雷電災(zāi)害對(duì)氣象觀測設(shè)備的影響及其防御策略

摘 要：隨著科技的不斷進(jìn)步，氣象觀測設(shè)備也不斷更新，設(shè)備的運(yùn)行環(huán)境變得越來越復(fù)雜，雷電災(zāi)害對(duì)氣象觀測設(shè)備的影響也越來越嚴(yán)重。為減少雷電災(zāi)害對(duì)氣象觀測設(shè)備的影響，保證氣象觀測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和連續(xù)性，深入分析了氣象觀測設(shè)備受到雷電災(zāi)害影響的原因，并提出了針對(duì)性的防御策略，以期更好地保護(hù)氣象觀測設(shè)備。

關(guān)鍵詞：雷電災(zāi)害；氣象觀測設(shè)備；防雷裝置；雷電防護(hù)

中圖分類號(hào)：P429 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號(hào)：2095–3305（2024）10–0-03

雷電災(zāi)害是氣象觀測設(shè)備最大的威脅，每年都會(huì)發(fā)生因雷電引起的數(shù)據(jù)傳輸中斷事件，導(dǎo)致無法連續(xù)記錄氣象觀測數(shù)據(jù)，給氣象資料的完整性造成較大影響。我國每年有大量氣象觀測設(shè)備遭受雷擊破壞，損失嚴(yán)重。造成氣象觀測設(shè)備損壞的原因有多種，雷電災(zāi)害是其中的主要因素。在實(shí)際工作中，雷擊造成氣象觀測設(shè)備損壞的事故時(shí)有發(fā)生。因此，必須分析雷擊對(duì)氣象觀測設(shè)備的危害程度和雷電災(zāi)害對(duì)氣象觀測設(shè)備的影響，并提出有效的防御策略，以減少或避免事故的發(fā)生。

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

直擊雷是一種在帶電云團(tuán)與地表特定區(qū)域之間產(chǎn)生的異常劇烈的閃電現(xiàn)象。由于氣象站電子元器件所處環(huán)境復(fù)雜，且自身較為脆弱，極易受到閃電擊中。一旦發(fā)生雷電災(zāi)害，這將對(duì)其儀器設(shè)備造成嚴(yán)重?fù)p害，極端情況下甚至?xí)?dǎo)致數(shù)據(jù)丟失，使得氣象臺(tái)數(shù)據(jù)無法正常傳輸，從而給氣象臺(tái)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失[1]。

1.2 感應(yīng)雷入侵

氣象臺(tái)在雷電天氣中若遭受雷擊，可能導(dǎo)致過電壓現(xiàn)象，并通過電纜傳輸至觀測區(qū)或電腦控制室。因此，受到雷電災(zāi)害的影響，氣象臺(tái)各種設(shè)備，如采集器、計(jì)算機(jī)和傳感器等均可能受到損傷。在極端情況下，通信電纜的絕緣層可能受損，雷擊過程中產(chǎn)生的瞬間高電壓可通過通信電纜傳導(dǎo)至值班人員，從而增加氣象站觀測工作的難度。

2 雷電災(zāi)害對(duì)氣象觀測設(shè)備的影響

2.1 采集器主板損壞

在遭遇雷暴天氣時(shí)，氣象站收集器主板若遭受雷擊，其內(nèi)部的半導(dǎo)體元件將受到破壞，進(jìn)而導(dǎo)致主板燒焦。通常情況下，若一個(gè)設(shè)備，如收集器的電源部分和通信部分受到雷電破壞，其他設(shè)備也可能受損，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?duì)采集終端造成損傷。

2.2 傳感器損壞

氣象觀測設(shè)備是氣象預(yù)報(bào)和氣候變化研究的基礎(chǔ)，而傳感器則是氣象觀測設(shè)備的核心部件。在雷雨天氣下，氣象臺(tái)的風(fēng)速、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。這種情況不僅會(huì)影響氣象觀測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，還會(huì)導(dǎo)致氣象預(yù)報(bào)不準(zhǔn)確，給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸、國防建設(shè)等領(lǐng)域埋下極大的隱患。

3 氣象觀測設(shè)備遭受雷擊的因素

3.1 采集設(shè)備防雷設(shè)計(jì)不科學(xué)

