樂(lè)平市國(guó)家站防雷整改的措施與分析

計(jì)桂平，陳鮑發(fā)，馬中元，黃龍飛

(1.景德鎮(zhèn)市氣象局，景德鎮(zhèn) 333000；2.江西省氣象科學(xué)研究所，南昌 330046)

0 引言

樂(lè)平市位于贛東北，天氣復(fù)雜多變，是江西的暴雨中心之一，強(qiáng)雷電、強(qiáng)降水、雷暴大風(fēng)等強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生的概率較高，經(jīng)常造成重大災(zāi)害。特別是強(qiáng)雷電天氣頻發(fā)，對(duì)樂(lè)平市氣象觀(guān)測(cè)站各儀器設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)和維護(hù)造成困擾。

2020-06-02T17：20，樂(lè)平國(guó)家氣象觀(guān)測(cè)站因雷電造成停電，啟動(dòng)UPS供電后，17：35國(guó)家站所有設(shè)備跳閘。重新開(kāi)機(jī)后，發(fā)現(xiàn)從17：42開(kāi)始，國(guó)家站只有日照與天氣現(xiàn)象有數(shù)據(jù)采集，新型自動(dòng)氣象站所有數(shù)據(jù)缺測(cè)。經(jīng)過(guò)排查，確定為采集器發(fā)生故障，從景德鎮(zhèn)市氣象局調(diào)用1套新的采集器進(jìn)行更換并經(jīng)省局大氣探測(cè)中心技術(shù)員遠(yuǎn)程指導(dǎo)后所有數(shù)據(jù)恢復(fù)正常，故障排除時(shí)間近24 h。2020-08-21T14：10，樂(lè)平市國(guó)家氣象觀(guān)測(cè)站再次遭受雷擊，導(dǎo)致觀(guān)測(cè)記錄無(wú)法按時(shí)上傳。

樂(lè)平國(guó)家氣象觀(guān)測(cè)站是國(guó)家級(jí)地面觀(guān)測(cè)站，承擔(dān)了樂(lè)平境內(nèi)溫度、氣壓、濕度、風(fēng)等氣象要素的觀(guān)測(cè)任務(wù)，經(jīng)過(guò)多年的氣象現(xiàn)代化業(yè)務(wù)建設(shè)，這些氣象要素?cái)?shù)據(jù)均已實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化采集和傳輸，但頻繁的雷擊事故嚴(yán)重影響氣象數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與及時(shí)性。因此，為了保證春季雷暴高發(fā)時(shí)段的防雷安全，2021-03-13—2021-03-15，在江西省大氣探測(cè)中心專(zhuān)家的指導(dǎo)下，樂(lè)平市氣象局對(duì)樂(lè)平國(guó)家氣象觀(guān)測(cè)場(chǎng)的防雷設(shè)施進(jìn)行了整改。

對(duì)于氣象觀(guān)測(cè)站的防雷建設(shè)，國(guó)內(nèi)有許多專(zhuān)家進(jìn)行了研究。邢憶波[1]等按二類(lèi)防雷要求，闡述了鳳凰山氣象觀(guān)測(cè)站及業(yè)務(wù)樓的綜合雷電防護(hù)設(shè)計(jì)，提出在觀(guān)測(cè)場(chǎng)的四周設(shè)置4根獨(dú)立接閃桿，且接閃桿采用接閃線(xiàn)相互連接，形成桿線(xiàn)混合接閃設(shè)施；謝允[2]等對(duì)通城縣國(guó)家氣象觀(guān)測(cè)站遭受雷擊進(jìn)行排查和診斷，提出了改進(jìn)觀(guān)測(cè)場(chǎng)防雷接地系統(tǒng)、增設(shè)串口隔離器、調(diào)整自動(dòng)氣象站主采集箱在觀(guān)測(cè)場(chǎng)中的安裝位置等措施；宋衛(wèi)民[3]等根據(jù)漢濱區(qū)國(guó)家基本氣象站的實(shí)際狀況，從屏蔽、接地、綜合布線(xiàn)、等電位連接、過(guò)電壓保護(hù)、防直擊雷保護(hù)和防雷擊電磁脈沖等方面進(jìn)行防雷電感應(yīng)設(shè)計(jì)；李進(jìn)[4]等通過(guò)對(duì)江西省地面氣象觀(guān)測(cè)站防雷現(xiàn)狀進(jìn)行分析，提出了在采集器前端加入信號(hào)級(jí)浪涌保護(hù)器、系統(tǒng)供電部分完善三級(jí)SPD防護(hù)、自動(dòng)站信號(hào)和電源線(xiàn)纜通過(guò)地溝橋架進(jìn)行屏蔽敷設(shè)、避雷針改造、場(chǎng)室接地改造等措施；黎燦明[5]等針對(duì)直擊雷，提出地網(wǎng)鋪設(shè)、采用單針或多針、用金屬管或線(xiàn)槽埋地屏蔽等雷電防護(hù)技術(shù)和方法；王義琴[6]、黃雷梁[7]等，從各地觀(guān)測(cè)站的防雷過(guò)程中遇到的問(wèn)題出發(fā)，提出相應(yīng)的對(duì)策，保障了各種氣象數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性與及時(shí)性。這些均為樂(lè)平市觀(guān)測(cè)站的防雷改造提供了參考依據(jù)。

