政和觀測場兩次雷擊事故分析與改造

沈文輝 饒金平 楊信斌

摘要 分析福建省政和縣2019年與2020年地面觀測場兩次雷擊事故，尋找雷擊入侵觀測場的主要途徑和雷擊造成觀測場設備損壞的主要原因，通過完善供電系統三級SPD防護、信號屏蔽、入戶電源線落地改造、觀測場等電位連接、觀測場接地改造等措施，加強和改善觀測場的雷電防護系統建設，有效避免雷擊對氣象觀測業務產生的不利影響。

關鍵詞 觀測場;分析;雷擊事故;改造

中圖分類號：P441 文獻標識碼：B 文章編號：2095–3305（2021）07–0115–02

隨著氣象科技的不斷發展，為滿足“監測精密、預報準確、服務精細”的新時代氣象要求，越來越多的氣象智能儀器被安裝在地面氣象觀測站作為氣象數據收集的基礎核心，氣象智能儀器的正常運轉可有效保障氣象數據[1]。每年強對流天氣帶來的強雷擊導致觀測場的設備出現大量故障，極大地影響了氣象數據的準確性和及時性[2]。分析福建省政和縣兩次雷擊事故的原因和改進措施，為基層氣象觀測場防雷提供一定的參考和借鑒。

1 政和氣象觀測場的基本情況

政和國家氣象觀測站位于27°22' 36" N、118°49' 29" E，海拔262.4 m。臺

站四面環山，年平均雷暴日數達69 d，每年3—9月是雷暴高發期。該站于2014年1月1日投入使用，目前擁有2套DZZ5型自動站運行（主站為A站，備份站為B站）。隨著時間的推移，受當時防雷設計局限性和部分防雷設施開始老化等因素的影響，觀測場的整體防雷性能有所下降。同時，近幾年大量新的儀器布設在觀測場，在安裝過程中缺乏專業人員的指導，設備防雷措施存在隱患，且這些智能儀器的靈敏性極高，對外界電磁干擾非常敏感，故設備出現故障的概率也越來越高。

2 雷擊觀測場的主要方式

2.1 直擊雷

閃電直接擊中觀測場的避雷塔、值班室的接閃器和周邊的架空電纜，然后雷電波沿著接閃器或架空電纜進入觀測場，直擊雷在觀測場附近進入地網時，如果地網的接地電阻不符合防雷要求（一般≤4 Ω），就會導致出現地電位反擊的現象。同時發生直擊雷現象時，如果觀測場的電源SPD防護等級安裝不到位，雷電波就會沿著電纜線進入觀測場影響設備運行。

2.2 感應雷

觀測場周邊有雷擊時會產生雷電靜電感應或電磁感應，通過供電系統或信號線入侵觀測場，此時如果觀測場設備接地不符合要求，或金屬設備未做等電位連接，或信號線纜沒有屏蔽接地措施，感應雷會對觀測場的設備產生不良影響。相比直擊雷產生事故概率，感應雷造成自動站設備出現損壞的情況要比直擊雷多。

3 兩次雷擊事故分析與改造

3.1 第一次雷擊事故分析與改造

3.1.1 事故原因分析 受冷暖氣流共同影響，2019年6月21日政和縣遭受一次強對流天氣，21：12政和國家氣象觀測站雙套自動站遭受強雷擊，導致雙套站21日21：12～22日03：05的數據全部缺失，主站采集器主板和前向散射能見度儀以及備站的電池被雷擊毀，影響了氣象數據傳輸的及時性和可利用性。

事后調查人員經過現場勘查發現，雷擊是直接擊中觀測場的值班室周邊5 m左右的電線桿上，雷電波通過電源線直接進入到觀測場的總配電箱（采用TN-S接線），里面的二級SPD直接被雷電波融化燒毀，進而侵入觀測場機房直接將控制UPS的空開擊穿，最后侵入觀測場將儀器設備擊毀。此次雷擊事故反映了政和觀測場防雷的設計不符合規范要求：

（1）根據《建筑物防雷設計規范》GB 50057—2010中第4.2.3規定：架空線與建筑物的距離不應小于15 m，并且架空電線入戶處應使用一段金屬鎧裝電纜或護套電纜穿鋼管直接埋地引入。

（2）總配電箱的SPD等級不符合要求，在低壓電源線路引入的總配電箱或者配電柜應裝設I級試驗的電涌保護器，這導致了機房雖安裝了合格的SPD，但強雷電波還是將控制UPS的空開擊穿。

（3）總配電箱中SPD接入接地排的接地線都是采用截面積2.5 mm2的銅芯纜線，這不符合規范要求（最小不應小于截面積6 mm2）。這些的防雷隱患最終導致本次雷擊事故的發生，嚴重影響了臺站觀測數據考核情況。

3.1.2 改造思路 早期設計的不規范導致了本次直擊雷事故的發生。改造思路：

（1）安排電力公司的員工將靠近觀測場5 m處的電線桿移走，通過公式l》2√ρ（l：表示埋地長度，ρ：表示埋線纜處的土壤電阻率），測量出p值≈100 Ωm，得出埋地長度≥20 m，考慮到更加安全的距離，將埋地距離確定為25 m。

