仇 健，陳惜茂，李智標(biāo)，程建培

(1.廣東省珠海市公共氣象服務(wù)中心，廣東 珠海 519000；2.廣東省珠海市斗門區(qū)氣象局，廣東 珠海 519000)

地面氣象觀測場雷擊案例分析與對策

仇 健1，陳惜茂2，李智標(biāo)1，程建培1

(1.廣東省珠海市公共氣象服務(wù)中心，廣東 珠海 519000；2.廣東省珠海市斗門區(qū)氣象局，廣東 珠海 519000)

2013年5月21日珠海某氣象觀測場設(shè)備損壞，通過調(diào)取事發(fā)地雷災(zāi)歷史、事發(fā)時段閃電定位資料以及現(xiàn)場勘察、剩磁檢測等手段對事故進行調(diào)查分析，認(rèn)為此次事故是由于觀測場內(nèi)的VASALA MILOS520自動站立桿頂部遭受雷擊并導(dǎo)致觀測場及值班室相關(guān)設(shè)備受損，同時指出觀測場現(xiàn)有防雷系統(tǒng)存在的不足，提出相應(yīng)的防御措施。

雷災(zāi)；氣象；觀測場；對策

1 引言

為能較好地反映本地較大范圍的氣象要素特點，地面氣象觀測場一般選址于四周空曠平坦無遮擋的地帶，而場內(nèi)高聳突起的測風(fēng)桿、接閃桿無疑增加了觀測場遭受雷擊的概率。此外，隨著大量耐壓水平低、抗干擾能力弱的自動氣象站逐漸替代傳統(tǒng)的人工觀測，也使得觀測場遭雷擊時設(shè)備受損的范圍進一步擴大，進而導(dǎo)致了觀測業(yè)務(wù)中斷和不可彌補的數(shù)據(jù)丟失。本文以珠海某氣象觀測場遭雷擊事故為例，分析探討其雷擊原因和防御對策，旨在拋磚引玉，為進一步完善地面觀測場的防雷措施提供參考。

2 受災(zāi)情況

2013年5月21日上午，珠海某氣象觀測場值班人員報稱，當(dāng)日約10時52分觀測場遭受雷擊，值班室內(nèi)電腦全部出現(xiàn)黑屏，同時市電中斷，經(jīng)UPS備用電源啟動后發(fā)現(xiàn)其中兩臺電腦無法開機啟動，影響正常觀測業(yè)務(wù)。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，值班室電源總開關(guān)跳閘以及二樓的電源箱內(nèi)的UPS市電輸入、UPS供電輸出及供往觀測場的電源共3處開關(guān)跳閘；觀測場內(nèi)的能見度儀損壞，DZZ1-2型自動氣象站的數(shù)據(jù)采集器、風(fēng)向傳感器、草溫傳感器，以及與自動站連接的計算機、打印機、數(shù)據(jù)隔離器、EN型測風(fēng)儀損壞。接報后，相關(guān)部門立即成立調(diào)查組趕赴現(xiàn)場展開實地調(diào)查，向目擊者和故障處理人員詳細了解事故情況，并對相關(guān)物件進行測試、取證。

3 災(zāi)害調(diào)查

3.1 地理環(huán)境

事發(fā)觀測場位于珠海市內(nèi)某山頂，南、北面分別為地勢更高的板障山和鳳凰山。事發(fā)當(dāng)日，從海面吹來的西南氣流進入兩山之間時，因“狹管效應(yīng)”造成水汽、能量在兩山之間堆積而易產(chǎn)生雷暴；同時，近地層氣流受觀測場所在的山體阻擋被迫抬升，也促進了強對流的形成與發(fā)展；此時，觀測場內(nèi)安裝的測風(fēng)桿、接閃桿等高聳物體，因具有尖端放電效應(yīng)而易成為雷擊選擇的目標(biāo)。

3.2 歷史觀測情況

經(jīng)查閱歷史資料，觀測場年平均雷暴日約為62 d，屬于多雷區(qū)；最多時達到86 d，分別發(fā)生在1978、1983年；最少為35 d，發(fā)生在2001年。歷年來該觀測場及其附近雷電災(zāi)害時有發(fā)生。

