探討氣象觀測設備雷電災害防御關鍵技術的應用

摘要 近年來氣象服務越來越受到社會的重視，氣象觀測設備的使用規模逐年增加，如何有效避免雷電災害，對氣象觀測設備的影響、保證氣象觀測站正常工作，是氣象部門面臨的重要課題之一。本文在分析雷電災害主要表現形式的基礎上，針對現階段氣象觀測設備雷擊損壞的主要類型和原因，探討了提升防雷電災害的關鍵技術。

關鍵詞 氣象觀測設備;雷電災害;防御技術

中圖分類號：P429 文獻標識碼：B 文章編號：2095–3305（2020）06–0–02

DOI：10.19383/j.cnki.nyzhyj.2020.06.033

隨著氣象觀測技術快速發展，社會各界對于高精度氣象預報的需求與日俱增，在此背景下，氣象觀測設備迎來了黃金發展時期，觀測設備精密度逐步提升，同時，氣象觀測設備的覆蓋范圍也越來越廣。與之相對應的，如何在雷擊干擾下保證氣象觀測設備的正常運行，是現階段氣象觀測設備研究與應用領域的一大熱點問題[1]。近幾年來，氣象觀測設備的防雷問題引起了學界的廣泛關注，在重點分析南平市氣象觀測設備雷擊災害的基礎上，深入探討了氣象觀測設備雷擊的具體原因，并針對性地提出了氣象觀測設備防雷關鍵技術。

1 氣象觀測設備雷電災害分析

1.1 氣象觀測設備雷擊狀況分析

研究統計了南平市近3年因雷擊造成的氣象觀測設備損壞事件，統計結果發現，雷擊對氣象觀測設備的主要影響體現在采集器，傳感器，變壓器等設備上。具體來看：首先，因雷擊導致的采集器、傳感器、雷達、定位儀等設備損壞，占到雷擊損壞設備總數的30%以上，是導致氣象觀測設備損壞的主要類型之一;其次，因雷擊造成的串口服務器、接口設備等損壞，占到總設備損壞的22%;再次，溫度、濕度采集器和傳感器的損壞占到總體損壞設備設施的12%;最后，因雷擊造成的雷達定位儀，防雷板等設備損壞，占到總損壞設備的15%。上述幾類是主要的氣象觀測設備雷擊統計分析。

1.2 雷電災害及形式

1.2.1 直擊雷危害 在雷電危害中，直擊雷的危害最為常見，危害方式非常簡單，就是雷電直接擊中氣象觀測設備，導致設備被強電流損壞。由于設備被擊毀，氣象觀測無法正常進行，帶來了嚴重的經濟損失。

1.2.2 間接雷危害 間接雷危害就是雷電二次作用，即氣象觀測設備在正常運作下會產生大量的靜電，由于雷電的產生，導致設備和雷電之間發生靜電感應，形成巨大的電流。設備運行過程中無法承受如此大的電流，會直導致設備損毀。

1.2.3 線路連接危害 部分精密的氣象觀測設備通常安置在室內，以避免外界環境的干擾，但是這些設備會通過線路與外界的高架塔相連[2]。一旦發生嚴重的雷擊，雷電擊中線纜或金屬管道，會直接進入室內，對氣象觀測設備內部組件產生影響。

2 氣象觀測設備雷擊原因分析

2.1 采集設備防雷設計不合理

以CAWS600采集器和DZZ5新型站為例分析該種設備在雷擊情況下遭受的損害，設計不合理，主要表現在以下幾個方面。

（1）設備廠家通常為采集器的電源部分提供了雙重保護，以避免外界強電流侵入到采集器內部。第1段設置在輸入端，通常以電容保護器和電流保護器為主;第2段主要使用rf過濾器和中繼器。信號在通過多道防護后進入采集器，但是由于使用氣體放電管作為信號通道采集器的前置設備，作為線路輸入端的一級浪涌保護，需承擔較大的浪涌電流，在此條件下，建議增加壓敏電阻作為二級保護以提升響應速度。

（2）部分廠家生產的采集器在防雷元器件上缺少明顯的狀態標志，導致這部分設備因雷擊損壞，無法及時進行更換和維修（圖1）。

（3）防雷板接地端設計不科學。部分設備的防雷板接地端無明顯的標識，導致安裝人員錯誤地將地線連接到固定螺栓上，導致該部分缺少安全的接地保護，一旦遭受雷擊極易造成損壞。

