氣象自動站雷擊事故分析及防護(hù)對策

摘要：氣象觀測設(shè)施都處在空曠的高地，每年因雷擊造成氣象設(shè)施損壞事件時(shí)有發(fā)生，特別是處在雷電多發(fā)區(qū)的廣東省，近年來集成化程度高、耐壓水平低的氣象自動站的普遍應(yīng)用，因雷擊造成氣象設(shè)施損壞的事件呈增長趨勢。文章就多年來廣東省氣象自動站發(fā)生的雷擊事故調(diào)查、統(tǒng)計(jì)及分析，從防直擊雷、防閃電感應(yīng)、地電位反擊以及等電位連接等方面分析其雷擊事故原因，找出防雷系統(tǒng)存在的缺陷，提出相應(yīng)的防御對策。

關(guān)鍵詞：氣象自動站；雷擊事故；防護(hù)對策

中圖分類號：P415.12 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Abstract： Meteorological observation stations are located in open heights. Damage to meteorological observation equipment caused by lightning strikes occurs from time to time every year. Especially in Guangdong Province， where lightning is concentrated. in recent years， the use of integrated meteorological automatic stations with low pressure resistance is common.Based on the lightning accidents occurring at Guangdong meteorological automatic station for many years， the causes of lightning strike are analyzed from the aspects of direct lightning strike， lightning protection induction， lightning protection， surge invasion and equipotential connection. The defects of lightning protection system are found out， and corresponding countermeasures are put forward.

Key words： Meteorological automatic station；lightning accident；Protective countermeasures

氣象自動站的數(shù)據(jù)采集和傳送主要通過高密度的集成電路采集器來完成。廣東省有相當(dāng)一部分氣象臺站使用的是無錫公司，特別是華云公司生產(chǎn)的DZZ5，主采集器型號為HY3000，其采集器電子元件的耐壓水平低，對周圍電磁環(huán)境的變化反應(yīng)敏感。文中從氣象自動站工作原理、雷擊事故等五個(gè)方面進(jìn)行分析，提出整改措施。

1 氣象自動站工作原理

氣象自動站由數(shù)據(jù)采集器、傳感器、通訊模塊、交直流電源等組成。數(shù)據(jù)采集器采用HY3000系列單板機(jī)，組成原理見圖1。

自動站采用交直流兩路電源供電。220V市電供電正常時(shí)，穩(wěn)壓電源輸出電壓為直流13.8～14.5V，由內(nèi)部DC/DC轉(zhuǎn)換成+5V、±12V電壓供系統(tǒng)和傳感器工作。停電時(shí)由蓄電池直接輸入直流14V電壓。觀測設(shè)施各類傳感器采集的信號通過屏蔽信號線傳輸至數(shù)據(jù)采集器，由數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行處理后經(jīng)RS232串口傳輸至計(jì)算機(jī)。

220V市電電源、穩(wěn)壓電源輸入端內(nèi)置有電涌保護(hù)器，數(shù)據(jù)采集器的信號輸入端口均設(shè)有內(nèi)置防雷單元，接地線分別接至金屬外殼共用接地點(diǎn)，通過PE線引入接地裝置。

2 雷電災(zāi)害途徑

2.1直擊雷擊

由于氣象觀測場位置處在高地空曠處，通常雷電發(fā)生時(shí)，風(fēng)塔接閃桿、觀測場建筑物屋面、觀測場圍欄等凸出處較容易遭直擊雷擊。直擊雷電流大時(shí)間短，是破壞力最大且最危險(xiǎn)的一種方式，早年還發(fā)生過直擊雷致使氣象觀測員遭雷擊死亡的案例。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，直擊雷擊約占雷擊事故的10%左右。

2.2閃電感應(yīng)

閃電放電時(shí)，在附近導(dǎo)體上產(chǎn)生閃電靜電感應(yīng)和閃電電磁感應(yīng)。閃電靜電感應(yīng)是由于雷云電場的作用，使處于雷云下的架空電源線、電話線、網(wǎng)絡(luò)線導(dǎo)體上感應(yīng)出與雷云符號相反的電荷，當(dāng)雷云主放電時(shí)，先導(dǎo)通道中的電荷迅速中和，在導(dǎo)體上的感應(yīng)電荷得到釋放，此感應(yīng)電荷將沿著電源線、電話線、網(wǎng)絡(luò)線侵入建筑物內(nèi)與其有聯(lián)系的設(shè)備，如沒有就近泄入地中這種高電位可能沿著這些管線侵入屋內(nèi)，危及人身安全或損壞設(shè)備。閃電電磁感應(yīng)是由于雷電流迅速變化在其周圍空間產(chǎn)生瞬變的強(qiáng)電磁場，使附近導(dǎo)體上感應(yīng)出很高的電動勢，它可能使設(shè)備內(nèi)部金屬部件之間產(chǎn)生火花，損壞設(shè)備。其雷擊損失概率約占雷擊事故的70%～80%。