在常規(guī)氣象臺(tái)站設(shè)施中，防雷系統(tǒng)是必不可少的安全措施。實(shí)踐表明，部分臺(tái)站的防雷系統(tǒng)設(shè)計(jì)存在不足，導(dǎo)致雷電災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)增加。例如，在采集設(shè)備的防雷保護(hù)方面，設(shè)備制造商通常會(huì)采用雙層保護(hù)策略，以防止外部過大電流侵入。第一層保護(hù)位于信號(hào)入口處，通常包括電容保護(hù)裝置和電流保護(hù)裝置；第二層保護(hù)則由無線電頻率過濾器和保護(hù)中繼構(gòu)成。在兩層保護(hù)的聯(lián)合作用下，信號(hào)被傳輸至收集器。但由于氣體放電管位于信號(hào)通路收集電極的前端，因此在電路中經(jīng)常承受沖擊。

為了有效實(shí)現(xiàn)二次防護(hù)，通常需要適當(dāng)增大變阻器的尺寸，以加快反應(yīng)速度。部分制造商生產(chǎn)的收集裝置對(duì)避雷元件缺乏清晰的標(biāo)識(shí)，導(dǎo)致天氣監(jiān)測裝置更容易被雷電損害。

此外，避雷器地線的接線方式也存在不合理情況，部分設(shè)備的避雷板接地端缺乏明顯標(biāo)識(shí)，施工單位在安裝過程中難以正確將接地線與固定螺釘連接，進(jìn)而影響接地保護(hù)的效果。一旦遭受雷擊，此類設(shè)計(jì)缺陷可能會(huì)對(duì)儀器設(shè)備造成嚴(yán)重?fù)p害。

3.2 設(shè)備廠家安裝指導(dǎo)不到位

當(dāng)前，我國氣象觀測裝備配置的主要負(fù)責(zé)群體為氣象保障領(lǐng)域的專業(yè)人員。然而，他們在防雷技術(shù)方面的認(rèn)知存在不足，導(dǎo)致氣象臺(tái)站在防雷設(shè)備的部署方面未能形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。具體表現(xiàn)為防雷材料厚度參差不齊、鋪設(shè)方式多樣化。同時(shí)，針對(duì)不同類型的氣象監(jiān)測設(shè)備，如溫濕度監(jiān)測模塊和數(shù)據(jù)采集器等，其接地保護(hù)方案也各不相同，缺乏統(tǒng)一規(guī)范。

3.3 防雷措施落實(shí)不到位

3.3.1 防直擊雷裝置部署不合理

部分氣象觀測站點(diǎn)在防雷擊設(shè)施的設(shè)置上出現(xiàn)偏差。具體而言，由于屋頂避雷設(shè)施部署不足，避雷設(shè)備覆蓋區(qū)域不均衡。同時(shí)，雷達(dá)站兩側(cè)缺乏均衡布置的避雷針進(jìn)行防護(hù)，且避雷針的位置接近雷達(dá)天線，導(dǎo)致雷電災(zāi)害的頻繁發(fā)生，嚴(yán)重影響了避雷設(shè)施的防護(hù)效果。

3.3.2 信號(hào)線路和電力線路屏蔽措施不到位

某些氣象觀測站點(diǎn)在信號(hào)線和電源線的防護(hù)措施上存在不足。這些站點(diǎn)將信號(hào)線和電源線直接連接至金屬框架，盡管信號(hào)線表面具備一定程度的防護(hù)，但未能有效隔離強(qiáng)烈的電磁干擾（EMI）信號(hào)。由此導(dǎo)致信號(hào)線上的電壓超過其收集部件所能承受的范圍，從而在雷擊時(shí)對(duì)氣象監(jiān)測設(shè)備造成損害。

3.3.3 氣象觀測設(shè)備的防雷保護(hù)線過長

部分氣象站使用的避雷線長度明顯超出規(guī)范，未能滿足防雷標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定的要求。此外，架空導(dǎo)線的規(guī)格和接地系統(tǒng)的電阻值未達(dá)到國家防雷規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)。在雷電交加的環(huán)境中，這些不足之處可能導(dǎo)致氣象設(shè)施無法得到有效防護(hù)，進(jìn)而損壞氣象測量設(shè)備。

4 氣象觀測設(shè)備防御雷電災(zāi)害的有效策略

4.1 完善防雷減災(zāi)基礎(chǔ)設(shè)施

氣象觀測設(shè)備的防雷減災(zāi)工作是我國氣象事業(yè)發(fā)展的一項(xiàng)重要任務(wù)，它關(guān)乎氣象觀測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和氣象災(zāi)害預(yù)警的及時(shí)性。因此，該工作具有長期性和復(fù)雜性，需要在我國氣象部門的統(tǒng)一領(lǐng)導(dǎo)下，全社會(huì)共同參與和努力[2]。

