雷電災(zāi)害對氣象觀測設(shè)備的影響及其防御對策

李振剛

濟(jì)源產(chǎn)城融合示范區(qū)氣象局，河南濟(jì)源 459000

雷電是自然界中最常見的災(zāi)害之一，它的放電電流能夠達(dá)到數(shù)萬安培，有些還會達(dá)數(shù)十萬安培。在放電過程中，雷電流在較短時(shí)間內(nèi)會產(chǎn)生巨大的破壞力以及特別強(qiáng)烈的電磁干擾，對地面上的建筑物和設(shè)備設(shè)施造成嚴(yán)重的危害。

在技術(shù)飛速發(fā)展的現(xiàn)代社會，地面氣象觀測業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛躍，氣象觀測業(yè)務(wù)已經(jīng)全面向自動化運(yùn)行趨勢邁進(jìn)，各種現(xiàn)代化氣象觀測設(shè)備得到了廣泛應(yīng)用，這些設(shè)備不僅為氣象觀測業(yè)務(wù)的發(fā)展帶來了便利，還大大提高了氣象觀測工作質(zhì)量。然而，這些氣象觀測設(shè)備還常常面臨十分棘手的安全問題，即氣象觀測設(shè)備抵御雷電感應(yīng)過電流、雷電電磁脈沖以及過電壓的能力弱。若雷電防御技術(shù)措施執(zhí)行不力，則氣象觀測裝備極易受到雷擊，這會造成氣象觀測儀器設(shè)備遭受一定的損壞，最終會影響氣象數(shù)據(jù)的正常采集和傳輸[1]。因此，加強(qiáng)氣象站雷電災(zāi)害防御工作顯得尤為重要。

1 雷電入侵氣象站觀測系統(tǒng)的主要途徑

1.1 直擊雷入侵

直擊雷通常指的是帶電的云層與地面某個(gè)位置之間形成的特別強(qiáng)烈的放電現(xiàn)象。由于氣象站電子元件所在環(huán)境的煩瑣性及元件自身比較脆弱，氣象站觀測設(shè)備在很大概率上會被雷電直接擊中，這勢必會對氣象臺站觀測裝備造成極大損壞，甚至還會造成觀測資料直接丟失，導(dǎo)致氣象觀測資料上傳和收集失敗，給氣象觀測站帶來較大的經(jīng)濟(jì)損失[2]。

1.2 感應(yīng)雷入侵

若氣象臺站上空有雷電活動，并且其周圍的凸起物被閃電擊中，靜電感應(yīng)或電磁感一般會感應(yīng)出過電壓，同時(shí)借助電纜引入氣象站的觀測場或者計(jì)算機(jī)控制室[3]。這樣氣象臺站采集器、計(jì)算機(jī)、傳感器等儀器設(shè)備均可能會因?yàn)槔讚舳艿讲煌潭鹊膿p壞。在嚴(yán)重狀況下，通信電纜的絕緣層還極易斷裂，雷電天氣帶來的瞬時(shí)高壓會借助通信電纜進(jìn)入值班室，給氣象臺站觀測業(yè)務(wù)增添阻力。

1.3 地電位反擊入侵

若氣象站接地點(diǎn)區(qū)域發(fā)生雷電天氣，那么其周邊電勢會在極短時(shí)間內(nèi)迅速增加，形成的瞬時(shí)高電勢通常在接地線的作用下被引入電路，電路中產(chǎn)生強(qiáng)電流，進(jìn)而使得氣象臺站電路元件受到損壞[4]。

2 雷電災(zāi)害對氣象觀測設(shè)備的影響

當(dāng)前，我國各個(gè)地區(qū)均建立了許多新型自動氣象站，氣象觀測業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)了自動化觀測模式。為了保證氣象觀測站數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，許多氣象觀測站儀器設(shè)備被部署于相對開闊或較高的區(qū)域，且氣象觀測儀器設(shè)備精度高，但在雷電流抵御方面的能力弱。因此，若遭遇雷電災(zāi)害，往往會破壞氣象觀測設(shè)備，給氣象觀測站造成較大的損失。分析雷電災(zāi)害了解到，雷電災(zāi)害對氣象觀測設(shè)備帶來的影響涉及以下2個(gè)方面。

