李紅梅 景東平 李宇飛 王一豪

（1.長(zhǎng)治市氣象局，山西 長(zhǎng)治 046000；2.臨汾市氣象局，山西 臨汾 041000； 3.武鄉(xiāng)縣氣象局，山西 武鄉(xiāng) 046300）

由于地面氣象觀測(cè)場(chǎng)對(duì)環(huán)境條件的要求，很多自動(dòng)氣象臺(tái)站位于野外、空曠地帶，隨之帶來(lái)的是氣象站建筑物遭受雷擊的可能性增加[1]。2013年5月22日—23日，受冷空氣和西南暖濕氣流的共同影響，山西省臨汾市大范圍出現(xiàn)了中到大雨，局部暴雨的天氣過(guò)程，并伴有短時(shí)強(qiáng)雷電、大風(fēng)和冰雹。其中，襄汾縣自動(dòng)氣象站的觀測(cè)場(chǎng)風(fēng)向桿遭到一次雷電閃擊，并造成自動(dòng)站數(shù)臺(tái)設(shè)備損壞。事后市防雷技術(shù)人員對(duì)雷擊現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了災(zāi)情調(diào)查，并結(jié)合實(shí)際觀測(cè)資料對(duì)災(zāi)害成因進(jìn)行了綜合分析[2-3]。

1 天氣背景與觀測(cè)分析

1.1 天氣背景

受冷空氣和西南暖濕氣流的共同影響，臨汾市所轄地區(qū)均出現(xiàn)了較為強(qiáng)烈的降水過(guò)程，2013年5月22日8∶00 至2013年5月23日8∶00 的降水量超過(guò)50mm 的站有12 個(gè)，降水時(shí)段主要集中在17∶00—24∶00，過(guò)程平均降水量為35.5mm。本次受災(zāi)的自動(dòng)氣象站降水量為42.8mm，雷暴自18∶10 起，持續(xù)到20∶00 以后。

1.2 多普勒雷達(dá)回波及衛(wèi)星云圖分析

當(dāng)雷達(dá)回波值在45dBz 或以上時(shí)，出現(xiàn)暴雨、冰雹、大風(fēng)等強(qiáng)對(duì)流天氣的可能性較大。從當(dāng)時(shí)的雷達(dá)回波圖看，強(qiáng)回波區(qū)域范圍較大，由臨汾西部地區(qū)逐漸移動(dòng)到南部地區(qū)。當(dāng)時(shí)云圖上β中尺度特征明顯，對(duì)流云團(tuán)首先在低渦切變線西側(cè)形成，隨著低渦切變線東北移，對(duì)流云團(tuán)迅速發(fā)展東移，是暴雨及閃電等強(qiáng)對(duì)流天氣形成的直接影響系統(tǒng)。

2 現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)與成因分析

2.1 現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)情況

據(jù)觀測(cè)員講述，該站5月22日17∶00 開始降水，19∶31 觀測(cè)員目擊到一次強(qiáng)閃電擊中觀測(cè)場(chǎng)風(fēng)向桿，隨即出現(xiàn)自動(dòng)站主機(jī)關(guān)機(jī)。隨機(jī)將事故報(bào)告市局。

經(jīng)檢查，觀測(cè)場(chǎng)的風(fēng)向風(fēng)速傳感器、雨量采集器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)接盒，測(cè)報(bào)值班室內(nèi)的數(shù)據(jù)采集器、自動(dòng)站電腦主機(jī)、打印機(jī)被雷擊擊壞。風(fēng)向桿接閃針頂端可見被電擊燒蝕的痕跡,數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)接盒及電腦主機(jī)的電路板均有大片燒焦的痕跡。

圖1 自動(dòng)氣象站平面布局

現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)發(fā)現(xiàn)，該自動(dòng)站建于城郊空曠地帶，四周開闊平坦。觀測(cè)場(chǎng)周圍均為麥田，無(wú)任何建筑物，高約8m 的辦公樓位于觀測(cè)場(chǎng)西側(cè)，距觀測(cè)場(chǎng)20m 左右。觀測(cè)場(chǎng)地面較周邊農(nóng)田高出10 余米，較辦公樓地面高出4m 左右。顯然觀測(cè)場(chǎng)和辦公樓距屬于孤立建筑物，很易遭受雷擊。