首先，設(shè)立防雷減災(zāi)機(jī)構(gòu)。相關(guān)部門應(yīng)在此基礎(chǔ)上制定一套完整的工作計(jì)劃，明確工作目標(biāo)、任務(wù)和措施，為防雷減災(zāi)工作提供清晰的指導(dǎo)。同時(shí)，完善防雷減災(zāi)基礎(chǔ)設(shè)施，包括防雷設(shè)備、防雷接地系統(tǒng)、防雷預(yù)警系統(tǒng)等，以確保氣象觀測設(shè)備在雷電天氣條件下能夠正常運(yùn)行。

其次，提升氣象觀測設(shè)備的防雷減災(zāi)能力。這需要科研機(jī)構(gòu)、設(shè)備制造商和氣象部門共同努力，研發(fā)和推廣新型防雷技術(shù)，提升設(shè)備的防雷性能。同時(shí)，加強(qiáng)對(duì)防雷知識(shí)的普及和培訓(xùn)，增強(qiáng)氣象工作人員的防雷意識(shí)和技能，確保在雷電天氣條件下能夠及時(shí)、有效地采取防雷措施。

最后，在實(shí)際工作中，要定期對(duì)防雷減災(zāi)基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行檢測和維護(hù)。相關(guān)部門應(yīng)制定檢測計(jì)劃，定期檢查防雷設(shè)備，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)處理。針對(duì)陳舊、破損的防雷設(shè)備，應(yīng)及時(shí)更新、更換，確保防雷減災(zāi)基礎(chǔ)設(shè)施的正常運(yùn)行。

4.2 注重雷電災(zāi)害的前期防護(hù)

雷電災(zāi)害是一種自然災(zāi)害，對(duì)人類生活和生產(chǎn)造成嚴(yán)重威脅，尤其是在氣象觀測領(lǐng)域，確保設(shè)備的安全運(yùn)行至關(guān)重要。針對(duì)氣象觀測設(shè)備的雷電防護(hù)，需要遵循一定的步驟和方法，以最大限度地降低雷電災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)。

首先，充分了解氣象觀測設(shè)備。包括設(shè)備的結(jié)構(gòu)、功能、工作原理等方面，以便為后續(xù)的雷電防護(hù)提供依據(jù)。了解設(shè)備的特點(diǎn)和需求，有助于為其制定合適的防護(hù)措施。

其次，根據(jù)氣象觀測設(shè)備所處的環(huán)境，結(jié)合實(shí)際情況，確定其是否處于雷電防護(hù)范圍。環(huán)境的評(píng)估主要包括以下幾個(gè)方面：當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件、地形地貌、建筑物和樹木等因素。這些因素都會(huì)影響雷電災(zāi)害的發(fā)生與傳播，因此，在評(píng)估過程中需要全面考量。如果氣象觀測設(shè)備處于雷擊范圍，則防雷裝置的安裝就顯得尤為重要。應(yīng)將防雷裝置安裝在設(shè)備的最頂端，有效引導(dǎo)雷電電流流入地面，降低設(shè)備受損的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，還需要加強(qiáng)避雷裝置的連接，以確保其在雷電沖擊時(shí)能夠發(fā)揮預(yù)期的防護(hù)作用。

最后，針對(duì)非雷擊影響范圍內(nèi)的氣象觀測設(shè)備，同樣不能忽視其安全性。盡管雷電災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較低，但需要根據(jù)實(shí)際情況評(píng)估是否需要實(shí)施避雷防護(hù)。包括但不限于評(píng)估設(shè)備所處環(huán)境、設(shè)備重要性等因素，綜合考量后作出相應(yīng)決策[3]。

4.3 加強(qiáng)氣象觀測設(shè)備的接地工作

氣象觀測設(shè)備的接地是防止雷擊災(zāi)害的有效手段，也是保障設(shè)備安全運(yùn)行的重要手段。氣象觀測設(shè)備的接地工作應(yīng)按照相應(yīng)的技術(shù)要求進(jìn)行，確保接地電阻值滿足相關(guān)要求，并且確保接地裝置和被保護(hù)對(duì)象之間具有良好的電氣連接，避免因連接不牢固而出現(xiàn)雷擊故障。因此，在安裝氣象觀測設(shè)備時(shí)，應(yīng)注意其接地電阻值應(yīng)＜4 Ω。為確保接地效果，氣象觀測設(shè)備在安裝時(shí)應(yīng)嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)范進(jìn)行施工，并對(duì)其進(jìn)行接地測試，確保接地電阻值＜1 Ω。除了接地電阻值的要求，氣象觀測設(shè)備的接地工作還需要注意以下幾個(gè)方面。