2.3地電位反擊

由于不當(dāng)?shù)慕拥鼐€、接地引入點(diǎn)及共用接地裝置的原因，當(dāng)雷電流經(jīng)引下線流入共用接地裝置時(shí)，由于引下線和接地裝置存在電阻和電抗，會在共用接地裝置上產(chǎn)生數(shù)十kV至數(shù)百kV的高電位。建筑物防雷接地、電力系統(tǒng)零線、PE線、弱電系統(tǒng)的共用接地線等會出現(xiàn)瞬間高電位，該高電位抬高電力系統(tǒng)零線電位，引入室內(nèi)設(shè)備外殼，造成過電壓損壞設(shè)備。其雷擊損失概率約占雷擊事故的10%。

3 氣象觀測場防雷裝置現(xiàn)狀

該氣象觀測場位于縣道邊的一小山包，距離縣道直線距離70米，是周邊地帶的制高點(diǎn)。四周是水田，水體較多，地勢平坦，一層樓高的值班室位于觀測場南面低洼處，值班室屋面與觀測場地面處在一個(gè)水平面上，水平距離25m左右。觀測場內(nèi)安裝有兩支等高避雷接閃桿，針高17.5m。

經(jīng)測算，觀測場內(nèi)自動站探測設(shè)備處于避雷接閃桿的直擊雷保護(hù)范圍內(nèi)，避雷接閃桿接地裝置為單獨(dú)接地，接地電阻8.5Ω。測風(fēng)塔及觀測場內(nèi)各類設(shè)備工作接地采用聯(lián)合接地，接地電阻為2.8Ω。風(fēng)、溫濕度、雨量等采集信號采用屏蔽線纜自觀測場穿PVC管沿地溝引入值班室接至數(shù)據(jù)采集器，線長約95m，信號線屏蔽層在值班室內(nèi)與數(shù)據(jù)采集器直流工作地相接。值班室220V電源線由變壓器低壓側(cè)鎧裝電纜埋地引入，線長約150m進(jìn)入值班室配電盤。設(shè)備電源經(jīng)配電盤引出，經(jīng)穩(wěn)壓電源和蓄電池接至數(shù)據(jù)采集器，低壓電源進(jìn)戶端配電盤處有安裝單相電涌保護(hù)器，值班室接地裝置接地電阻3.8Ω。

4 氣象自動站雷擊事故原因分析

經(jīng)現(xiàn)場勘查，當(dāng)天的15：32分在觀測場東南角大約1公里處一村莊的架空電源線路遭雷擊，一變壓器及10多戶村民家用電器損壞。經(jīng)查詢廣東省閃電定位資料，雷擊發(fā)生點(diǎn)與實(shí)際雷擊發(fā)生位置基本吻合。此次雷擊造成DZZ5型自動站的數(shù)據(jù)采集器主板、與之連接的計(jì)算機(jī)接口損壞，導(dǎo)致氣象記錄缺測。

根據(jù)雷擊導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集器主板、計(jì)算機(jī)接口受損的可能途徑，分析其損壞的原因如下：第一，雷擊發(fā)生位置不在觀測場內(nèi)接閃，可以排除直擊雷和地電位反擊的可能。第二，低壓電源線路采用鎧裝電纜埋地引入，電源線路入戶配電盤有安裝電源SPD。接入設(shè)備的電源首先經(jīng)過隔離變壓器，隔離變壓器可以看成是一個(gè)低通濾波器，雷電流屬于高頻電流，高頻電流經(jīng)過隔離變壓器時(shí)會衰減掉很多，從雷擊造成設(shè)備損壞的情況看，與入戶電源線直接相連的UPS、自動氣象站穩(wěn)壓電源、空調(diào)等設(shè)備均未受損，可以排除雷電過電壓從電源線侵入的可能。第三，數(shù)據(jù)采集器的外殼基本上密閉且接地，在一個(gè)密閉的金屬空腔內(nèi)，磁通量為零，空腔內(nèi)設(shè)備不會產(chǎn)生感應(yīng)電壓差，基本上排除在設(shè)備上產(chǎn)生閃電電磁感應(yīng)損壞的可能。第四，數(shù)據(jù)采集器屏蔽線纜自觀測場穿PVC管沿地溝引入值班室，未加套金屬管屏蔽，數(shù)據(jù)采集線的屏蔽層只在值班室端通過直流工作地與外殼相連接地，而在觀測場采集器端并未接地，電纜線未加金屬管屏蔽，且未兩端接地，對閃電感應(yīng)它只能削減一個(gè)數(shù)量級。當(dāng)閃電放電時(shí)，在附近導(dǎo)體上產(chǎn)生的閃電靜電感應(yīng)和閃電電磁感應(yīng)，感應(yīng)過電壓沿線路侵入數(shù)據(jù)采集器。數(shù)據(jù)采集器的信號輸入端雖有內(nèi)置防雷單元，當(dāng)較高過電壓波侵入時(shí)，此防雷單元很容易遭到破壞，失去防護(hù)作用。