圖2 風(fēng)向桿實(shí)際接線情況

風(fēng)向桿位于觀測(cè)場(chǎng)內(nèi)部，為鋼管材料制作，高10m，其頂部裝設(shè)有高出桿體頂端約1m 的接閃短針，接閃針的引下線及風(fēng)向風(fēng)速傳感器數(shù)據(jù)線一起經(jīng)風(fēng)向桿的鋼管內(nèi)部引下，引下線為φ10mm 2BVR銅線，引下線安裝長(zhǎng)度較長(zhǎng)，風(fēng)向桿未接地。數(shù)據(jù)線無(wú)屏蔽措施，與接閃針引下線沒有安全距離。數(shù)據(jù)線經(jīng)地下電纜溝、觀測(cè)場(chǎng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)接盒、引入辦公樓測(cè)報(bào)值班室的數(shù)據(jù)采集器，數(shù)據(jù)采集器與自動(dòng)站計(jì)算機(jī)、打印機(jī)等設(shè)備相連接。數(shù)據(jù)線兩端未安裝電涌保護(hù)器，電纜溝中所有數(shù)據(jù)線、電纜均無(wú)屏蔽措施。值班室所有電氣設(shè)備均未做等電位連接。

辦公樓供電電源經(jīng)架空線路進(jìn)入一樓總配電箱，此處安裝有一個(gè)電涌保護(hù)器（最大持續(xù)工作電壓Uc=385V，標(biāo)稱放電電流In=40kA（8/20μs），電壓保護(hù)水平Up≤2.4kV），值班室內(nèi)未對(duì)電源線路進(jìn)行多級(jí)防過(guò)電壓保護(hù)。

接地電阻的測(cè)量，經(jīng)實(shí)測(cè)，接閃器引下線接地電阻1.2Ω，風(fēng)向桿本體接地電阻300Ω，外轉(zhuǎn)接線盒接地電阻1.4Ω，辦公樓接閃帶接地電阻2.4Ω，電涌保護(hù)器接地電阻2.0Ω，值班室內(nèi)電源保護(hù)接地電阻2.0Ω。

2.2 成因分析

1）該自動(dòng)站年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)

依照《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50057—2010）建筑物年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)的計(jì)算方法[4]，按下式計(jì)算：

式中，k為校正系數(shù)，該站建筑物屬于曠野地帶的孤立建筑物，應(yīng)取2；Ng為該站所處地區(qū)雷擊大地 的年平均密度（次/km2/a），Ng= 0.1×Td= 3.2，其中Td為該站年平均雷暴日數(shù)，取32；Ae為與建筑物截收相同雷擊次數(shù)的等效面積（km2），這里根據(jù)辦公樓長(zhǎng)寬高計(jì)算：

則該自動(dòng)站年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)為

由上述計(jì)算可知，該自動(dòng)氣象站的年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)為0.6 次/年，這個(gè)數(shù)值已屬于較高的雷擊概率。根據(jù)《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50057—2010）3.0.3章第十款“預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)大于0.25 次/年的住宅、辦公樓等一般性民用建筑物或一般性工業(yè)建筑物，應(yīng)劃分為第二類防雷建筑物”的要求，此自動(dòng)氣象站應(yīng)屬于第二類防雷建筑物。但此氣象站僅安裝有總配電保護(hù)，并未安裝分配電保護(hù)裝置。多級(jí)過(guò)電保護(hù)裝置不符合標(biāo)準(zhǔn)是造成本次雷擊災(zāi)害的主要原因。

2）風(fēng)向桿接閃針引下線電位

在雷電流流過(guò)引下線的瞬間，引下線各部位的電位差異很大[5]，為便于計(jì)算，取引下線的中間位置（5m）來(lái)計(jì)算其電位：

式中，UR為雷電流流過(guò)防雷裝置時(shí)接地裝置的電阻電壓降，kV；UL為雷電流流過(guò)防雷裝置時(shí)引下線的電感電壓降，kV；Ri為接地裝置的沖擊接地電阻，Ω；實(shí)測(cè)值1.2Ω；I為雷電流幅值，kA；di/dt為雷電流陡度（kA/μs），通過(guò)查詢當(dāng)時(shí)閃電定位資料，雷電流幅值為35kA；L0為引下線的單位長(zhǎng)度電感，μH/m，取1.5μH/m。