（2）為消除電磁感應，埋地線纜進行穿鋼管處理，鋼管兩端與觀測場的接地網連接，焊接地方采用涂漆處理，將訂購的I級試驗的電涌保護器安裝在觀測場總配電箱處，SPD最大放電電流為120 KA（8/20），觀測場值班室安裝II級試驗的電涌保護器，SPD標稱電流為40 KA，最大放電電流為80 KA（8/20）。

（3）在機房安裝第三級電涌保護器，SPD標稱電流為20 KA，最大放電電流為40 KA（8/20），配電箱中連接SPD的接地線全部采用截面積16 mm2的銅芯纜線。

3.2 第二次雷擊事故分析與改造

3.2.1 事故原因分析 2020年6月3日17：10，政和觀測場遭受雷擊影響，政和B站數據全部缺測，值班人員認真排查故障，發現B站的串口服務器運行燈不亮，并通過多次重啟無效，判斷串口服務器已損壞。此次雷擊導致B站數據缺測了將近6 h，政和主站（A站）未受到此次雷擊的影響，但是B站正常運行傳輸是汛期自動站運行保障并不可少的環節之一。

事后通過現場勘查發現，此次雷擊是擊中離觀測場1 km左右的政和七星塔周邊，其強大的電磁感應對觀測場的設備產生了影響。政和B站于2019年建設完成，安裝B站時缺乏廠家的現場指導，很多設備的金屬外殼未進行等電位連接，電磁感應使金屬設備外殼帶電，導致敏感元器件被擊穿，這是B站的串口服務器被損壞的重要原因。另外，部分氣象觀測設備雖然進行了防雷保護接地，但是防雷保護線過長（規范要求在0.5 m左右），最后調查人員打開觀測場地槽時，發現接地裝置采用的是40 mm×4 mm扁鐵，部分扁鐵已經生銹，特別是焊接處已經出現脫落的情況，這些防雷安全隱患極大影響了整個觀測場的接地效果，最終導致此次事故的發生[3]。

3.2.2 改造思路 2020年9月底，政和縣氣象局組織人員替換了觀測場地槽的接地裝置，采用40 mm×4 mm扁銅環繞整個觀測場地槽，因銅的導電性能比鐵的導電好且不容易生銹，故選擇扁銅作為接地材料。為了保證觀測場儀器設備接地良好，工作人員在每一個焊接處都進行噴漆防銹處理。接著工作人員對觀測場的設備進行等電位連接，主要針對未連接好的新設備和之前設備等電位，特別是前向散射能見度儀、日照傳感器和降水現象儀等智能儀器，等電位連接線的長度嚴格控制在0.5 m以內，連接材料都采用16 mm2銅芯纜線。10月底改造完成后，臺站安排防雷檢測公司人員對觀測場的防雷接地和儀器設備進行檢測，檢測結果顯示政和觀測場防雷接地和等電位連接符合防雷規范要求[4]。

4 結束語

做好觀測場設備的雷電防護是保障氣象觀測數據穩定運行的關鍵。每年汛期前，每個臺站應抽調人手組成防雷安全檢查小組，加強對觀測設備的巡查，及時發現存在的防雷隱患并加以整改，同時加強單位業務人員對防雷相關知識的學習和設備安裝過程中涉及防雷裝置的培訓，降低氣象觀測設備遭受雷電災害造成的損失。

由于雷電的不確定性，臺站日常工作應加強應急流程的建設，熟練掌握2套自動站與備份計算機的切換，確保氣象自動站被雷擊時能最快恢復運行，最大限度地減少氣象觀測數據缺失情況的發生。同時，臺站要加強每日數據備份管理，雖然自動站的CF卡能存儲1個月左右的數據，但為防止雷擊損壞自動站而造成的數據丟失，業務人員要把日常數據備份作為必要開展的工作，盡可能消除影響觀測數據不利的情況。

參考文獻

[1] 李進，阮志文.地面氣象觀測站場室防雷改造[J].氣象水文海洋儀器，2013（3）： 70-74.

[2] 陳陽，章文鑫.新型自動氣象站雷電災害的原因分析及雷電防護[J].電子測試，2019（16）：79-80.

[3] 王曉紅，陳蓉，李蕾，等.新型自動站的一次雷擊故障判別與應用體會[J].南方農業，2016，10（21）：215.

[4] 黃仁立，韋華紅.新型自動氣象站雷電防護技術探討[J].氣象研究與應用， 2016（2）：106-109.

責任編輯：黃艷飛

Analysis and Reconstruction of Two Lightning Accidents in Zhenghe Observation Field

SHEN Wen-hui et al（Zhenghe County Meteorological Bureau of Fujian Province， Zhenghe， Fujian 353600）

Abstract The analysis of two lightning accidents in Zhenghe ground observation field in 2019 and 2020， the main ways of lightning invasion and the main causes of equipment damage in the observation field are found out. By improving the three-level SPD protection of power supply system， signal shielding and the landing transformation of household power line， equipotential connection and grounding transformation of the observation field， etc， The lightning protection system of the observation field is strengthened and improved to effectively avoid the adverse impact of lightning on meteorological observation business.

Key words Observation field; Analysis; Lightning accidents; Reconstruction