綜上分析，導(dǎo)致本次雷擊事故的最大可能是閃電感應(yīng)從觀測場數(shù)據(jù)采集線引入致使數(shù)據(jù)采集器及計(jì)算機(jī)接口損壞。

5 防雷裝置整改措施

（1）氣象觀測場內(nèi)的自動站設(shè)備已處在雙接閃桿的有效保護(hù)范圍內(nèi)可不整改。而距離較遠(yuǎn)的值班室屋面無安裝直擊雷防雷裝置，宜按第二類防雷類別在值班室屋面加裝接閃帶保護(hù)，接閃網(wǎng)格、引下線、接地裝置的敷設(shè)按現(xiàn)行規(guī)范執(zhí)行。

（2）為防止在數(shù)據(jù)采集線上閃電感應(yīng)過電壓，屏蔽線纜應(yīng)全線穿金屬管敷設(shè)，金屬管在觀測場和值班室兩端良好接地。在采集器數(shù)據(jù)輸入端口安裝相匹配的信號SPD。

（3）值班室內(nèi)敷設(shè)局部等電位匯集排。自動站各設(shè)備接地采用單點(diǎn)接地的S型等電位連接方式。防靜電地板、金屬門窗、金屬吊頂?shù)炔粠щ姷慕饘贅?gòu)架就近接至局部等電位匯集排處。

（4）低壓供電線路宜全線采用鎧裝電纜并穿金屬管埋地引入室內(nèi)。其埋地長度應(yīng)符合下列表達(dá)式（1）的要求，但不應(yīng)小于15m。在入戶端應(yīng)將鎧裝電纜的金屬外皮、金屬管接到防閃電感應(yīng)接地裝置上，減少因雷電電磁脈沖疊加在PEN線的感應(yīng)過電壓。

L≧2ρ1/2 （1）

式中，L為金屬鎧裝電纜或護(hù)套電纜穿鋼管埋于地中的長度（m）；ρ為埋地電纜處的土壤電阻率（Ωm）。

值班室配電盤原安裝的SPD保留，設(shè)備插座采用帶電涌保護(hù)器的電源插座，為三級保護(hù)，盡可能將雷電過電壓限制在1.5kV以下，并應(yīng)有良好接地線。

（5）將避雷接閃桿接地裝置、觀測場內(nèi)氣象自動站設(shè)備接地裝置和值班室接地裝置在地中采用聯(lián)合接地。聯(lián)合接地體采用環(huán)型網(wǎng)格形式，避免地電位反擊。雙支等高避雷接閃桿、觀測場、值班室自動站設(shè)備共用一組接地裝置。但各類接地線不能共用泄流線。不同種類的接地引下線不串接，嚴(yán)禁在一條接地線上串接幾個(gè)需要接地的設(shè)備。要求各不同種類的接地線從共用接地裝置中引入接地線時(shí)應(yīng)離開一定的安全距離。既避雷接閃桿接地裝置和觀測場自動站設(shè)備接地裝置、值班室設(shè)備接地裝置之間保證一定的安全距離，安全距離按下列公式（2）計(jì)算，但不得小于2m。

S=150Ri/ER （2）

式中，Ri為避雷接閃桿接地電阻；ER為土壤擊穿強(qiáng)度。

即共用接地裝置采用共地不共線、分類接地線、不串不共用、一點(diǎn)接地法接地方式。

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作者簡介：

王銀（1990-），女，本科，助理工程師，主要從事防雷檢測和風(fēng)險(xiǎn)評估工作。E-mail：1348280183qq.com