3.3 設(shè)備及防雷裝置因素

3.3.1 DZZ1-2型自動氣象站工作原理 DZZ1-2型自動氣象站的基本配置是采集器和風(fēng)向、風(fēng)速、氣溫、濕度、雨量、氣壓、地表溫度、淺層地溫、深層地溫等各類要素傳感器，外圍設(shè)備有UPS電源、計算機、打印機、通訊數(shù)據(jù)隔離器等。其總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1。該自動站采用交、直流兩種電源供電模式，市電供電正常時，穩(wěn)壓電源輸出后由內(nèi)部DC/DC轉(zhuǎn)換成+5V、±12V電壓供系統(tǒng)和傳感器工作。停電時由蓄電池直接輸入直流電壓。觀測場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)采集器進行處理后經(jīng)隔離器傳輸至計算機。

圖1 DZZ1-2型自動氣象站總體結(jié)構(gòu)

3.3.2 防雷裝置現(xiàn)狀 山頂觀測場采用專設(shè)接閃桿防直擊雷(圖2)，根據(jù)滾球法計算，場內(nèi)除VASALA MILOS 520自動站(簡稱自動站)以及測風(fēng)塔以外的所有觀測設(shè)施均處于專設(shè)接閃桿的保護范圍之內(nèi)；自動站立桿頂自身設(shè)有接閃短桿保護測風(fēng)儀，接閃短桿通過金屬支撐架與自動站備金屬立桿連接，短桿底端采用一條16 mm2多股銅絞線作引下線沿著自動站立桿的鋼絲斜拉索引下，局部纏繞成環(huán)路；觀測場防直擊雷接地與設(shè)備電氣保護、工作接地等共用接地裝置，實測接地電阻2.92 Ω。值班室位于半山腰，距山頂觀測場約30 m，采用接閃帶防直擊雷，建筑物防雷接地與內(nèi)部電氣電子系統(tǒng)共用接地裝置，實測接地電阻2.88 Ω。進出值班室、觀測場的各種電源、信號線路均采用電纜溝埋地方式敷設(shè)。值班室電源線路安裝有SPD保護，工作狀態(tài)正常；但信號線路未安裝SPD保護，線路屏蔽層未做接地處理。

觀測場內(nèi)的DZZ1-2型數(shù)據(jù)采集器箱、DZZ1-2TW型信號變送器箱的金屬外殼、主板的數(shù)據(jù)線屏蔽層均通過PE線接地，但未就近與觀測場主地網(wǎng)作重復(fù)接地；能見度箱為非金屬外殼，無空間屏蔽，箱內(nèi)主板數(shù)據(jù)線無屏蔽保護；此外，線纜溝內(nèi)相關(guān)電纜分布凌亂，部分線纜纏繞成環(huán)形，且引至值班室的電纜未全線采用金屬管屏蔽保護。

圖2 觀測場平圖示意圖

3.4 閃電定位記錄

以事故現(xiàn)場地理坐標(biāo)為中心向縱、橫兩側(cè)分別擴展1 km的方形區(qū)域內(nèi)，共篩選得到閃電記錄13條。其中，經(jīng)對比分析各閃電記錄的時間、坐標(biāo)、電流強度以及至事發(fā)現(xiàn)場的距離發(fā)現(xiàn)，最疑似肇事雷擊記錄為：2013年5月21日10時50分，電流強度-318 kA，距離事發(fā)地點592.579 m，定位站點數(shù)達到5，可信度比較高；閃電記錄時間與被調(diào)查人所述亦較為接近。

3.5 現(xiàn)場剩磁等數(shù)據(jù)檢測情況

經(jīng)剩磁檢測，值班室、觀測場內(nèi)的剩磁檢測情況如表1。

表1 現(xiàn)場剩磁檢測數(shù)據(jù)

此外，在檢測過程中還發(fā)現(xiàn)，自動站立桿的3組拉索各構(gòu)件(鋼絲、拉鉤、地錨)之間采用機械性連接，連接處松動且螺栓銹蝕較嚴(yán)重。拉索的金屬地錨、能見度儀金屬立桿未與觀測場接地裝置作電氣連接，3個地錨的實測接地電阻值分別為555 Ω、87 Ω和295 Ω，能見度儀立桿的實測接地電阻值為6 000 Ω。

