雷電災害對氣象觀測設備的影響及其防御策略

摘 要：隨著科技的不斷進步，氣象觀測設備也不斷更新，設備的運行環境變得越來越復雜，雷電災害對氣象觀測設備的影響也越來越嚴重。為減少雷電災害對氣象觀測設備的影響，保證氣象觀測數據的準確性和連續性，深入分析了氣象觀測設備受到雷電災害影響的原因，并提出了針對性的防御策略，以期更好地保護氣象觀測設備。

關鍵詞：雷電災害；氣象觀測設備；防雷裝置；雷電防護

中圖分類號：P429 文獻標志碼：B 文章編號：2095–3305（2024）10–0-03

雷電災害是氣象觀測設備最大的威脅，每年都會發生因雷電引起的數據傳輸中斷事件，導致無法連續記錄氣象觀測數據，給氣象資料的完整性造成較大影響。我國每年有大量氣象觀測設備遭受雷擊破壞，損失嚴重。造成氣象觀測設備損壞的原因有多種，雷電災害是其中的主要因素。在實際工作中，雷擊造成氣象觀測設備損壞的事故時有發生。因此，必須分析雷擊對氣象觀測設備的危害程度和雷電災害對氣象觀測設備的影響，并提出有效的防御策略，以減少或避免事故的發生。

1 雷電入侵氣象站觀測系統的主要途徑

1.1 直擊雷入侵

直擊雷是一種在帶電云團與地表特定區域之間產生的異常劇烈的閃電現象。由于氣象站電子元器件所處環境復雜，且自身較為脆弱，極易受到閃電擊中。一旦發生雷電災害，這將對其儀器設備造成嚴重損害，極端情況下甚至會導致數據丟失，使得氣象臺數據無法正常傳輸，從而給氣象臺帶來巨大的經濟損失[1]。

1.2 感應雷入侵

氣象臺在雷電天氣中若遭受雷擊，可能導致過電壓現象，并通過電纜傳輸至觀測區或電腦控制室。因此，受到雷電災害的影響，氣象臺各種設備，如采集器、計算機和傳感器等均可能受到損傷。在極端情況下，通信電纜的絕緣層可能受損，雷擊過程中產生的瞬間高電壓可通過通信電纜傳導至值班人員，從而增加氣象站觀測工作的難度。

2 雷電災害對氣象觀測設備的影響

2.1 采集器主板損壞

在遭遇雷暴天氣時，氣象站收集器主板若遭受雷擊，其內部的半導體元件將受到破壞，進而導致主板燒焦。通常情況下，若一個設備，如收集器的電源部分和通信部分受到雷電破壞，其他設備也可能受損，嚴重時甚至會對采集終端造成損傷。

2.2 傳感器損壞

氣象觀測設備是氣象預報和氣候變化研究的基礎，而傳感器則是氣象觀測設備的核心部件。在雷雨天氣下，氣象臺的風速、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。這種情況不僅會影響氣象觀測數據的準確性，還會導致氣象預報不準確，給農業生產、交通運輸、國防建設等領域埋下極大的隱患。

3 氣象觀測設備遭受雷擊的因素

3.1 采集設備防雷設計不科學

在常規氣象臺站設施中，防雷系統是必不可少的安全措施。實踐表明，部分臺站的防雷系統設計存在不足，導致雷電災害的風險增加。例如，在采集設備的防雷保護方面，設備制造商通常會采用雙層保護策略，以防止外部過大電流侵入。第一層保護位于信號入口處，通常包括電容保護裝置和電流保護裝置；第二層保護則由無線電頻率過濾器和保護中繼構成。在兩層保護的聯合作用下，信號被傳輸至收集器。但由于氣體放電管位于信號通路收集電極的前端，因此在電路中經常承受沖擊。

為了有效實現二次防護，通常需要適當增大變阻器的尺寸，以加快反應速度。部分制造商生產的收集裝置對避雷元件缺乏清晰的標識，導致天氣監測裝置更容易被雷電損害。

此外，避雷器地線的接線方式也存在不合理情況，部分設備的避雷板接地端缺乏明顯標識，施工單位在安裝過程中難以正確將接地線與固定螺釘連接，進而影響接地保護的效果。一旦遭受雷擊，此類設計缺陷可能會對儀器設備造成嚴重損害。

