臨邑縣自動觀測站雷擊原因分析

竇俊杰

摘要 通過2015年8月14日臨邑自動氣象站雷擊實例，分析雷擊原因，并比照防雷設計規范和運用電磁兼容的原理提出改進措施。建議進行定期的防雷設施檢測。

關鍵詞 自動氣象站；雷電；改進措施

中圖分類號：P415.12；P429 文獻標識碼：A 文章編號：2095-3305（2018）03-034-02

DOI： 10.19383/j.cnki.nyzhyj.2018.03.014

Abstract In this paper， the reason for a lightning stroke accident of Linyi automatic weather station on August 14， 2015 was analyzed. The protective measures were proposed according to the design code for lightning protection and the principle of electromagnetic compatibility. It was suggest that regular detection of lightning protection facilities should be made.

Key words Automatic weather sta tion； Thunder and lightning； Protective measures

自動氣象站是大氣探測系統的重要組成部分，更是開展精細化預報所不可缺少的氣象要素源。實施自動觀測的自動氣象站由于網格距的需要而分布在不同的地理位置和氣候環境中，在實際運行過程中很容易遭受雷電的侵襲。目前運行自動氣象站雷擊個例并不鮮見。2015年8月3日05：50左右，臨邑縣氣象局觀測站突遭強雷暴襲擊，造成自動站計算機網卡、計算機調制解調器、采集器、地溫數據采集器損壞。筆者以此次雷擊為例，分析雷擊原因，并比照防雷設計規范和運用電磁兼容的原理提出改進措施。

1 自動站雷擊原因分析

根據臨邑縣氣象局氣象數據證實2015年8月3日05：00—06：00，臨邑縣確實出現雷雨天氣，通過山東省閃電定位資料顯示2015年8月3日05：00—06：00，在GPS測得的坐標為經度116.812 4°，緯度37.200 32°，與這一坐標最為接近的一組雷電數據，雷電流強度達到29.29 kA。

業務值班室高頻電話信號線采用的是架空入室和3級防雷， 經UPS輸電到設備。高頻電話信號塔位于業務值班室北側，距離15 m左右，值班室設置接地排，材質為L50 mm×5 mm鍍鋅角鋼，接地引下線接至觀測場埋設的地網。入室的所有數據線、電源線和相接的各類地線交錯在一起，走向基本一致。

高頻電話信號線架空入室，使得信號線產生靜電感應效應。在架空高頻電話信號線路上，會因為其上空的帶電云層的存在產生靜電感應，感應出與云層相反的電荷，當帶電云層與地面發生閃擊，電場減弱，對于架空線纜上感應電荷的束縛減小，感應電荷就會沿線路兩側傳播，形成過電壓。當它沿線路進入建筑物內時，會對建筑物內的信息系統和電氣設備造成損壞，例如，自動氣象站計算機網卡。當它沿線路進入觀測場，會導致觀測設備受到損壞，例如低溫數據采集器。自動站氣象觀測系統就會出現故障，致使觀測資料無法及時傳輸，產生重大損失。

若是自動氣象站周邊的高層建筑物或突出物受到雷擊，或者自動氣象站的接閃裝置接閃時，雷電流在向地下泄放過程中，會產生電磁感應，瞬態的雷電感應電磁場在數據傳輸線產生了較強感應雷電過電壓，雷電波在侵入采集器的同時又感應了設備端口段的輸電線路，不同強度的雷電過電壓從信號線、電源線侵入到設備內。由現場勘查得知，避雷針的引下線和避雷針系統的接地極連接線與數據傳輸線方向布置一致。當雷擊時，接地線上流過的瞬態電流i所產生的磁通必然引起相鄰電路的磁感應耦合，假設兩相鄰電路間的互感為M，那么可以導出感應電壓式：Un=M×di/dt。設雷電流波形10/350 μs沒有衰減，當避雷針接閃將強雷電流泄入地下時，若雷電流幅值200 kA，di/dt可達20 kA/μs，對于接地線與線纜近距的情況，近似線纜間無磁漏，由M=K（L1×L2）1/2（K為耦合系數，L1、L2為線纜自感系數），取K=1，雷電瞬間，接地線或線纜單位長度電感L1近似為1.5 μH/m、L2為12.88 μH/m[L2=0.02 ln（6.28·H/W），H為數據線距地線的距離，取H=0.5 m，W為數據線寬度，W=0.005 m]，大致可以計算單根數據線的Un約為88 kV。因此，當感性耦合所產生的感應過電壓大于防雷板的耐壓水平，就會造成采集核心模塊的損壞。根據解放軍理工大學周璧華教授和楊春山博士在“地閃回擊近場計算與雷電電磁脈沖環境預測”一文中指出，地面水平敷設的電線、電纜在雷電通道有很強的耦合，距雷電通道100 m范圍內，長度10 m的導體，可在其表面形成峰值達100 A的電流，其終端可產生20 kV的峰值電壓。事實上，強雷電流泄放入地過程中不可能只經過一根接地極，而是經過連接線分散入地，雷電流在地下將分布得很寬和很遠，這勢必在不同的瞬態時間段對地溫傳感器造成電感性感應。