可見，接閃器引下線在距地面5m 的高度處有高達(dá)304.5kV 的瞬時(shí)過(guò)電壓，所產(chǎn)生的電磁感應(yīng)在其相鄰導(dǎo)線上會(huì)產(chǎn)生很高的感應(yīng)電壓，此電壓通過(guò)無(wú)任何保護(hù)措施的線路進(jìn)入耐壓較低的電子設(shè)備，足以造成設(shè)備損壞。

通過(guò)以上分析，結(jié)合對(duì)現(xiàn)場(chǎng)勘察、地理環(huán)境因素、氣象資料記錄等情況，防雷措施不合理是造成本次雷擊災(zāi)害的主要原因，表現(xiàn)在：金屬風(fēng)向桿未安裝接地裝置，失去了對(duì)鋼管內(nèi)部線路的屏蔽作用；風(fēng)向桿接閃針引下線與信號(hào)線均敷設(shè)在風(fēng)向桿內(nèi)部，距離很近，雷電流通過(guò)接閃針及其引下線泄入大地時(shí)，由于閃電感應(yīng)的作用，流經(jīng)引下線的雷電流的迅速變化在其周圍會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的瞬變電磁場(chǎng)，使得臨近的數(shù)據(jù)線上感應(yīng)出很高的瞬態(tài)過(guò)電壓和過(guò)電流；數(shù)據(jù)線在電纜溝中沒有任何屏蔽措施，數(shù)據(jù)線兩端也沒有安裝過(guò)電壓保護(hù)裝置，因此該瞬態(tài)波即通過(guò)數(shù)據(jù)線路竄入下級(jí)線路，致使與此線路連接的后級(jí)設(shè)備損壞。

3 防雷設(shè)施整改建議

1）接閃針的引下線宜敷設(shè)在風(fēng)向桿外部并接地，風(fēng)向桿應(yīng)安裝接地裝置。這樣由于鋼管的屏蔽作用，可使風(fēng)向風(fēng)速數(shù)據(jù)線得到一定的屏蔽保護(hù)，防止閃電感應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)線的影響。

2）觀測(cè)場(chǎng)到值班室之間的數(shù)據(jù)電纜均應(yīng)做穿鋼管或穿金屬線槽，并在兩端可靠接地。

3）在各個(gè)傳感器的線路兩端安裝型號(hào)匹配、性能可靠的信號(hào)用過(guò)電壓保護(hù)器。

4）完善配電線路的防閃電感應(yīng)措施，嚴(yán)格按照第二類防雷建筑物的防雷要求安裝多級(jí)過(guò)電壓保護(hù)裝置，并注意電涌保護(hù)器在能量上的配合，做好值班室內(nèi)的電氣設(shè)備的等電位連接。

4 結(jié)論

由此可見，位于空曠、野外的自動(dòng)氣象站，年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)較高，遭受雷擊的概率較大，安裝合理完善的防雷裝置是避免遭受雷擊災(zāi)害的重要措施。首先應(yīng)按照《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》要求確定建筑物防雷類別，再選擇恰當(dāng)?shù)姆览自O(shè)計(jì)方案，做好觀測(cè)場(chǎng)及值班室內(nèi)儀器的等電位連接及接地、合理布線、線纜屏蔽，選擇能量匹配的浪涌保護(hù)器。

本次雷電災(zāi)害是由于觀測(cè)場(chǎng)風(fēng)向桿防雷措施不當(dāng)而已引起的。在實(shí)際設(shè)備安裝中，很多自動(dòng)氣象站觀測(cè)場(chǎng)出于成本節(jié)省的考慮，風(fēng)向桿防雷措施都采用類似做法，此文可以對(duì)預(yù)防此類事件發(fā)生起到借鑒作用。

[1] 桑二,高棟斌,樊家慶,等.半坡村“5.12”重大雷擊傷亡事故調(diào)查分析[C].第八屆中國(guó)國(guó)際防雷論壇,2010: 330-331.

[2] 侯俊玲,李春華,李文忠,等.自動(dòng)站雷擊故障分析檢修一例[J].山西氣象,2012(3): 38-40.

[3] 胡定,陸曉麗.一次雷擊事故的調(diào)查分析與啟示[J].氣象研究與應(yīng)用,2011,32(3): 108-110.

[4] 中華人民共和國(guó)住房與城鄉(xiāng)建設(shè)部.建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范（GB 50057—2010）[Z].2010-11-03.

[5] 中華人民共和國(guó)住房與城鄉(xiāng)建設(shè)部.建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范（GB 50343—2012）[Z].2012-12-28.