2.1 采集器主板損壞

在出現(xiàn)雷雨天氣的情況下，如果氣象臺站采集器主板被閃電擊中，會使得主板上的半導(dǎo)體器件受到損害，導(dǎo)致半導(dǎo)體器件被擊穿，主板上出現(xiàn)燒黑的現(xiàn)象。一般而言，如果采集器主板上的電源部分、通信部分等某個(gè)設(shè)備遭受雷擊損害，則其他設(shè)備也可能會遭受損壞，甚至?xí)苯訉?dǎo)致采集終端計(jì)算機(jī)受損[5]。

2.2 傳感器損壞

在雷雨天氣下，氣象臺站的風(fēng)、地溫、雨量等傳感器遭受雷擊的概率較大，且極易因雷擊而受到不同程度的損害。

3 氣象觀測設(shè)備雷擊原因分析

3.1 采集設(shè)備防雷設(shè)計(jì)不科學(xué)

通常氣象臺站均部署了防雷系統(tǒng)，但一些氣象臺站因?yàn)樵O(shè)備防雷設(shè)計(jì)不科學(xué)而導(dǎo)致雷擊事故易發(fā)[6]。例如，在采集設(shè)備雷電防護(hù)方面存在設(shè)計(jì)不科學(xué)：

首先，設(shè)備制造商一般為采集器的電源部分給予雙重保護(hù)，從而防止強(qiáng)大的外部電流進(jìn)入采集器內(nèi)部。第一段設(shè)置在輸入端，大體上由電容器保護(hù)器和電流保護(hù)器組成；第二段大體采用射頻濾波器和繼電器。信號借助多通道保護(hù)后進(jìn)入采集器，然而因?yàn)闅怏w放電管作為信號通道集電極的前端設(shè)備，它是線路輸入端的1級浪涌保護(hù)，因此往往應(yīng)承受一定的浪涌電流。在這種情況下，通常需適量加大壓敏電阻，以實(shí)現(xiàn)二次保護(hù)，進(jìn)而促進(jìn)響應(yīng)速度的加快。

其次，一些制造商的集電器在防雷部件上沒有清晰的狀態(tài)標(biāo)記，使得氣象觀測設(shè)備遭受雷擊損壞。

最后，防雷板的接地端子設(shè)計(jì)不合理。一些設(shè)備的防雷板的接地端子缺乏顯著的標(biāo)識，導(dǎo)致安裝人員無法準(zhǔn)確將接地線與固定螺栓相連接，造成接地保護(hù)不夠合理[7]。若被閃電擊中，容易導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)損壞。

3.2 設(shè)備廠家安裝指導(dǎo)不到位

氣象觀測設(shè)備部署人員大部分是氣象保障工作人員，他們對設(shè)備的防雷技術(shù)方面的知識缺乏充分的了解。由于廠家的現(xiàn)場指導(dǎo)不到位，導(dǎo)致氣象臺站防雷裝置的部署不規(guī)范，例如：防雷接地材料的厚度不同，部署方式不同；氣象探測設(shè)備的溫濕度模塊、采集器等裝置的接地保護(hù)方式存在差異。

3.3 防雷措施落實(shí)不力

某些地區(qū)的一些氣象站對氣象觀測設(shè)備雷電防護(hù)方面落實(shí)不力，在氣象觀測設(shè)備部署前沒有認(rèn)真分析探討，未進(jìn)行氣象觀測設(shè)備防雷設(shè)計(jì)規(guī)范性論證，導(dǎo)致防雷措施不規(guī)范，使得氣象臺站存在雷擊風(fēng)險(xiǎn)[8]。

3.3.1 防直擊雷裝置部署不合理 有些氣象站在建設(shè)直擊雷防護(hù)裝置時(shí)不合理。屋頂防雷裝置不充足導(dǎo)致防雷裝置所處區(qū)域不合理。雷達(dá)站兩側(cè)缺乏對稱安裝避雷針的保護(hù)，加之避雷針離雷達(dá)天線太近，導(dǎo)致氣象觀測設(shè)備經(jīng)常發(fā)生雷擊問題，不能提供有較好的保護(hù)效果。

3.3.2 信號線路和電力線路屏蔽措施不到位 一些氣象臺站沒有采取金屬屏蔽措施保護(hù)信號線路和電力線路。他們將信號線、電源線與金屬鋼架直接連接，盡管信號線本身存在電纜屏蔽層，但不能完全屏蔽強(qiáng)電磁干擾信號。這將會形成高于信號線中采集組件可以承受的電壓，導(dǎo)致感應(yīng)雷電流出現(xiàn)，進(jìn)而損壞氣象觀測設(shè)備[9]。