3.2 設備廠家安裝指導不到位

當前，我國氣象觀測裝備配置的主要負責群體為氣象保障領域的專業人員。然而，他們在防雷技術方面的認知存在不足，導致氣象臺站在防雷設備的部署方面未能形成統一標準。具體表現為防雷材料厚度參差不齊、鋪設方式多樣化。同時，針對不同類型的氣象監測設備，如溫濕度監測模塊和數據采集器等，其接地保護方案也各不相同，缺乏統一規范。

3.3 防雷措施落實不到位

3.3.1 防直擊雷裝置部署不合理

部分氣象觀測站點在防雷擊設施的設置上出現偏差。具體而言，由于屋頂避雷設施部署不足，避雷設備覆蓋區域不均衡。同時，雷達站兩側缺乏均衡布置的避雷針進行防護，且避雷針的位置接近雷達天線，導致雷電災害的頻繁發生，嚴重影響了避雷設施的防護效果。

3.3.2 信號線路和電力線路屏蔽措施不到位

某些氣象觀測站點在信號線和電源線的防護措施上存在不足。這些站點將信號線和電源線直接連接至金屬框架，盡管信號線表面具備一定程度的防護，但未能有效隔離強烈的電磁干擾（EMI）信號。由此導致信號線上的電壓超過其收集部件所能承受的范圍，從而在雷擊時對氣象監測設備造成損害。

3.3.3 氣象觀測設備的防雷保護線過長

部分氣象站使用的避雷線長度明顯超出規范，未能滿足防雷標準設定的要求。此外，架空導線的規格和接地系統的電阻值未達到國家防雷規定的標準。在雷電交加的環境中，這些不足之處可能導致氣象設施無法得到有效防護，進而損壞氣象測量設備。

4 氣象觀測設備防御雷電災害的有效策略

4.1 完善防雷減災基礎設施

氣象觀測設備的防雷減災工作是我國氣象事業發展的一項重要任務，它關乎氣象觀測數據的準確性和氣象災害預警的及時性。因此，該工作具有長期性和復雜性，需要在我國氣象部門的統一領導下，全社會共同參與和努力[2]。

首先，設立防雷減災機構。相關部門應在此基礎上制定一套完整的工作計劃，明確工作目標、任務和措施，為防雷減災工作提供清晰的指導。同時，完善防雷減災基礎設施，包括防雷設備、防雷接地系統、防雷預警系統等，以確保氣象觀測設備在雷電天氣條件下能夠正常運行。

其次，提升氣象觀測設備的防雷減災能力。這需要科研機構、設備制造商和氣象部門共同努力，研發和推廣新型防雷技術，提升設備的防雷性能。同時，加強對防雷知識的普及和培訓，增強氣象工作人員的防雷意識和技能，確保在雷電天氣條件下能夠及時、有效地采取防雷措施。

最后，在實際工作中，要定期對防雷減災基礎設施進行檢測和維護。相關部門應制定檢測計劃，定期檢查防雷設備，發現問題及時處理。針對陳舊、破損的防雷設備，應及時更新、更換，確保防雷減災基礎設施的正常運行。

4.2 注重雷電災害的前期防護

雷電災害是一種自然災害，對人類生活和生產造成嚴重威脅，尤其是在氣象觀測領域，確保設備的安全運行至關重要。針對氣象觀測設備的雷電防護，需要遵循一定的步驟和方法，以最大限度地降低雷電災害的風險。

首先，充分了解氣象觀測設備。包括設備的結構、功能、工作原理等方面，以便為后續的雷電防護提供依據。了解設備的特點和需求，有助于為其制定合適的防護措施。

其次，根據氣象觀測設備所處的環境，結合實際情況，確定其是否處于雷電防護范圍。環境的評估主要包括以下幾個方面：當地的氣候條件、地形地貌、建筑物和樹木等因素。這些因素都會影響雷電災害的發生與傳播，因此，在評估過程中需要全面考量。如果氣象觀測設備處于雷擊范圍，則防雷裝置的安裝就顯得尤為重要。應將防雷裝置安裝在設備的最頂端，有效引導雷電電流流入地面，降低設備受損的風險。同時，還需要加強避雷裝置的連接，以確保其在雷電沖擊時能夠發揮預期的防護作用。

