自動氣象站雷電環境及暫態電位分布的研究

孫自勝 岳國海 程虎 江亮

摘 要：自動氣象站的普及既提高了觀測效率又節約了大量人力，但由于自動氣象站觀測需要建設在空曠的野外，在雷雨季節極易遭受雷擊，雷擊過電壓經常導致觀測場內儀器發生損壞。該研究選取霍山縣城關自動氣象觀測站作為研究對象，利用安徽省ADTD閃電定位數據，分析和統計了其周圍的雷電環境特征，再結合自動氣象站周圍的土壤特性，建立了其地網模型，對其暫態地電位進行仿真。結果表明，無防護措施時，地面跨步電壓的極值為457.59V。研究結果可為后續自動氣象站的建設和雷電防護提供參考。

關鍵詞：自動氣象站;直擊雷;土壤模型;暫態地電位

中圖分類號 P415.1+2 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2022）08-0181-04

Research on Lightning Environment and Transient Potential Distribution of Automatic Weather Station

SUN Zisheng1? ?YUE Guohai2? ?CHENG Hu1? ?JIANG Liang1

（1Lu'an Meteorological Bureau， Lu'an 237000， China; 2Shucheng Meteorological Bureau， Shucheng 231300， China）

Abstract： The popularization of automatic weather stations not only improves the efficiency of observations， but also saves a lot of manpower. However， because automatic weather stations need to be built in the open field for observation， they are vulnerable to lightning strikes during the thunderstorm season. Lightning overvoltages often lead to instruments in the observation field damage has occurred. This paper selects the Huoshan County Chengguan Automatic Meteorological Observation Station for related research， using the ADTD lightning location data of Anhui Province to analyze and count the characteristics of the lightning environment around it. Combined with the characteristics of the soil around the automatic weather station， the ground network model was established， and its transient ground potential was simulated， and the extreme value of ground step voltage is 457.59V without protective measures， which provides a reference for the subsequent construction of the automatic weather station and lightning protection.

Key words： Automatic weather station; Direct lightning strike; Soil model; Transient ground potential

隨著電路集成化水平不斷提高，微電子器件的電磁脈沖耐受能力卻不斷降低。20世紀60年代電子管的耐受能量為0.1～10J，而目前大規模集成電路的耐受能量僅為10-8～10-6J，相差有7個數量級。隨著區域預報準確性的要求不斷提高，多要素自動氣象站的數量也在不斷增加，氣象儀器的精確度要求也越來越高，而耐受過電壓能力卻出現大幅下降。另一方面，由于氣象站的選址規定，需要建在空曠、無高大建（構）筑物遮擋的地方，這也為直擊雷的發生提供了有利條件。目前國內有些學者對此進行了研究。林苗青等[1]分析了自動氣象站的組織構成、雷電過電壓強度以及入侵途徑。徐丹等[2]對農村區域自動氣象站的防雷措施進行了探討及分析。鄭西等[3]對山區自動氣象站遭受雷擊特點進行了探討分析。張東明等[4]針對自動氣象站防雷技術對農業的影響進行了探討和分析。但以上學者主要從理論分析或從雷擊現場反演雷電襲擊的途徑，為考慮自動氣象站周圍的閃電環境的影響，筆者提出以自動氣象站周圍的雷電環境為背景，結合對現場土壤環境的勘測，建立相關地網模型，仿真得出雷擊暫態過電壓分布情況，為后續自動氣象站的建設和雷電防護提供參考。

1 自動氣象站周圍閃電特征

霍山縣自動氣象站位于縣城城關，近些年在雷雨季節經常遭受雷擊，對氣象數據的正常傳播和附近的居民生活帶來了較大隱患。利用2006—2020年安徽省氣象局閃電監測資料，統計分析自動氣象站周圍的地閃密度、閃電監測、雷電流特征及雷電主次導方向閃電參數分布變化。圖1顯示了以自動氣象站為中心向外5km為半徑的周邊地閃次數，數值為6.13次/km2.a，對比周圍數值，可知自動氣象站區域內地閃密度最大，這與實際觀測到的雷電概率一致。由圖2可知，標的物所在地半徑5km范圍內以負地閃為主，正地閃為輔。數據顯示，在半徑5km范圍內，平均年總閃電次數為5581次，標的物附近負閃電集中，平均年負地閃次數達到了5302次，大約占總地閃的95%，正地閃只有5%，這與實際自然界觀察的結果一致，正地閃出現的頻次很少。

