李振剛

濟源產(chǎn)城融合示范區(qū)氣象局，河南濟源 459000

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

在技術(shù)飛速發(fā)展的現(xiàn)代社會，地面氣象觀測業(yè)務實現(xiàn)了質(zhì)的飛躍，氣象觀測業(yè)務已經(jīng)全面向自動化運行趨勢邁進，各種現(xiàn)代化氣象觀測設(shè)備得到了廣泛應用，這些設(shè)備不僅為氣象觀測業(yè)務的發(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，加強氣象站雷電災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位置之間形成的特別強烈的放電現(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)濟損失[2]。

1.2 感應雷入侵

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，靜電感應或電磁感一般會感應出過電壓，同時借助電纜引入氣象站的觀測場或者計算機控制室[3]。這樣氣象臺站采集器、計算機、傳感器等儀器設(shè)備均可能會因為雷擊而受到不同程度的損壞。在嚴重狀況下，通信電纜的絕緣層還極易斷裂，雷電天氣帶來的瞬時高壓會借助通信電纜進入值班室，給氣象臺站觀測業(yè)務增添阻力。

1.3 地電位反擊入侵

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

2 雷電災害對氣象觀測設(shè)備的影響

當前，我國各個地區(qū)均建立了許多新型自動氣象站，氣象觀測業(yè)務實現(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。分析雷電災害了解到，雷電災害對氣象觀測設(shè)備帶來的影響涉及以下2個方面。

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體器件受到損害，導致半導體器件被擊穿，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，甚至會直接導致采集終端計算機受損[5]。

2.2 傳感器損壞

在雷雨天氣下，氣象臺站的風、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)計不科學

通常氣象臺站均部署了防雷系統(tǒng)，但一些氣象臺站因為設(shè)備防雷設(shè)計不科學而導致雷擊事故易發(fā)[6]。例如，在采集設(shè)備雷電防護方面存在設(shè)計不科學：

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，從而防止強大的外部電流進入采集器內(nèi)部。第一段設(shè)置在輸入端，大體上由電容器保護器和電流保護器組成；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后進入采集器，然而因為氣體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，因此往往應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，以實現(xiàn)二次保護，進而促進響應速度的加快。

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

3.2 設(shè)備廠家安裝指導不到位

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)場指導不到位，導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方式存在差異。

3.3 防雷措施落實不力

某些地區(qū)的一些氣象站對氣象觀測設(shè)備雷電防護方面落實不力，在氣象觀測設(shè)備部署前沒有認真分析探討，未進行氣象觀測設(shè)備防雷設(shè)計規(guī)范性論證，導致防雷措施不規(guī)范，使得氣象臺站存在雷擊風險[8]。

3.3.1 防直擊雷裝置部署不合理 有些氣象站在建設(shè)直擊雷防護裝置時不合理。屋頂防雷裝置不充足導致防雷裝置所處區(qū)域不合理。雷達站兩側(cè)缺乏對稱安裝避雷針的保護，加之避雷針離雷達天線太近，導致氣象觀測設(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，導致感應雷電流出現(xiàn)，進而損壞氣象觀測設(shè)備[9]。

3.3.3 氣象觀測設(shè)備的防雷保護線過長 有些氣象臺站按照的防雷線路太長，不符合防雷標準要求。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)備起到保護作用，使得氣象觀測儀器受損。

4 雷電災害防御對策

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。在具體實施中，嚴格遵守《建筑防雷設(shè)計規(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)備進行雷電防護[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措施。防雷接地需要選擇直接防雷接地和雷電感應接地，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。對于觀測點的直擊雷防護而言，避雷針往往在風塔上直接部署。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范圍內(nèi)。避雷針的引下線可以是多條銅芯導線的屏蔽電纜，截面積≤50 mm2，沿風塔外緣敷設(shè)并進入地面。如果使用獨立的接地網(wǎng)當作避雷針，那么應該確保接地網(wǎng)與觀測設(shè)備的保護接地網(wǎng)之間的距離達到3 m以上，同時需要進行單獨敷設(shè)；如果使用共享接地網(wǎng)，那么應該在避雷針引下線進入的地方部署垂直接地體，同時應該與觀測現(xiàn)場網(wǎng)絡進行緊密連接。

4.2 保護接地對策

氣象觀測設(shè)備的保護接地應采取有效措施，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，部署科學的接地保護措施十分關(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的銅芯導線進行接地處理，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的銅芯導線做接地處理。為防止塔架雷電放電后對接地保護設(shè)備造成不良影響，風塔防雷引下線的接地點與氣象觀測站網(wǎng)中其他接地保護裝置的距離應達到10 m以上。進入氣象臺業(yè)務值班室或氣象觀測設(shè)備的信號線、電力線應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：

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個風塔之間部署1 m×1 m的網(wǎng)狀接地裝置連接到步進電壓電網(wǎng)，以構(gòu)成統(tǒng)一的閉環(huán)[13-14]。

第三，觀測現(xiàn)場還應選用25 mm金屬護欄×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接地十分必要。規(guī)范供配電設(shè)備的工作接地和保護接地，電阻值要求＜4 Ω[14-17]。在供配電系統(tǒng)中，應根據(jù)具體情況部署浪涌防護器（SPD）。為了進一步提高雷電防御效果，通?？蛇x擇多級SPD保護措施[4]。對于室外布線，需要直接將其埋在地下。在步入室內(nèi)前，電纜的金屬護套、鋼管應連接至等電位聯(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入房間的地方。通過鋼管將居民轉(zhuǎn)換成金屬鎧裝或護套電纜，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)定運行，應嚴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，則應該經(jīng)常檢查供電系統(tǒng)的運行質(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，則應該對主配電箱重復進行接地處理，且需對線路進行合理部署。

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的1號信號機和2號信號機中，L盒在觀察區(qū)內(nèi)。6個氣象信號（風速、風向、雨量、濕度、雷電、大霧）是通過這2條專線（1號信號機和2號信號機）連接和收集的。集電極接口電路起到抵抗感應雷擊的作用，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，最后一端與值班室入口位置的工作現(xiàn)場網(wǎng)絡進行連接，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傳感器引出，應從風桿內(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)展進步，氣象臺站觀測設(shè)備應用越來越廣泛，這些電子設(shè)備遭受雷擊的概率較高，輕則導致設(shè)備受損，重則導致整個氣象觀測系統(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害對氣象觀測設(shè)備的危害，相關(guān)人員需要加強氣象觀測設(shè)備的雷電防護工作，結(jié)合雷電災害對氣象觀測設(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)務的安全、有序開展。