最后，針對非雷擊影響范圍內的氣象觀測設備，同樣不能忽視其安全性。盡管雷電災害的風險相對較低，但需要根據實際情況評估是否需要實施避雷防護。包括但不限于評估設備所處環境、設備重要性等因素，綜合考量后作出相應決策[3]。

4.3 加強氣象觀測設備的接地工作

氣象觀測設備的接地是防止雷擊災害的有效手段，也是保障設備安全運行的重要手段。氣象觀測設備的接地工作應按照相應的技術要求進行，確保接地電阻值滿足相關要求，并且確保接地裝置和被保護對象之間具有良好的電氣連接，避免因連接不牢固而出現雷擊故障。因此，在安裝氣象觀測設備時，應注意其接地電阻值應＜4 Ω。為確保接地效果，氣象觀測設備在安裝時應嚴格按照相關規范進行施工，并對其進行接地測試，確保接地電阻值＜1 Ω。除了接地電阻值的要求，氣象觀測設備的接地工作還需要注意以下幾個方面。

首先，接地裝置的材料應具備良好的導電性能，一般使用銅、鋁、鋼等金屬材料制作。其次，接地裝置的安裝位置應考慮地質條件、氣象環境等因素，以確保接地效果穩定、可靠。最后，接地裝置的安裝應符合安全要求，防止人員觸電事故的發生。此外，為了確保氣象觀測設備的接地效果，定期進行接地測試，及時發現和處理接地故障。在接地測試過程中，應使用專業的測試儀器，按照相關規范進行測試，確保測試結果的準確性和可靠性。如果發現接地電阻值不符合要求，應及時采取措施進行處理，以保證氣象觀測設備的正常運行和防雷安全[4]。

4.4 增強工作人員的雷電防護意識

雷電防護工作在氣象觀測領域具有重要意義，為了確保氣象觀測設備的安全運行，需要從多個方面加強防護。

首先，對工作人員進行教育和培訓，使他們充分認識到雷電災害的嚴重性。利用理論學習與實踐操作相結合的方式，讓工作人員了解雷電的特性、雷電防護的基本原理和應對雷電災害的方法。

其次，建立健全的雷電防護管理制度，確保工作人員在實際工作中能夠按照要求進行規范操作，包括雷電預警機制、應急預案、設備檢查與維護等方面的規范。同時，加強與其他部門的合作，共同應對雷電災害。例如，與氣象部門密切配合，提前發布雷電預警信息；與電力部門協作，確保供電系統的穩定運行；與通信部門攜手，保障通信網絡的順暢。

最后，加強雷電防護知識的普及與宣傳。通過各種渠道，讓廣大群眾了解雷電災害的危害，掌握基本的防雷措施。

4.5 直擊雷防御

在雷電防御工作中，必須對雷電防御裝置進行防護。在實際操作過程中，必須按照《建筑防雷設計規范》（GB 50057—2010）中規定的二級雷電防御建筑物，加強對氣象臺站和觀測裝置的雷擊保護。如果在閃電頻發地區布設了氣象觀測裝置，且對其發生雷擊的可能性較大，應按一級雷電防御規定加強雷電防御保護。為了減少對裝置的雷擊危害，在雷電防御設計中，應選用直雷接地或雷擊誘導接地方式。氣象臺站的雷電防御、接地設施要與監測儀器的布局有機結合，使其接地阻抗＜4 Ω。

為了避免對氣象觀測設備造成沖擊，應在地面布置網格狀接地極。針對地面直擊雷的防范，通常將避雷針設置在風力鐵塔上。避雷針可采用隔離材料，確保氣象站內的所有監測設備均處于避雷針的覆蓋范圍。避雷針的引出線為多根銅絞線，其截面不小于