3.3.3 氣象觀測設(shè)備的防雷保護(hù)線過長 有些氣象臺站按照的防雷線路太長，不符合防雷標(biāo)準(zhǔn)要求。此外，使用的避雷線直徑過小，接地電阻過高，均與防雷規(guī)范不相符。若出現(xiàn)雷電天氣，無法對氣象設(shè)備起到保護(hù)作用，使得氣象觀測儀器受損。

4 雷電災(zāi)害防御對策

4.1 直擊雷防御對策

在雷電防御過程中，有必要采取有效的技術(shù)措施防止直接雷擊氣象觀測設(shè)備。在具體實(shí)施中，嚴(yán)格遵守《建筑防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50057—2010）對二級防雷建筑的要求，對氣象站觀測場以及觀測儀器設(shè)備進(jìn)行雷電防護(hù)[10]。若氣象觀測儀器設(shè)備部署在雷電高發(fā)區(qū)，氣象觀測設(shè)備被雷擊的概率高，則可按照第一類防雷的要求采取直擊雷防護(hù)措施。防雷接地需要選擇直接防雷接地和雷電感應(yīng)接地，以最大限度地降低設(shè)備的雷電安全隱患。氣象觀測場地的防雷接地裝置應(yīng)與探測設(shè)備的布置相結(jié)合，促使接地電阻不超過4 Ω[11]。為了防止跨步電壓對氣象觀測設(shè)備造成不良影響，需要部署網(wǎng)格型接地電極。對于觀測點(diǎn)的直擊雷防護(hù)而言，避雷針往往在風(fēng)塔上直接部署。避雷針可使用絕緣材質(zhì)，以確保氣象觀測現(xiàn)場的所有探測儀器都在避雷針的保護(hù)范圍內(nèi)。避雷針的引下線可以是多條銅芯導(dǎo)線的屏蔽電纜，截面積≤50 mm2，沿風(fēng)塔外緣敷設(shè)并進(jìn)入地面。如果使用獨(dú)立的接地網(wǎng)當(dāng)作避雷針，那么應(yīng)該確保接地網(wǎng)與觀測設(shè)備的保護(hù)接地網(wǎng)之間的距離達(dá)到3 m以上，同時(shí)需要進(jìn)行單獨(dú)敷設(shè)；如果使用共享接地網(wǎng)，那么應(yīng)該在避雷針引下線進(jìn)入的地方部署垂直接地體，同時(shí)應(yīng)該與觀測現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行緊密連接。

4.2 保護(hù)接地對策

氣象觀測設(shè)備的保護(hù)接地應(yīng)采取有效措施，尤其是高度集成的數(shù)據(jù)采集和處理儀器裝置，如防雷板、數(shù)據(jù)采集器、智能溫濕度模塊等，部署科學(xué)的接地保護(hù)措施十分關(guān)鍵。通常情況下，在氣象觀測設(shè)備中間位置的孔處，可選擇橫截面積≤2.5 mm2的銅芯導(dǎo)線進(jìn)行接地處理，在采集器電極接地端子的接口區(qū)域，通常也需選擇橫截面積≤2.5 mm2的銅芯導(dǎo)線做接地處理。為防止塔架雷電放電后對接地保護(hù)設(shè)備造成不良影響，風(fēng)塔防雷引下線的接地點(diǎn)與氣象觀測站網(wǎng)中其他接地保護(hù)裝置的距離應(yīng)達(dá)到10 m以上。進(jìn)入氣象臺業(yè)務(wù)值班室或氣象觀測設(shè)備的信號線、電力線應(yīng)采用金屬管屏蔽后接地[12]。屏蔽管的連接位置需要橋接且接地，以避免氣象觀測設(shè)備被雷電沖擊損壞。

4.3 等電位連接對策

氣象觀測站等電位連接的對策涉及以下3點(diǎn)：

第一，觀測場內(nèi)的傳感器、百葉窗等設(shè)備設(shè)施需要采用25 mm×4 mm防腐鍍鋅扁鋼與附近的接地裝置來焊接。

第二，為防范跨步電壓，需要選取5 m×5 m網(wǎng)狀接地裝置對觀測場地面做電位均衡處理；為了將風(fēng)塔作為避雷針以獲得更好的雷電流泄放效果，一般需在2個(gè)風(fēng)塔之間部署1 m×1 m的網(wǎng)狀接地裝置連接到步進(jìn)電壓電網(wǎng)，以構(gòu)成統(tǒng)一的閉環(huán)[13-14]。