首先，接地裝置的材料應(yīng)具備良好的導(dǎo)電性能，一般使用銅、鋁、鋼等金屬材料制作。其次，接地裝置的安裝位置應(yīng)考慮地質(zhì)條件、氣象環(huán)境等因素，以確保接地效果穩(wěn)定、可靠。最后，接地裝置的安裝應(yīng)符合安全要求，防止人員觸電事故的發(fā)生。此外，為了確保氣象觀測設(shè)備的接地效果，定期進(jìn)行接地測試，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理接地故障。在接地測試過程中，應(yīng)使用專業(yè)的測試儀器，按照相關(guān)規(guī)范進(jìn)行測試，確保測試結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。如果發(fā)現(xiàn)接地電阻值不符合要求，應(yīng)及時(shí)采取措施進(jìn)行處理，以保證氣象觀測設(shè)備的正常運(yùn)行和防雷安全[4]。

4.4 增強(qiáng)工作人員的雷電防護(hù)意識(shí)

雷電防護(hù)工作在氣象觀測領(lǐng)域具有重要意義，為了確保氣象觀測設(shè)備的安全運(yùn)行，需要從多個(gè)方面加強(qiáng)防護(hù)。

首先，對(duì)工作人員進(jìn)行教育和培訓(xùn)，使他們充分認(rèn)識(shí)到雷電災(zāi)害的嚴(yán)重性。利用理論學(xué)習(xí)與實(shí)踐操作相結(jié)合的方式，讓工作人員了解雷電的特性、雷電防護(hù)的基本原理和應(yīng)對(duì)雷電災(zāi)害的方法。

其次，建立健全的雷電防護(hù)管理制度，確保工作人員在實(shí)際工作中能夠按照要求進(jìn)行規(guī)范操作，包括雷電預(yù)警機(jī)制、應(yīng)急預(yù)案、設(shè)備檢查與維護(hù)等方面的規(guī)范。同時(shí)，加強(qiáng)與其他部門的合作，共同應(yīng)對(duì)雷電災(zāi)害。例如，與氣象部門密切配合，提前發(fā)布雷電預(yù)警信息；與電力部門協(xié)作，確保供電系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行；與通信部門攜手，保障通信網(wǎng)絡(luò)的順暢。

最后，加強(qiáng)雷電防護(hù)知識(shí)的普及與宣傳。通過各種渠道，讓廣大群眾了解雷電災(zāi)害的危害，掌握基本的防雷措施。

4.5 直擊雷防御

在雷電防御工作中，必須對(duì)雷電防御裝置進(jìn)行防護(hù)。在實(shí)際操作過程中，必須按照《建筑防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50057—2010）中規(guī)定的二級(jí)雷電防御建筑物，加強(qiáng)對(duì)氣象臺(tái)站和觀測裝置的雷擊保護(hù)。如果在閃電頻發(fā)地區(qū)布設(shè)了氣象觀測裝置，且對(duì)其發(fā)生雷擊的可能性較大，應(yīng)按一級(jí)雷電防御規(guī)定加強(qiáng)雷電防御保護(hù)。為了減少對(duì)裝置的雷擊危害，在雷電防御設(shè)計(jì)中，應(yīng)選用直雷接地或雷擊誘導(dǎo)接地方式。氣象臺(tái)站的雷電防御、接地設(shè)施要與監(jiān)測儀器的布局有機(jī)結(jié)合，使其接地阻抗＜4 Ω。

為了避免對(duì)氣象觀測設(shè)備造成沖擊，應(yīng)在地面布置網(wǎng)格狀接地極。針對(duì)地面直擊雷的防范，通常將避雷針設(shè)置在風(fēng)力鐵塔上。避雷針可采用隔離材料，確保氣象站內(nèi)的所有監(jiān)測設(shè)備均處于避雷針的覆蓋范圍。避雷針的引出線為多根銅絞線，其截面不小于

50 mm2，沿風(fēng)力鐵塔外緣布置并接入地下。若使用隔離接地網(wǎng)作為避雷針，需要保證接地網(wǎng)與觀測裝置的保護(hù)地線間距＞3 m，并分別進(jìn)行鋪設(shè)。若采用共用地線，垂直地線應(yīng)被設(shè)于避雷針引線入口處，并與觀測網(wǎng)緊密連接。