而且臨邑縣自動氣象臺站在進行地線設計時將其簡單化，只強調接地卻不管地線的走向，在室內把地線、電源線、數據傳輸線混在一起。而雷電流是一種高頻瞬態電流，如果地線不能為雷電流泄放提供一條低阻抗路徑，那么容性（電容性感應）串擾和感性（電感性感應）串擾作用的存在，使地線的副作用增大。現在的情況是，地線的走向有時幾乎與信號的傳輸方向一致，而且地線過長，室內的地線無論是安全保護地或是防雷接地，當浪涌電流通過時，對地線近旁的信號、電源線纜都會產生電磁感應。

很多情況下，未必是信號線纜傳輸雷電信號，恰恰是電源線纜傳載了雷電波，當雷電波較弱時不足以對一般電器設備造成危害，卻通過感應對敏感的電子設備形成破壞；因為像UPS、穩壓器之類的用電設備耐壓是2.5 kV，而電子信息設備的耐壓僅為0.5 kV或更低。整個線纜入室也沒有按規范的等電位連接，在避雷針接閃時，完全有可能承載雷電過電壓并傳載到值班室，甚至在值班室內的線纜間產生電磁感應的串擾鏈。于是從電源線感應過來的雷電波將自動站計算機網卡燒壞。

2 自動氣象站防雷改進措施

2.1 合理布線

觀測場至建筑物的信號線和電源線均穿金屬線槽（管）埋地敷設，屏敲體一端應與觀測場內金屬線槽（管）電氣連通，另一端應在建筑物入戶處做等電位連接。室外觀測儀器設備的數據傳輸線均應使用屏蔽電纜并穿金屬線槽（管）敷設，金屬線槽（管）應與接地干線多點連接，宜每隔5～10 m連接1次。

接地極盡可能地安裝在觀測地區以外，讓信號線等能夠和接地連接線中保持安全的距離。當距離不夠長的時候，可以想辦法讓線纜和接地線的交角增大，最好是一個直角形。

建筑物內線路的布設宜避免形成環路，電源線路和信號線路宜分槽布設，數據傳輸線與其他管線的間距宜符合表1、表2的要求。

2.2 等電位連接

利用建筑物內部或其上的金屬部件多重互連，組成網格狀低阻抗等電位連接網絡，并與接地裝置構成一個接地系統。進出建筑物的導電物體均應LPZ0和LPZ1區交界處或建筑物入戶處做等電位連接，并可靠接地。在LPZ1和LPZ2區交界處及后續雷電防護區的交界處也應進行等電位連接。進出機柜的線纜屏敲層及光纜的金屬加強芯、金屬擋潮層應在機柜外側處做等電位連接。電子系統的所有外露導電物應與建筑物的等電位連接網絡做功能性等電位連接。機房內電子設備的金屬外殼、機柜、機架、金屬管、槽、屏蔽線纜外層、防靜電接地、安全保護地、SPD接地端等均應以最短的距離與等電位連接網絡連接。

固定在建筑物上的氣象觀測儀器及其他用電設備的線路應采用有金屬鎧裝的電纜或將導線穿金屬線槽（管），各段金屬線槽（管）應保證電氣貫通。水平布置的金屬線槽（管）或電纜的金屬鎧裝層宜每隔10 m與接地預留點或接閃帶就近等電位連接，垂直布置的金屬線槽（管）或電纜的鎧裝層至少應在上下兩端就近與等電位連接帶連接。

3 總結

由于自動氣象站包含大量敏感元器件，且部分設備處于室外，所處環境復雜多變，極易產生防雷設施老化或電氣連接不通等問題。因此，需要進行定期的防雷設施檢測，至少每年進行1次定期檢測，由專業檢測人員使用專門的儀器設備對防雷設施進行全面檢查，一般情況下可以將檢測時間放在雷雨季節到來之前，檢測到問題的話要及時地做好整改，從而保證氣象設備能夠有效地發揮作用，避免發生因雷擊造成自動氣象站無法正常工作，導致數據丟失以及無法及時傳輸給上級部門的情況。

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責任編輯：鄭丹丹