50 mm2，沿風力鐵塔外緣布置并接入地下。若使用隔離接地網作為避雷針，需要保證接地網與觀測裝置的保護地線間距＞3 m，并分別進行鋪設。若采用共用地線，垂直地線應被設于避雷針引線入口處，并與觀測網緊密連接。

4.6 供電系統防雷

在雷暴環境下，氣象臺站的電力供應系統面臨較大的雷擊風險，因此，必須實施有效的防雷措施。戶外觀測點需要同時做好工作接地和防護接地。供電、配電裝置的工作接地和防護接地應遵循相關規定，其阻值應低于4 Ω。根據不同環境條件，在供電和分配系統中配置合適的電涌保護器。為提升防雷性能，通常采用多段式SPD進行防護。戶外線路應直接埋入地下。在進入室內前，需要將金屬外殼和鋼管與等電熔連接或避雷設備連接。若為高架電纜，應在室內入口處布置電纜。住宅用鋼管應轉換為金屬外殼或護套，并埋入土壤。值得注意的是，確保天氣觀測儀器始終正常工作和電源品質至關重要。若臺站采用室內電源供電，應定期開展供電工作。電壓不穩定容易導致天氣監測設備損壞，因此，必須安裝調壓器。當氣象臺出現零電位超標時，應反復對主配電盒進行接地，并適當布線。

4.7 信號線路防雷

氣象站的信號線路布置在1、2號信號機上，這些特殊信號機位于戶外，L箱則設在觀察區。2條信號線路（分別連接1號信號機和2號信號機）與6種天氣信號（風速、風向、降雨、濕度、閃電、大霧）相連，并進行數據采集。收集界面經過特殊設計，具備抵御雷電的能力，以防對長距離信號線產生的雷電破壞和相互干擾。因此，現場工作人員無需在遠距離傳輸線的進口處加裝信號SPD。

為確保信號盒具有優良的接地性能，需要將觀測場地與信號箱地網緊密連接。針對信號1和信號2的傳輸線路，應選用1種金屬槽進行遮護，通常可采用尺寸為100 mm×50 mm的金屬槽。在布線過程中，需要根據所需安裝的線纜類型，靈活調整自動插槽的大小，一般為500 mm×400 mm。為防止設備受損、確保接地有效性，金屬槽的一端需與觀測現場網相連，另一端則與值班室門口處的工作現場網相連，確保兩端均穩固。這能有效防止雷電對遙測信號線的入侵，將電壓幅值約束在采集器界面電路的允許范圍內，避免對設備的安全接地產生不利影響。同時，為防止雨淋或鼠類侵入，必須鋪設電線溝渠。通常情況下，觀測設備的數據線路是從氣象站風速變送器引出的。為避免線路遭受雷電侵襲，應將線路從風柱內側引至電纜溝。

5 結束語

氣象觀測設備在運行過程中面臨雷電災害的嚴重威脅。為確保設備的安全與穩定運行，相關單位必須加強對雷電災害的防范工作，采取有效措施降低雷電災害發生概率。同時，加強設備的日常管理和維護工作，建立健全雷電災害應急處理機制，以應對突發情況。此外，推動雷電災害防御技術的研發和創新，不斷提升設備的防雷能力，這也是保障氣象觀測工作順利進行的關鍵。唯有如此，才能為氣象觀測設備提供穩定可靠的工作環境，為氣象事業的持續發展提供堅實保障。

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參考文獻

[1] 鄭棟棟，黃志成，陳斌源.面向電源安全的氣象觀測場設備雷電防護措施設計[J].電子設計工程，2022，30（16）：176-180.

[2] 李錦順，劉洋，張勁.探析氣象觀測設備雷電災害防御關鍵技術的應用[J].農業技術與裝備，2021（10）：143-144.

[3] 吳生燦.探討氣象觀測設備雷電災害防御關鍵技術的應用[J].農業災害研究，2020，10（6）：72-73，76.

[4] 路云涯，楊莉.氣象觀測設備雷電災害防御關鍵技術的應用價值研究[J].中國高新科技，2020（22）：137-138.

收稿日期：2024-07-11

作者簡介：趙文哲（1984—），男，內蒙古赤峰人，工程師，研究方向為氣象雷電防御。