文章將分析樂(lè)平市觀(guān)測(cè)站防雷改造前的雷擊隱患，提出防雷整改思路、措施與解決方案，并對(duì)防雷整改后的效果進(jìn)行評(píng)估和分析。

1 觀(guān)測(cè)場(chǎng)各儀器、設(shè)備布局與相關(guān)防雷措施

樂(lè)平市國(guó)家氣象觀(guān)測(cè)站氣象觀(guān)測(cè)場(chǎng)占地面積為25 m×25 m，場(chǎng)地及儀器安裝位置按《地面氣象觀(guān)測(cè)場(chǎng)規(guī)范化建設(shè)圖冊(cè)(修訂版)》的要求嚴(yán)格布設(shè)：10 m風(fēng)塔設(shè)在東北面，風(fēng)塔上安裝有風(fēng)向、風(fēng)速傳感器，傳感器通過(guò)232/485線(xiàn)路與主采集器相連；獨(dú)柱式避雷針安裝在風(fēng)塔之上，長(zhǎng)度2 m，與避雷針相連并設(shè)有獨(dú)立防雷接地網(wǎng)；天臉識(shí)別儀、天氣現(xiàn)象儀、能見(jiàn)度儀、2個(gè)百葉箱(氣溫、濕度觀(guān)測(cè)，其中1個(gè)百葉箱為備份)等設(shè)備布設(shè)在觀(guān)測(cè)站北部，中間有稱(chēng)重雨量計(jì)；草溫、地溫、日照、淺層地溫(5 cm、10 cm、15 cm、20 cm)等觀(guān)測(cè)設(shè)備主要布設(shè)在觀(guān)測(cè)站南部。

氣壓、氣溫、濕度、風(fēng)向風(fēng)速、翻斗式雨量、地溫和草溫等設(shè)備采集器采集數(shù)據(jù)后，通過(guò)CAN+12 V或232+12 V的線(xiàn)路與主采集器聯(lián)接，主采集器通過(guò)3芯232線(xiàn)路與串口服務(wù)器相連；而日照、天臉、降水現(xiàn)象儀等觀(guān)測(cè)到數(shù)據(jù)后，通過(guò)232/485線(xiàn)路接入串口服務(wù)器。串口服務(wù)器匯集所有觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)后，通過(guò)6芯光纖將數(shù)據(jù)傳入機(jī)房(圖1)。

