(shè)備的22.8%；溫、濕、地溫采集器與傳感器損毀16起，占總損毀設(shè)備的20.3%；變壓器、電源避雷器及其他供電設(shè)施損毀9起，占總損毀設(shè)備的11.4%；防雷板、光纖板、光纖模塊及風(fēng)廓線雷達、閃電定位儀等其他設(shè)備損毀12起，占總損毀設(shè)備的15.2%。

2 氣象觀測設(shè)備雷擊原因分析

通過對大量氣象觀測設(shè)備雷擊災(zāi)害現(xiàn)場的堪察分析，發(fā)現(xiàn)雷擊原因主要有以下幾方面。

2.1 采集器防雷安全設(shè)計不科學(xué)、不合理

針對DZZ5新型站、CAWS600自動站主采集器容易遭受雷擊損毀的情況進行分析，發(fā)現(xiàn)采集器在防雷設(shè)計方面存在防雷安全缺陷。

（1）為防護沿電源通道侵入采集器的閃電電涌危害，設(shè)備生產(chǎn)廠家通常在采集器電源部分提供了三段保護：A段為輸入端具有過電流保護及電涌保護器；B段為中繼和RF過濾；C段為精細箝位保護，具有一定的防雷功能；但是，信號通道各傳感器的信號經(jīng)過多通道的防雷板，再進入數(shù)據(jù)采集核心，在信號通道上采集器采用了氣體放電管，而氣體放電管的反應(yīng)時間較長，一般應(yīng)放在線路輸入端，作為一級浪涌保護器件，承受大的浪涌電流，應(yīng)增加壓敏電阻作為二級保護器件，在μs級時間范圍內(nèi)更快地響應(yīng)，對于這類高靈敏的電子電路，還建議增加TVS作為第三級保護器件，在PS級時間范圍內(nèi)對浪涌電壓產(chǎn)生響應(yīng)；

圖1 防雷板防雷元件安裝示意圖

（2）防雷板安裝的防雷元件（主要是氣體放電管）無狀態(tài)顯示標(biāo)識(見圖1)，造成防雷元件因雷擊損毀或發(fā)生故障但不能及時發(fā)現(xiàn)和更換。

（3）防雷板接地端子設(shè)計不合理且無標(biāo)識（見圖2），致使不少臺站誤將接地線連接到防雷板固定螺栓孔上，造成大量采集器防雷板接地端子未采取安全保護接地，從而導(dǎo)致采集器容易因雷擊損毀。

圖2 防雷板接地端子設(shè)置示意圖

2.2 廠家在設(shè)備安裝上技術(shù)指導(dǎo)不夠

通常氣象觀測設(shè)備安裝人員多為氣象部門大探中心或保障中心人員，對設(shè)備的防雷安全工作原理和安裝注意事項不夠了解，因缺乏廠家的現(xiàn)場指導(dǎo)，在防雷裝置安裝上較為混亂，表現(xiàn)為：

（1）防雷保護接地材料粗細不一，安裝方法各異；

（2）采集器、防雷板、溫濕模塊等各種設(shè)備保護接地安裝位置各不相同；

（3）線纜屏蔽處理措施也各不相同。

2.3 防雷安全措施安裝不規(guī)范、不到位

因部分氣象臺站對防雷安全工作重視不夠，在氣象觀測設(shè)備安裝前未對防雷安全設(shè)計進行必要的審查和論證，存在安全措施安裝不規(guī)范、不到位情況；在后期的改造或新增觀測設(shè)備時未考慮防雷安全因素，存在嚴重雷擊安全隱患。

2.3.1 防直擊雷裝置安裝不規(guī)范

一些氣象觀測值班室等建（構(gòu)）筑物防直擊雷裝置安裝不規(guī)范，出現(xiàn)屋面未安裝防直擊雷接閃裝置，或是安裝的防雷接閃裝置不科學(xué)、不合理。例如，永安市風(fēng)廓線雷達站在站房屋面對稱安裝兩根接閃桿保護，而接閃桿與雷達天線罩距離太近，達不到安全距離要求，卻又未采取等電位連接措施，造成雷達頻頻遭受雷擊，屋面接閃桿不但未能對雷達天線罩起到保護作用，反而起到引雷的危害。

2.3.2 線路直接或架空引入值班室

氣象觀測業(yè)務(wù)值班室外電源線、信號線、閉路電視饋線等各種線纜布設(shè)凌亂，且直接或架空引入值班室，三明市寧化縣、將樂縣地面氣象觀測值班室各種線纜就是直接架空引入，這樣容易導(dǎo)致閃電電涌沿各種線纜侵入值班室，從而破壞氣象觀測設(shè)備現(xiàn)象。各種線纜直接或架空引入值班室現(xiàn)象示意圖，見圖3。