由圖3可知，該區域雷電流幅值分布呈現“中間大，兩頭小”的趨勢，小雷電流幅值區間為10.1～15.8kA（所占比例5.87%），大雷電流幅值區間為大于100kA（所占比例11.57%），位于中間部分的雷電流幅值區間為15.8～50.8kA及50.8～100kA（所占比例分別為44.42%、21.01%，累計比例65.43%）。從雷電流幅值分布得知，今后主要攔截幅值區間為15.8～100kA中段雷電流，這對后續安裝浪涌有一定的指導性作用[4-6]。由圖4可知，通過閃電定位儀數據統計分析，該自動氣象站有來自各個方向的雷電，但是在西南和東北2個方向較多，東南方向較少。這表明在設置接閃桿時應兼顧覆蓋保護范圍和方位的選擇，雷暴過境時應提高警惕，減小或避免生命和財產損失。

通過上述分析可知，氣象觀測站所在區域范圍的雷電流強度屬于中等水平，但是氣象觀測站的地閃密度在研究范圍數值最大，因此可以從直擊雷和感應2個方面進行雷電防護。直擊雷可采用獨立接閃桿和設置均壓環的方法，確保該觀測站能夠在接閃桿保護范圍以內;均壓環的設置可以使雷電流及時泄入大地，同時避免反擊的發生。另一方面，由于現代智能化氣象儀器朝著微型化、精準化的方向發展，致使其耐受外界過電壓能力不斷減弱，因此防止電涌侵入儀器也是防雷的重要組成部分[7-9]。為了安全起見，以雷電流幅值的最大值100kA作為浪涌防護的臨界值。

2 暫態地電位仿真

隨著目前雷電理論的不斷完善和成熟，閃電產生的新機理也在不斷被提出，比如土壤電阻率、接閃器尖端形狀以及當地的氣候等因素。根據現場的土壤勘測，采用文納四極法對自動氣象站周圍的土壤電阻率進行測量，分別取間1～5m進行多次測量求平均值，形成擬合曲線（圖5），利用CDEGS擬合土壤電阻率與深度的關系，形成土壤電阻率的3層結構，其與厚度分布情況如表1所示。

基于對該自動氣象站的勘測和設計情況，選取環形結構地網作為為地網模型[10]。外環為15m的環形接地體，與水平接地體連接。水平接地體交叉處采用2.5m角鋼連接（圖6）。為了便于計算統計，對地網模型進行1～40編號。結合上述閃電參數分析，得知自動氣象站周圍的雷電流平均幅值為100kA，以此作為自動氣象站仿真的激勵源。雷電波采用2.6/50μs波形，通過正向傅里葉變化將時域轉化為頻域（圖7），結合上述參數利用CDEGS軟件對自動氣象站的二維、三維跨步電壓進行仿真[11-12]。由圖8可知，自動氣象站的二維跨步電壓向四周呈輻射狀分布，由徑向向外增大趨勢，內部中心處最先跨步電壓為47.85V，而外圍無防護措施時跨步電壓在極值457.59V。由圖9的三維跨步電壓仿真可以看出，該三維跨步電壓分布呈“漏斗”形狀，中間低、外圍高的分布規律。因此自動氣象站的前期施工既需要根據圖紙設計要求，也要根據現場的雷電環境，因地制宜選擇防雷施工方案[13-15]。

3 小結

通過對自動氣象站周圍雷電環境分析以及地網跨步電壓的仿真，可知自動氣象站的地閃密度為6.13次/km2.a，屬于高風險區;附近主要以負地閃為主，正地閃數量極少;有來自各個方向的雷電發生，但是西南和東北方向偏多;建立環形結構作為該自動氣象站的地網模型，仿真得出外圍無防護措施時跨步電壓在極值457.59V，后續施工時應增加相應的防跨步電壓措施。

參考文獻

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（責編：徐世紅）