一次自動氣象站雷災調查與成因分析

李紅梅 景東平 李宇飛 王一豪

（1.長治市氣象局，山西 長治 046000；2.臨汾市氣象局，山西 臨汾 041000； 3.武鄉縣氣象局，山西 武鄉 046300）

由于地面氣象觀測場對環境條件的要求，很多自動氣象臺站位于野外、空曠地帶，隨之帶來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了中到大雨，局部暴雨的天氣過程，并伴有短時強雷電、大風和冰雹。其中，襄汾縣自動氣象站的觀測場風向桿遭到一次雷電閃擊，并造成自動站數臺設備損壞。事后市防雷技術人員對雷擊現場進行了災情調查，并結合實際觀測資料對災害成因進行了綜合分析[2-3]。

1 天氣背景與觀測分析

1.1 天氣背景

受冷空氣和西南暖濕氣流的共同影響，臨汾市所轄地區均出現了較為強烈的降水過程，2013年5月22日8∶00 至2013年5月23日8∶00 的降水量超過50mm 的站有12 個，降水時段主要集中在17∶00—24∶00，過程平均降水量為35.5mm。本次受災的自動氣象站降水量為42.8mm，雷暴自18∶10 起，持續到20∶00 以后。

1.2 多普勒雷達回波及衛星云圖分析

當雷達回波值在45dBz 或以上時，出現暴雨、冰雹、大風等強對流天氣的可能性較大。從當時的雷達回波圖看，強回波區域范圍較大，由臨汾西部地區逐漸移動到南部地區。當時云圖上β中尺度特征明顯，對流云團首先在低渦切變線西側形成，隨著低渦切變線東北移，對流云團迅速發展東移，是暴雨及閃電等強對流天氣形成的直接影響系統。

2 現場勘測與成因分析

2.1 現場勘測情況

據觀測員講述，該站5月22日17∶00 開始降水，19∶31 觀測員目擊到一次強閃電擊中觀測場風向桿，隨即出現自動站主機關機。隨機將事故報告市局。

經檢查，觀測場的風向風速傳感器、雨量采集器、數據轉接盒，測報值班室內的數據采集器、自動站電腦主機、打印機被雷擊擊壞。風向桿接閃針頂端可見被電擊燒蝕的痕跡,數據轉接盒及電腦主機的電路板均有大片燒焦的痕跡。

圖1 自動氣象站平面布局

現場勘測發現，該自動站建于城郊空曠地帶，四周開闊平坦。觀測場周圍均為麥田，無任何建筑物，高約8m 的辦公樓位于觀測場西側，距觀測場20m 左右。觀測場地面較周邊農田高出10 余米，較辦公樓地面高出4m 左右。顯然觀測場和辦公樓距屬于孤立建筑物，很易遭受雷擊。

圖2 風向桿實際接線情況

風向桿位于觀測場內部，為鋼管材料制作，高10m，其頂部裝設有高出桿體頂端約1m 的接閃短針，接閃針的引下線及風向風速傳感器數據線一起經風向桿的鋼管內部引下，引下線為φ10mm 2BVR銅線，引下線安裝長度較長，風向桿未接地。數據線無屏蔽措施，與接閃針引下線沒有安全距離。數據線經地下電纜溝、觀測場數據轉接盒、引入辦公樓測報值班室的數據采集器，數據采集器與自動站計算機、打印機等設備相連接。數據線兩端未安裝電涌保護器，電纜溝中所有數據線、電纜均無屏蔽措施。值班室所有電氣設備均未做等電位連接。

辦公樓供電電源經架空線路進入一樓總配電箱，此處安裝有一個電涌保護器（最大持續工作電壓Uc=385V，標稱放電電流In=40kA（8/20μs），電壓保護水平Up≤2.4kV），值班室內未對電源線路進行多級防過電壓保護。

接地電阻的測量，經實測，接閃器引下線接地電阻1.2Ω，風向桿本體接地電阻300Ω，外轉接線盒接地電阻1.4Ω，辦公樓接閃帶接地電阻2.4Ω，電涌保護器接地電阻2.0Ω，值班室內電源保護接地電阻2.0Ω。