2.2 設備廠家安裝指導不充分

通常氣象觀測設備安裝人員多為氣象部門大探中心或保障中心人員，對設備的防雷安全工作原理和安裝注意事項不夠了解，因缺乏廠家的現場指導，在防雷裝置安裝上較為混亂，表現為：防雷保護接地材料粗細不一，安裝方法各異;氣象探測設備溫濕模塊、采集器等裝置的接地保護方式不同;氣象觀測設備線纜處的屏蔽措施不同。

2.3 防雷措施不到位，不規范

更嚴重的是發現部分地區的氣象觀測站，對于防雷工作的重視程度不足，在設備安裝之前并未進行深入調研，充分論證防雷安全設計的可靠性，存在防雷措施不到位、不規范的情況。與此同時，另一部分工作人員在改造和新增氣象觀測設備時，沒有充分重視設備的防雷安全，存在安全隱患，具體表現在以下幾個方面。

2.3.1 防直擊雷裝置安裝不科學 部分地區的氣象觀測站在構筑直擊雷防雷裝置時，存在不規范、不科學的情況，缺失屋面防雷裝置迫使防雷擊裝置位置不科學。典型的案例包括雷達站兩側對稱安裝接閃桿保護，但是接閃桿與雷達天線相距過近，造成氣象觀測設備頻繁遭受雷擊，無法起到可靠的保護作用。

2.3.2 線路直接引入值班室中 在實地調查中發現部分地區的氣象觀測值班室路線存在問題，表現在信號線，電視饋線和電源線等布置雜亂，部分線纜直接引入值班室中，一旦發生雷擊災害，容易將強電流引入值班室，破壞室內的氣象觀測設備。

2.3.3 風塔處信號線和電源線缺少有效屏蔽 在地面氣象觀測站的建設中，部分場站沒有采取金屬屏蔽措施，對電源線和信號線進行保護，而是直接將電源線和信號線連接在金屬鋼架上，即使信號線自身有一定的電纜屏蔽層，也無法將強電磁干擾的信號完全屏蔽，會在信號線內產生遠高于采集元器件所能承受的電有電壓，引發感應雷電流，對氣象觀測設備造成損壞。

2.3.4 氣象觀測設備的防雷保護線過長 部分地區的氣象觀測站內配置的防雷保護線過長，規范要求應在半米左右。與此同時，防雷保護線選用的線徑偏細，接地電阻偏大，一旦發生雷擊災害，不能有效地保護氣象觀測設備，導致設備損壞。

3 氣象觀測設備防雷關鍵技術分析

結合以上分析的氣象觀測設備主要雷電災害類型，并依托于多年的防雷整改工作檢測效果，認為提升氣象觀測設備的防雷技術，應從以下幾個方面入手，做好防雷設計工作，嚴格要求設備安裝工藝流程。依據所在區域的電磁場環境，針對特定的雷電活動頻率和強度，預先計算過電壓過電流的抗干擾度，協調外部防雷和內部防雷兩大措施，經濟條件允許的情況下，保證防雷效果[3]。

3.1 提升直擊雷的防護措施

直擊雷是造成氣象觀測設備雷擊損害的主要原因，氣象觀測站在設計和建設過程中，應嚴格要求建筑物防雷設計規范要求的二類防雷建筑要求，對于所在環境雷電條件惡劣、頻繁發生雷擊損壞的氣象觀測站，建議參照更高的防雷標準要求進行設計。與此同時，注意區別防閃電感應接地裝置和防直擊雷感應裝置，進一步降低雷擊對氣象觀測設備的損害。在氣象觀測設備的外部布線中，要求接地阻值應不大于4 Ω，同時鋪設網格型接地線路，避免跨步電壓對工作人員的傷害。

例如：對于一個邊長25 m的正方形場所，最高的觀測塔位于東北角，高約11 m，其直擊雷防護可借助于風塔上的接閃桿完成，使用絕緣材料將接閃桿安裝在風塔上，則可保證氣象觀測站內的所有設備處于有效保護內。與此同時，應采用截面積大于50 mm2的銅芯屏蔽電纜敷設入地。