圖1 樂(lè)平觀(guān)測(cè)場(chǎng)改造前的各儀器通信示意圖

由此可見(jiàn)，目前的傳統(tǒng)布局因裝有避雷針和接地網(wǎng)，所以由直擊雷造成設(shè)備故障的情況比較少，而感應(yīng)雷造成的故障占絕大多數(shù)。設(shè)備之間多采用232/485、CAN+12 V或232+12 V的線(xiàn)路通信方式進(jìn)行互聯(lián)，且CAN總線(xiàn)方式匯集了地溫采集、草溫采集、氣溫與雨量的數(shù)據(jù)，若其中1條CAN遭受雷擊則地溫、溫度、濕度、雨量均沒(méi)有數(shù)據(jù)，會(huì)導(dǎo)致多類(lèi)數(shù)據(jù)的缺失；而串口服務(wù)器是通過(guò)光電模塊轉(zhuǎn)換后經(jīng)光纖與值班室計(jì)算機(jī)相連，多個(gè)雷擊事故表明，串口服務(wù)器與電腦之間的光纖通信在雷擊過(guò)程中均處于正常狀態(tài)，受雷擊影響的部分多出現(xiàn)在分采與主采之間的232/485、CAN+12 V或232+12 V線(xiàn)路上，即光纖通信可以在很大程度上減少雷擊風(fēng)險(xiǎn)。

按照防雷規(guī)范，在二次雷擊范圍內(nèi)大于15 m左右的通信電纜都應(yīng)安裝避雷器，但現(xiàn)有設(shè)備僅部分安裝了避雷器。風(fēng)塔與避雷針的合計(jì)高度僅有12 m，根據(jù)GB 50057-2010《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄D中規(guī)定計(jì)算，保護(hù)范圍rx=17.3 m。由于觀(guān)測(cè)場(chǎng)占地范圍為25 m×25 m，長(zhǎng)與寬均大于17.3 m，即觀(guān)測(cè)場(chǎng)內(nèi)也存在雷擊風(fēng)險(xiǎn)。

2 防雷整改的思路

1)通信傳輸方式。根據(jù)上述分析，串口服務(wù)器與電腦之間的光纖通信在強(qiáng)雷電過(guò)程之中都能保持正常，說(shuō)明光纖傳輸可以在很大程度上保障通信安全與穩(wěn)定，因此將所有存在隱患的通信線(xiàn)傳輸都用光纖替換。

2)供電方式。目前，觀(guān)測(cè)站內(nèi)儀器仍主要由市電供電。市電接入后，經(jīng)過(guò)配電柜轉(zhuǎn)換為12 V直流電供溫度、濕度等觀(guān)測(cè)設(shè)備用電；而日照、天臉、降水現(xiàn)象儀是新增設(shè)備，與配電柜內(nèi)市電直接相連，同時(shí)設(shè)備自身安裝有鋰電池，即使市電斷電，也可以通過(guò)自身的電池供電進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。而設(shè)備之間的市電供電線(xiàn)路在強(qiáng)雷電過(guò)程中是存在較大風(fēng)險(xiǎn)的，特別容易造成感應(yīng)雷擊。因此，可以在強(qiáng)雷電過(guò)程中將市電供電切斷，以鋰電池供電直接替代，取消電路傳輸，從而大大減小電路通訊造成的雷擊可能。

對(duì)于供電方式的切換，可以采用近端控制或云端遠(yuǎn)程自動(dòng)控制兩種方式。近端控制即通過(guò)人工操控開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)電源的開(kāi)啟/斷開(kāi)，此種方式雖然簡(jiǎn)便，但需要人工現(xiàn)場(chǎng)操作，無(wú)法實(shí)現(xiàn)電源自動(dòng)控制；云端遠(yuǎn)程控制技術(shù)是指由遠(yuǎn)端的控制中心發(fā)送控制指令，通過(guò)云端有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)通信方式傳輸給被控設(shè)備，以控制設(shè)備電源的開(kāi)啟/關(guān)斷或調(diào)節(jié)電源輸出等。同時(shí)，云端控制技術(shù)還可以根據(jù)設(shè)置好的雷電強(qiáng)度閾值，自動(dòng)控制設(shè)備使用交流電和直流電，當(dāng)閃電控制預(yù)警發(fā)出后，PC端自動(dòng)遠(yuǎn)程控制自動(dòng)氣象站市電斷電，采用鋰電池供電。

3)完善樂(lè)平觀(guān)測(cè)場(chǎng)的防雷措施。如在觀(guān)測(cè)站的南、西南角增加1～2根避雷針，擴(kuò)大直擊雷保護(hù)的覆蓋范圍；在風(fēng)塔中段增接引下線(xiàn)與地網(wǎng)直接相連，在一定程度上減少風(fēng)向、風(fēng)速傳感器的雷擊風(fēng)險(xiǎn)。