圖3 各種線纜直接或架空引入值班室示意圖

2.3.3 風(fēng)塔上的電源線、信號線無屏蔽措施

地面氣象觀測站風(fēng)塔上敷設(shè)的電源線、信號線未采取穿金屬管屏蔽措施，而是直接綁在風(fēng)塔金屬鋼架柱上，這相當(dāng)于將風(fēng)向、風(fēng)速信號線纜敷設(shè)在風(fēng)塔防雷引下線上，即使風(fēng)向、風(fēng)速信號線自身采用了帶屏蔽層的電纜，由于其屏蔽層無法將風(fēng)塔接閃后的雷擊電磁脈沖全部屏蔽掉，風(fēng)向、風(fēng)速信號線上會仍感應(yīng)出遠遠高于采集器電子元件所能承受的電涌電壓，因此，常常發(fā)生因風(fēng)塔遭雷擊引發(fā)線路感應(yīng)雷電流，雷電流沿線路侵入采集器等設(shè)備造成損壞現(xiàn)象。氣象觀測站風(fēng)塔上電源線、信號線無屏蔽措施設(shè)置示意圖見圖4。

圖4 風(fēng)塔上電源線、信號線無屏蔽措施設(shè)置示意圖

2.3.4 氣象觀測設(shè)備防雷保護接地線纜過長且線徑偏細

部分氣象臺站觀測場內(nèi)氣象觀測設(shè)備防雷保護接地線纜過長，遠遠大于規(guī)范所要求的0.5m；所選保護接地線線徑偏細，如:選用銅芯線，其截面積不應(yīng)小于6mm2，否則會造成接地線阻抗偏大，造成發(fā)生因雷擊引起設(shè)備對地電位高，從而導(dǎo)致氣象設(shè)備損毀現(xiàn)象。

2.3.5 氣象觀測設(shè)備未采取保護接地措施

部分氣象臺站觀測設(shè)備未采取保護接地措施，如防雷板、數(shù)據(jù)采集器、智能溫濕模塊等未采取保護接地措施，常常導(dǎo)致因雷擊造成損毀現(xiàn)象。

2.3.6 氣象觀測設(shè)備線纜屏蔽層未采取保護接地措施

不少氣象臺站自動站主采集器、分采集器線纜屏蔽層未采取保護接地措施，從而造成因雷擊引發(fā)線路感應(yīng)雷電流導(dǎo)致采集器損毀現(xiàn)象。

2.3.7 配電系統(tǒng)防雷措施不到位

供配電系統(tǒng)頻頻遭受雷擊，造成供電中斷、設(shè)備損毀，主要原因就是不少臺站不重視配電系統(tǒng)的防雷安全，有些臺站配電系統(tǒng)接地措施安裝不規(guī)范，導(dǎo)致一發(fā)生雷電現(xiàn)象就頻繁跳閘，或出現(xiàn)零地串?dāng)_電壓高，影響電子設(shè)備的正常工作，甚至造成電子設(shè)備損毀的現(xiàn)象發(fā)生；有些臺站電源系統(tǒng)未安裝電涌保護器或安裝的電涌保護器不符合規(guī)范要求，或是長期投入使用后未按規(guī)定時間檢測，造成電涌保護器發(fā)生故障未能及時發(fā)現(xiàn)和更換，導(dǎo)致常常因閃電電涌侵入配電系統(tǒng)損壞氣象觀測設(shè)備現(xiàn)象發(fā)生。

3 氣象觀測設(shè)備防雷安全關(guān)鍵技術(shù)要求

通過對大量氣象觀測設(shè)備雷擊災(zāi)害事件的調(diào)查、鑒定和分析，以及防雷整改工作的效果檢驗，得出在進行氣象觀測設(shè)備防雷設(shè)計、安裝時，應(yīng)根據(jù)氣象觀測設(shè)備長期處于直接雷擊和雷電電磁場威脅的雷擊環(huán)境，以及雷電活動頻繁、設(shè)備對雷電電磁脈沖和雷電感應(yīng)過電壓、過電流的抗擾度低、雷擊容易造成設(shè)備損毀且對氣象業(yè)務(wù)運行影響大等特點，應(yīng)按工程整體要求，進行全面規(guī)劃，協(xié)調(diào)統(tǒng)一采取外部防雷措施和內(nèi)部防雷措施，做到安全可靠、技術(shù)先進、經(jīng)濟合理，要做好以下幾項關(guān)鍵防雷安全技術(shù)措施。