第三，觀測現(xiàn)場還應(yīng)選用25 mm金屬護(hù)欄×4 mm防腐鍍鋅扁鋼焊接，并與接地裝置保持連接。

4.4 供電系統(tǒng)防雷對策

在雷暴天氣下，氣象站觀測設(shè)備的供電系統(tǒng)遭遇雷擊的概率較大，工作人員應(yīng)采取有效的雷電防御技術(shù)措施。對于室外觀測場所，變壓器的工作接地以及保護(hù)接地十分必要。規(guī)范供配電設(shè)備的工作接地和保護(hù)接地，電阻值要求＜4 Ω[14-17]。在供配電系統(tǒng)中，應(yīng)根據(jù)具體情況部署浪涌防護(hù)器（SPD）。為了進(jìn)一步提高雷電防御效果，通?？蛇x擇多級SPD保護(hù)措施[4]。對于室外布線，需要直接將其埋在地下。在步入室內(nèi)前，電纜的金屬護(hù)套、鋼管應(yīng)連接至等電位聯(lián)結(jié)帶或防雷接地裝置上；若電源線屬于架空的，有必要將電源線部署在進(jìn)入房間的地方。通過鋼管將居民轉(zhuǎn)換成金屬鎧裝或護(hù)套電纜，然后將其埋入地下[18-20]。值得注意的是，要想始終保障氣象觀測儀器設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行，應(yīng)嚴(yán)格把控好氣象觀測設(shè)備供電質(zhì)量。若氣象站由市政電力直接供電，則應(yīng)該經(jīng)常檢查供電系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量。若電源電壓不穩(wěn)定，極有可能會使得氣象觀測設(shè)備受損，需要安裝電壓調(diào)節(jié)器；若氣象站的零接地電壓過高，則應(yīng)該對主配電箱重復(fù)進(jìn)行接地處理，且需對線路進(jìn)行合理部署。

4.5 信號線路防雷對策

氣象臺站信號傳輸線部署在室外專用信號機(jī)的1號信號機(jī)和2號信號機(jī)中，L盒在觀察區(qū)內(nèi)。6個(gè)氣象信號（風(fēng)速、風(fēng)向、雨量、濕度、雷電、大霧）是通過這2條專線（1號信號機(jī)和2號信號機(jī)）連接和收集的。集電極接口電路起到抵抗感應(yīng)雷擊的作用，避免長信號電纜造成的雷擊損壞或干擾。因此，工作人員不需要在遙測信號電纜的入口處安裝信號SPD。為保證信號箱良好接地，必須將觀測場與信號箱接地網(wǎng)牢固連接。信號1和信號2傳輸線需要選擇金屬槽屏蔽，一般可選用100 mm×50 mm的金屬凹槽。在部署期間，應(yīng)按照自動電纜槽設(shè)置，要求的尺寸通常為500 mm×400 mm。為了防止設(shè)備出現(xiàn)損壞并保證接地有效，金屬線槽的第一端需要連接至觀測現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)，最后一端與值班室入口位置的工作現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，保證兩端接地牢固，可以較好地減少雷電波沿遙測信號線的侵入，從而更好地將電壓幅度限制在收集器接口電路的允許區(qū)間內(nèi)，防止設(shè)備的可靠接地受到不良影響[21-23]。此外，為了防止雨水和老鼠的入侵，有必要覆蓋電纜溝。在正常情況下，數(shù)據(jù)線通常從氣象臺站風(fēng)傳感器引出，應(yīng)從風(fēng)桿內(nèi)部引入電纜溝，防止信號線被雷擊。

5 結(jié)束語

隨著氣象事業(yè)的不斷發(fā)展進(jìn)步，氣象臺站觀測設(shè)備應(yīng)用越來越廣泛，這些電子設(shè)備遭受雷擊的概率較高，輕則導(dǎo)致設(shè)備受損，重則導(dǎo)致整個(gè)氣象觀測系統(tǒng)癱瘓，給國家造成不同程度的損失。因此，為了能夠大幅降低雷電災(zāi)害對氣象觀測設(shè)備的危害，相關(guān)人員需要加強(qiáng)氣象觀測設(shè)備的雷電防護(hù)工作，結(jié)合雷電災(zāi)害對氣象觀測設(shè)備的影響和雷擊原因，積極采取可靠的雷電災(zāi)害防御對策，不斷提高氣象臺站防雷水平，保障氣象觀測業(yè)務(wù)的安全、有序開展。