由此可見(jiàn)，變被動(dòng)防雷為主動(dòng)防雷是此次觀(guān)測(cè)站防雷整改的主導(dǎo)思路與做法。首先將所有232/485、CAN+12 V或232+12 V的線(xiàn)路通信方式都換成光纖通信；其次在強(qiáng)雷電來(lái)臨之前將市電供電轉(zhuǎn)換成鋰電池供電，破解線(xiàn)路供電風(fēng)險(xiǎn)；最后，為了實(shí)現(xiàn)在強(qiáng)雷電過(guò)程中采用鋰電池供電，引進(jìn)云端遠(yuǎn)程控制技術(shù)進(jìn)行智能控制。

3 整改后的線(xiàn)路布局

圖2為樂(lè)平市觀(guān)測(cè)場(chǎng)防雷整改后的線(xiàn)路布局圖，將地溫、草溫、淺層地溫、能見(jiàn)度、溫度、濕度、降水、稱(chēng)重雨量等觀(guān)測(cè)儀器與主采集器之間的CAN或232線(xiàn)路改成光纖連接，并在這些儀器內(nèi)安裝鋰電池；將主采集器與串口服務(wù)器之間的3芯232線(xiàn)路以及在日照、天臉識(shí)別、降水現(xiàn)象儀與串口服務(wù)器之間的232/485線(xiàn)路均改成光纖，并在機(jī)房加裝智能控制系統(tǒng)。

圖2 樂(lè)平觀(guān)測(cè)場(chǎng)改造后的各儀器通信示意圖

目前氣象觀(guān)測(cè)站均已實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守，但樂(lè)平市觀(guān)測(cè)場(chǎng)由于與業(yè)務(wù)辦公大樓建設(shè)在一起，所以有值班員人工監(jiān)測(cè)。在發(fā)布雷電預(yù)警前，既可以人工將儀器由市電供電轉(zhuǎn)為鋰電池供電，也可以啟動(dòng)智能控制系統(tǒng)。同時(shí)采用了加裝避雷針、內(nèi)外網(wǎng)接地、屏蔽和安裝浪涌保護(hù)器、嚴(yán)格實(shí)行等電位連接等方法對(duì)觀(guān)測(cè)場(chǎng)的各項(xiàng)防雷措施進(jìn)行完善。

4 效果分析

樂(lè)平市氣象觀(guān)測(cè)站于2021-03-13—2021-03-15進(jìn)行了防雷改造，改造完成后，經(jīng)歷了多個(gè)強(qiáng)雷電過(guò)程。在雷電來(lái)臨前，觀(guān)測(cè)員切斷了儀器的市電供應(yīng)，采用鋰電池供電，經(jīng)過(guò)多次強(qiáng)雷電襲擊過(guò)程的檢驗(yàn)，觀(guān)測(cè)場(chǎng)的各項(xiàng)設(shè)備均運(yùn)行正常，未出現(xiàn)設(shè)備雷擊事故，有效改善了強(qiáng)雷電導(dǎo)致部分儀器設(shè)備損壞的現(xiàn)象。對(duì)2020-06-02雷擊故障與改造后的2021-03-31二次強(qiáng)雷電過(guò)程的閃電定位資料進(jìn)行對(duì)比得出，2次強(qiáng)雷電過(guò)程中，樂(lè)平觀(guān)測(cè)站均受到密集的強(qiáng)雷電襲擊，且改造后觀(guān)測(cè)站遭受的正閃更多，即雷電的瞬時(shí)強(qiáng)度更強(qiáng)；表明樂(lè)平市觀(guān)測(cè)場(chǎng)經(jīng)過(guò)防雷改造后，觀(guān)測(cè)場(chǎng)的儀器設(shè)備得到了有效保護(hù)，經(jīng)受住了強(qiáng)雷電的考驗(yàn)。

5 結(jié)束語(yǔ)

文章分析了樂(lè)平市地面氣象觀(guān)測(cè)站防雷安全的隱患，并有針對(duì)性地提出了整改方案，通過(guò)防雷的整改，有效改善了樂(lè)平市地面氣象觀(guān)測(cè)站設(shè)備在強(qiáng)雷電過(guò)程中遭受雷擊的現(xiàn)狀。