3.1 規(guī)范安裝直擊雷防護措施

規(guī)范安裝氣象觀測場所與探測設(shè)備的防直擊雷措施是首要任務(wù)。氣象觀測環(huán)境及觀測設(shè)備應(yīng)按照《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》（GB50057-2010）規(guī)定的第二類防雷建筑物設(shè)計安裝直擊雷防護措施，對于雷電環(huán)境惡劣，頻頻發(fā)生雷擊損毀氣象觀測設(shè)備的臺站，可考慮按照第一類防雷建筑物要求采取獨立的防直擊雷裝置[1]，將防直擊雷接地裝置與防閃電感應(yīng)接地裝置分開設(shè)置，降低雷擊損壞設(shè)備的概率。另外，觀測場內(nèi)的防雷接地裝置應(yīng)根據(jù)探測設(shè)備布局進行布設(shè)，接地電阻值一般要求不大于4?，應(yīng)敷設(shè)成網(wǎng)格型接地體，能有效防止跨步對人員的危害，同時也能為設(shè)備安裝M型網(wǎng)形結(jié)構(gòu)等電位連接提供條件[2]。

觀測場為邊長25m的正方形場所[3]，其最高物體為觀測場東北角的風(fēng)塔，高度約為11m，為充分利用現(xiàn)有條件，其直擊雷防護可通過安裝在風(fēng)塔上的接閃桿來實現(xiàn)，接閃桿通過絕緣材料安裝在風(fēng)塔上，使整個觀測場內(nèi)的所有氣象設(shè)備基本處于風(fēng)塔接閃桿有效保護范圍內(nèi)，接閃桿引下線采用多股銅芯線的屏蔽電纜，其截面積應(yīng)不小于50 mm2，并沿風(fēng)塔外邊沿敷設(shè)入地，當(dāng)接閃桿可采用獨立接地網(wǎng)，該地網(wǎng)與觀測設(shè)備的保護接地網(wǎng)間距符合《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》（GB50057-2010）Se1的要求且不小于3m時，兩地網(wǎng)最好各自獨立設(shè)置；當(dāng)受條件限制需共用地網(wǎng)時，接閃桿引下線入地點附近應(yīng)設(shè)置不少于一根垂直接地體，并與觀測場地網(wǎng)作可靠電氣連接，連接點與其他設(shè)備接地點之間的距離宜大于10m[4]。

3.2 做好氣象觀測設(shè)備的等電位連接

氣象觀測設(shè)備的等電位連接至關(guān)重要，按照《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》（GB50057-2010）及《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》（GB 50343-2012）等防雷技術(shù)規(guī)范要求，應(yīng)將所有氣象觀測設(shè)備應(yīng)就近與等電位連接網(wǎng)絡(luò)或接地體連接，一般氣象觀測設(shè)備可采用S型等電位連接方式，對于頻率為MHz級的氣象觀測設(shè)備應(yīng)采用M型等電位連接，通過兩根接地線連接到等電位連接網(wǎng)絡(luò)或接地體中去，等電位連接線的長度不宜大于0.5m，其長度相差宜為20%，等電位連接線采用銅芯線時其截面積不應(yīng)小于6mm2。

3.3 做好線纜屏蔽與接地

引入氣象觀測業(yè)務(wù)值班室或氣象觀測設(shè)備的各種電源線、信號線等（包括風(fēng)塔上敷設(shè)的電源線與信號線纜）應(yīng)穿金屬管屏蔽埋地引入，屏蔽管連接處應(yīng)采用金屬線跨接，并在兩端采取接地措施，才能有效防范閃電電涌侵入對氣象觀測設(shè)備的危害。

3.4 規(guī)范安裝氣象觀測設(shè)備的保護接地

對各類氣象觀測設(shè)備應(yīng)采取可靠的保護接地措施[5]，尤其是防雷板、數(shù)據(jù)采集器、智能溫濕模塊等集成度較高的數(shù)據(jù)采集、處理設(shè)備等，規(guī)范安裝保護接地措施是非常重要的，經(jīng)與北京某氣象觀測設(shè)備公司技術(shù)人員探討，建議將防雷板中部位置處的孔洞采用不小于2.5mm2的銅芯線接地，將采集器VDC端口的G接口處采用不小于2.5mm2的銅芯線接地。

為避免風(fēng)塔接閃后通過地網(wǎng)泄放雷電流時對附近接地保護設(shè)備產(chǎn)生干擾，要求風(fēng)塔防雷引下線接地點與觀測場地網(wǎng)上其他接地保護設(shè)備之間的距離應(yīng)不小于10m。