4 事故調(diào)查結(jié)論及原因分析

綜上所述，可初步判斷此次觀測場及值班室設(shè)備受損屬于直接遭受雷擊引發(fā)。原因如下：

首先，根據(jù)閃電定位和自動站3組拉索的剩磁數(shù)據(jù)，判斷為閃電擊中了觀測場自動站頂部的接閃短桿；因趨膚效應(yīng)，絕大部分的雷電流經(jīng)自動站立桿的3組拉索泄放入地。因該地錨未與觀測場內(nèi)的接地裝置連接形成共用地網(wǎng)，故距地錨最近的DZZ1-2型數(shù)據(jù)采集器因高電位反擊而損壞；同時反擊電流通過PE線傳導(dǎo)至DZZ1-2TW型信號變送器并至其線路主板擊穿損壞。此外，雷電流在地中泄放時，連接觀測場設(shè)備的電源、信號線路因分流將部分雷電流傳導(dǎo)至值班室內(nèi)，數(shù)據(jù)線路因屏蔽接地以及防電涌過電壓的保護措施不完善，致使位于線路終端的數(shù)據(jù)隔離盒及電腦接口被擊壞；電源線路由于出現(xiàn)過電流，值班室配電箱內(nèi)的保護電器隨之動作而導(dǎo)致停電。

其次，受損的風(fēng)向傳感器和能見度儀分別位于自動站附近，經(jīng)估算可得到地閃發(fā)生時二者所在位置的磁場強度和磁感應(yīng)強度為：

H0=i0/2πSa=(318×103)/(2×3.14×3.65)=1.39×104(A/m)

(1)

式(1)中，H0為無屏蔽時產(chǎn)生的無衰減磁場強度(A/m)；i0為最大雷電流(kA)，在此取值為最疑似肇事雷擊記錄電流318 kA(表1)；Sa為雷擊點與屏蔽空間之間的平均距離，在此取值為風(fēng)向傳感器、能見度儀與自動站之間的實測距離，即3.65 m(如圖2)。

B0=4π×10-7H0≈0.017(T)=170(Gs)

(2)

式(2)中，B0為無屏蔽時產(chǎn)生的無衰減磁感應(yīng)強度(T或Gs，1T=104Gs)；H0為無屏蔽時產(chǎn)生的無衰減磁場強度，取值為式(1)計算結(jié)果。

由此可見，風(fēng)向傳感器和能見度儀因未采取屏蔽保護措施，其安裝位置的磁感應(yīng)強度已遠遠大于2.4 Gs，設(shè)備微電子元器件無法承受雷擊電磁脈沖產(chǎn)生的過電壓或過電流而發(fā)生損壞。

5 整改對策

5.1 采用獨立接閃桿保護觀測場內(nèi)的所有設(shè)施

防直擊雷接地裝置應(yīng)與防雷電感應(yīng)、電氣保護接地、設(shè)備工作接地、埋地線纜等保持足夠的安全距離，同時應(yīng)將觀測場內(nèi)所有金屬物、金屬構(gòu)件與防雷電感應(yīng)的接地裝置可靠連接。

5.2 屏蔽

對于觀測場內(nèi)各電子探測設(shè)備應(yīng)采取空間電磁屏蔽接地措施。對于所有的電源、信號線路應(yīng)全線采取穿鋼管屏蔽保護措施，鋼管之間形成可靠的電氣通路且兩端作好接地處理。

5.3 安裝電涌保護器

應(yīng)在電源、信號線路安裝合適的SPD保護，并確保SPD之間的能量相匹配，以防線路上產(chǎn)生的電涌過電壓。

5.4 綜合布線

觀測場及值班室線纜溝(槽)內(nèi)的電源、信號線路應(yīng)分開敷設(shè)，并避免纏繞成環(huán)形。

[1] 中國氣象局.雷電災(zāi)害調(diào)查技術(shù)規(guī)范[S].QX/T103-2009.

[2] 國家技術(shù)監(jiān)督局.電氣火災(zāi)原因技術(shù)鑒定方法[S].GB 16840.2-1997.

[3] 廣東省氣象計算機應(yīng)用開發(fā)研究所.DZZ1-2型自動氣象站技術(shù)手冊[M].廣州：廣東省氣象計算機應(yīng)用開發(fā)研究所，2009.

[4] 中國氣象局.自動氣象站場室防雷技術(shù)規(guī)范[S].QX30-2004.

[5] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.建筑物防雷裝置檢測技術(shù)規(guī)范[S].GB/T21431-2008.

2014-07-17

仇健(1982—)，男，工程師，主要從事防雷技術(shù)服務(wù)工作。

1003-6598(2015)02-0055-03

TM862

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