3.2 注重氣象觀測設備的等電位連接

在等電位連接中嚴格按照建筑物電子信息系統防雷標準和建筑物防雷標準中對于雷擊防護的規范要求，所有的氣象觀測設備與等電位網絡連接。通常情況下，氣象觀測站內的設備可采用S型連接，對于高頻氣象觀測設備和采用M型連接，等電位連接線的長度應控制在0.5 m以內，截面積應大于6 mm2，建議使用銅芯纜線。

3.3 提升線纜屏蔽與接地質量

對于需要引入氣象觀測設備和值班室的電源線及信號線等，應使用金屬管屏蔽引入，屏蔽管之間使用金屬線跨接方式，并在兩端分別采取接地措施，避免閃電電涌對氣象觀測設備的損傷。

3.4 注重接地保護

氣象觀測站內的觀測設備應采取可靠的接地措施，尤其是對于集成度較高的防雷板，數據采集器和數據分析器等，規范接地保護作業顯得尤為重要。結合多年的氣象觀測設備防雷經驗，建議在防雷板的中心位置使用橫截面積大于2.5 mm2的銅芯纜線進行接地，建議使用橫截面積大于2.5 mm2的銅芯纜線連接數據采集器的G接口。與此同時，為有效避免地網放雷電流對附近接地保護器的影響，應保持防雷引線與觀測場其他需保護的設備之間3 m以上距離。

3.5 規范供電配電系統防雷措施

氣象觀測站內的供電及配電系統是雷電災害的高發區，對于在室外安裝變壓器的探測場站做好變壓器的保護和接地工作，是避免雷電災害的重要途徑。按照共建配件系統防雷保護措施要求，其接地電阻值應控制在4 Ω以內，同時避免與接閃裝置靠近。

有條件地區應安裝多級電涌保護器，做好不同梯度之間的能量配合，室外的配電線路應全部采用電纜直埋式，并在電纜入戶處使用金屬外皮連接等電位接地裝置;對于需要架空引入的電源線，應在入戶處連接一段護套電纜直埋引入裝置。

通常情況下，氣象觀測設備要求配置較高質量的供電設備，如使用時直接進行供電，則應檢查供電質量和穩定性，對于市電電壓起伏較大的情況，建議安裝相應的穩壓裝置;如發現所在地的零地電壓偏高，建議在總配電箱處設置兩處接地處理。

4 結語

氣象觀測站點應充分重視雷電災害的預防，通過前期的充分調研，分析所在地主要的雷電災害類型，同時加強人員的培訓和相關裝置設備的安裝質量監察工作，盡可能地降低氣象觀測設備遭受雷電災害造成損失，從源頭上減少或者消除雷電災害影響。與此同時，應結合雷擊災害案例和相應的整治措施不斷總結經驗，切實提升氣象觀測設備的防雷擊能力，保證相關設備正常工作。

參考文獻

[1] 周偉.淺談氣象觀測站防雷技術的應用[J].農家科技旬刊，2014（2）：263.

[2] 殷國華，王路亞.監控系統雷電災害防御技術應用研究[J].農村經濟與科技，2018，29（14）：25.

[3] 苗菊萍，周爽.氣象觀測設備雷電災害防御關鍵技術的應用價值研究[J].科技創新導報，2018，15（18）：157–158.

責任編輯：黃艷飛

This Paper Discusses the Application of Key Technologies for Lightning Disaster Prevention of Meteorological Observation Equipment

WU Sheng-can （Nanping Meteorological Bureau， Nanping， Fujian 353000）

Abstract In recent years，the meteorological service has been paid more and more attention by the society， at the same time，the scale of meteorological observation equipment is increasing year by year.How to effectively avoid the lightning disaster，influence the meteorological observation equipment and ensure the normal operation of meteorological observation station is one of the important issues that the meteorological department is facing.Based on the analysis of the main forms of lightning hazards，this paper discusses the key techniques to improve the lightning hazard prevention in view of the main types and causes of lightning damage of meteorological observation equipment.

Key words Meteorological observation equipment; Lightning disaster; Defense technology

作者簡介 吳生燦（1972–），男，福建政和人，高級工程師，本科，主要從事應用氣象工作。

收稿日期 2020–06–1