3.5 規(guī)范安裝供配電系統(tǒng)防雷措施

氣象觀測場所的供配電系統(tǒng)是雷電災(zāi)害高發(fā)區(qū)，對于變壓器安裝在室外的雷達站等探測場所來說，做好變壓器的工作接地、保護接地和安裝高壓避雷器等事項是至關(guān)重要的，應(yīng)規(guī)范安裝供配電設(shè)備的工作接地和保護接地措施，接地電阻值一般應(yīng)不大于4?，同時應(yīng)盡量避開附近的接閃裝置。三明市泰寧峨嵋峰雷達站的變壓器在某一時段內(nèi)頻繁因雷擊損壞，后對該變壓器展開雷災(zāi)調(diào)查，發(fā)現(xiàn)其附近1m處有1根獨立接閃桿，該接閃桿與變壓器進行了等電位連接，接閃桿的引雷作用使變壓器頻頻發(fā)生雷擊損毀現(xiàn)象，后將該獨立接閃桿拆除后，變壓器遭雷擊的問題才得以解決。

氣象觀測設(shè)備對供電質(zhì)量要求較高，對于由市電直接供電的臺站來說，應(yīng)經(jīng)常檢查供電的質(zhì)量和穩(wěn)定性，如果市電電壓明顯偏高或偏低，或是電壓起伏較大，容易導(dǎo)致設(shè)備損壞，應(yīng)考慮安裝穩(wěn)壓裝置；對于零地電壓偏高的臺站，應(yīng)在總配電箱處進行重復(fù)接地處理，并應(yīng)采取合理布線等措施。

4 結(jié)論

各氣象臺站應(yīng)充分認識到加強氣象觀測業(yè)務(wù)系統(tǒng)防雷工作的重要性，切實加大經(jīng)費投入，提高基層臺站氣象觀測設(shè)備防雷能力，減少雷擊風(fēng)險，為此，需認真做好以下幾項工作。

（1）各氣象臺站應(yīng)高度重視做好氣象觀測環(huán)境和觀測設(shè)備的防雷安全工作，在開展氣象觀測項目建設(shè)或安裝氣象觀測設(shè)備時要同步考慮防雷工程建設(shè)需求，合理安排經(jīng)費投入，并把防雷驗收作為氣象觀測設(shè)備安裝項目驗收的必要環(huán)節(jié)。

（2）在新建、擴建、改建氣象觀測場所和安裝氣象儀器設(shè)備時，確保落實防雷安全的“三同時”制度，對一些重要或雷擊環(huán)境惡劣氣象觀測場所的防雷設(shè)計方案應(yīng)請防雷專家論證，從源頭上減少和消除雷擊安全隱患。

（3）在觀測場標(biāo)準化建設(shè)或安裝新的氣象觀測儀器設(shè)備時，一定要充分考慮防雷安全因素，應(yīng)有明確的防雷設(shè)計和安裝要求。

（4）各氣象臺站應(yīng)加強對防雷安全裝置的日常檢查與維護，發(fā)現(xiàn)問題及時向防雷技術(shù)人員反映，定期委托具有相應(yīng)檢測資質(zhì)的防雷檢測機構(gòu)進行檢測，發(fā)現(xiàn)問題及時組織整改，采取有效措施消除雷擊安全隱患。

（5）各氣象臺站在防雷裝置整改過程中，應(yīng)請防雷專業(yè)技術(shù)人員指導(dǎo)、檢查和把關(guān)，確保防雷安全裝置安裝規(guī)范、運行有效。

防雷安全是氣象觀測設(shè)備正常、穩(wěn)定運行的重要保障，通過不斷開展對氣象觀測設(shè)備雷擊災(zāi)害事件的調(diào)查、鑒定與分析，不斷總結(jié)經(jīng)驗，按照氣象觀測設(shè)備防雷安全關(guān)鍵技術(shù)要求，科學(xué)合理采取雷電災(zāi)害防御措施，才能真正提高氣象觀測設(shè)備的防雷安全水平，保證氣象業(yè)務(wù)工作的正常運行。

[1]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部, 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局. 建筑物防雷設(shè)計規(guī)范：GB50057-2010 [M].北京:中國計劃出版社，2010.

[2]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部, 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局. 建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范:GB50343-2012[M]. 北京:中國建筑工業(yè)出版社, 2010.

[3] 中國氣象局. 地面氣象觀測規(guī)范[M].北京：氣象出版社, 2003.

[4] 張鵬,林卓宏,陳巧淑,等.自動氣象站觀測場防雷接地制式的技術(shù)分析[J].氣象研究與應(yīng)用,2012, 33(4):67-69.

[5] 肖穩(wěn)安.雷電和防護及防雷工程管理[M]. 北京：氣象出版社,2009.