2.2 成因分析

1）該自動站年預計雷擊次數

依照《建筑物防雷設計規范》（GB 50057—2010）建筑物年預計雷擊次數的計算方法[4]，按下式計算：

式中，k為校正系數，該站建筑物屬于曠野地帶的孤立建筑物，應取2；Ng為該站所處地區雷擊大地 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，取32；Ae為與建筑物截收相同雷擊次數的等效面積（km2），這里根據辦公樓長寬高計算：

則該自動站年預計雷擊次數為

由上述計算可知，該自動氣象站的年預計雷擊次數為0.6 次/年，這個數值已屬于較高的雷擊概率。根據《建筑物防雷設計規范》（GB 50057—2010）3.0.3章第十款“預計雷擊次數大于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建筑物，應劃分為第二類防雷建筑物”的要求，此自動氣象站應屬于第二類防雷建筑物。但此氣象站僅安裝有總配電保護，并未安裝分配電保護裝置。多級過電保護裝置不符合標準是造成本次雷擊災害的主要原因。

2）風向桿接閃針引下線電位

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

式中，UR為雷電流流過防雷裝置時接地裝置的電阻電壓降，kV；UL為雷電流流過防雷裝置時引下線的電感電壓降，kV；Ri為接地裝置的沖擊接地電阻，Ω；實測值1.2Ω；I為雷電流幅值，kA；di/dt為雷電流陡度（kA/μs），通過查詢當時閃電定位資料，雷電流幅值為35kA；L0為引下線的單位長度電感，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304.5kV 的瞬時過電壓，所產生的電磁感應在其相鄰導線上會產生很高的感應電壓，此電壓通過無任何保護措施的線路進入耐壓較低的電子設備，足以造成設備損壞。

通過以上分析，結合對現場勘察、地理環境因素、氣象資料記錄等情況，防雷措施不合理是造成本次雷擊災害的主要原因，表現在：金屬風向桿未安裝接地裝置，失去了對鋼管內部線路的屏蔽作用；風向桿接閃針引下線與信號線均敷設在風向桿內部，距離很近，雷電流通過接閃針及其引下線泄入大地時，由于閃電感應的作用，流經引下線的雷電流的迅速變化在其周圍會產生強大的瞬變電磁場，使得臨近的數據線上感應出很高的瞬態過電壓和過電流；數據線在電纜溝中沒有任何屏蔽措施，數據線兩端也沒有安裝過電壓保護裝置，因此該瞬態波即通過數據線路竄入下級線路，致使與此線路連接的后級設備損壞。

3 防雷設施整改建議

1）接閃針的引下線宜敷設在風向桿外部并接地，風向桿應安裝接地裝置。這樣由于鋼管的屏蔽作用，可使風向風速數據線得到一定的屏蔽保護，防止閃電感應對數據線的影響。

2）觀測場到值班室之間的數據電纜均應做穿鋼管或穿金屬線槽，并在兩端可靠接地。

3）在各個傳感器的線路兩端安裝型號匹配、性能可靠的信號用過電壓保護器。

4）完善配電線路的防閃電感應措施，嚴格按照第二類防雷建筑物的防雷要求安裝多級過電壓保護裝置，并注意電涌保護器在能量上的配合，做好值班室內的電氣設備的等電位連接。

4 結論

由此可見，位于空曠、野外的自動氣象站，年預計雷擊次數較高，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害的重要措施。首先應按照《建筑物防雷設計規范》要求確定建筑物防雷類別，再選擇恰當的防雷設計方案，做好觀測場及值班室內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器。

本次雷電災害是由于觀測場風向桿防雷措施不當而已引起的。在實際設備安裝中，很多自動氣象站觀測場出于成本節省的考慮，風向桿防雷措施都采用類似做法，此文可以對預防此類事件發生起到借鑒作用。

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

[2] 侯俊玲,李春華,李文忠,等.自動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.一次雷擊事故的調查分析與啟示[J].氣象研究與應用,2011,32(3): 108-110.

[4] 中華人民共和國住房與城鄉建設部.建筑物防雷設計規范（GB 50057—2010）[Z].2010-11-03.

[5] 中華人民共和國住房與城鄉建設部.建筑物電子信息系統防雷技術規范（GB 50343—2012）[Z].2012-12-28.