4.6 供電系統(tǒng)防雷

在雷暴環(huán)境下，氣象臺(tái)站的電力供應(yīng)系統(tǒng)面臨較大的雷擊風(fēng)險(xiǎn)，因此，必須實(shí)施有效的防雷措施。戶外觀測點(diǎn)需要同時(shí)做好工作接地和防護(hù)接地。供電、配電裝置的工作接地和防護(hù)接地應(yīng)遵循相關(guān)規(guī)定，其阻值應(yīng)低于4 Ω。根據(jù)不同環(huán)境條件，在供電和分配系統(tǒng)中配置合適的電涌保護(hù)器。為提升防雷性能，通常采用多段式SPD進(jìn)行防護(hù)。戶外線路應(yīng)直接埋入地下。在進(jìn)入室內(nèi)前，需要將金屬外殼和鋼管與等電熔連接或避雷設(shè)備連接。若為高架電纜，應(yīng)在室內(nèi)入口處布置電纜。住宅用鋼管應(yīng)轉(zhuǎn)換為金屬外殼或護(hù)套，并埋入土壤。值得注意的是，確保天氣觀測儀器始終正常工作和電源品質(zhì)至關(guān)重要。若臺(tái)站采用室內(nèi)電源供電，應(yīng)定期開展供電工作。電壓不穩(wěn)定容易導(dǎo)致天氣監(jiān)測設(shè)備損壞，因此，必須安裝調(diào)壓器。當(dāng)氣象臺(tái)出現(xiàn)零電位超標(biāo)時(shí)，應(yīng)反復(fù)對(duì)主配電盒進(jìn)行接地，并適當(dāng)布線。

4.7 信號(hào)線路防雷

氣象站的信號(hào)線路布置在1、2號(hào)信號(hào)機(jī)上，這些特殊信號(hào)機(jī)位于戶外，L箱則設(shè)在觀察區(qū)。2條信號(hào)線路（分別連接1號(hào)信號(hào)機(jī)和2號(hào)信號(hào)機(jī)）與6種天氣信號(hào)（風(fēng)速、風(fēng)向、降雨、濕度、閃電、大霧）相連，并進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。收集界面經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)，具備抵御雷電的能力，以防對(duì)長距離信號(hào)線產(chǎn)生的雷電破壞和相互干擾。因此，現(xiàn)場工作人員無需在遠(yuǎn)距離傳輸線的進(jìn)口處加裝信號(hào)SPD。

為確保信號(hào)盒具有優(yōu)良的接地性能，需要將觀測場地與信號(hào)箱地網(wǎng)緊密連接。針對(duì)信號(hào)1和信號(hào)2的傳輸線路，應(yīng)選用1種金屬槽進(jìn)行遮護(hù)，通?？刹捎贸叽鐬?00 mm×50 mm的金屬槽。在布線過程中，需要根據(jù)所需安裝的線纜類型，靈活調(diào)整自動(dòng)插槽的大小，一般為500 mm×400 mm。為防止設(shè)備受損、確保接地有效性，金屬槽的一端需與觀測現(xiàn)場網(wǎng)相連，另一端則與值班室門口處的工作現(xiàn)場網(wǎng)相連，確保兩端均穩(wěn)固。這能有效防止雷電對(duì)遙測信號(hào)線的入侵，將電壓幅值約束在采集器界面電路的允許范圍內(nèi)，避免對(duì)設(shè)備的安全接地產(chǎn)生不利影響。同時(shí)，為防止雨淋或鼠類侵入，必須鋪設(shè)電線溝渠。通常情況下，觀測設(shè)備的數(shù)據(jù)線路是從氣象站風(fēng)速變送器引出的。為避免線路遭受雷電侵襲，應(yīng)將線路從風(fēng)柱內(nèi)側(cè)引至電纜溝。

5 結(jié)束語

氣象觀測設(shè)備在運(yùn)行過程中面臨雷電災(zāi)害的嚴(yán)重威脅。為確保設(shè)備的安全與穩(wěn)定運(yùn)行，相關(guān)單位必須加強(qiáng)對(duì)雷電災(zāi)害的防范工作，采取有效措施降低雷電災(zāi)害發(fā)生概率。同時(shí)，加強(qiáng)設(shè)備的日常管理和維護(hù)工作，建立健全雷電災(zāi)害應(yīng)急處理機(jī)制，以應(yīng)對(duì)突發(fā)情況。此外，推動(dòng)雷電災(zāi)害防御技術(shù)的研發(fā)和創(chuàng)新，不斷提升設(shè)備的防雷能力，這也是保障氣象觀測工作順利進(jìn)行的關(guān)鍵。唯有如此，才能為氣象觀測設(shè)備提供穩(wěn)定可靠的工作環(huán)境，為氣象事業(yè)的持續(xù)發(fā)展提供堅(jiān)實(shí)保障。

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收稿日期：2024-07-11

作者簡介：趙文哲（1984—），男，內(nèi)蒙古赤峰人，工程師，研究方向?yàn)闅庀罄纂姺烙?/p>