自動氣象站雷電環(huán)境及暫態(tài)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(jié)約了大量人力，但由于自動氣象站觀測需要建設(shè)在空曠的野外，在雷雨季節(jié)極易遭受雷擊，雷擊過電壓經(jīng)常導(dǎo)致觀測場內(nèi)儀器發(fā)生損壞。該研究選取霍山縣城關(guān)自動氣象觀測站作為研究對象，利用安徽省ADTD閃電定位數(shù)據(jù)，分析和統(tǒng)計了其周圍的雷電環(huán)境特征，再結(jié)合自動氣象站周圍的土壤特性，建立了其地網(wǎng)模型，對其暫態(tài)地電位進(jìn)行仿真。結(jié)果表明，無防護(hù)措施時，地面跨步電壓的極值為457.59V。研究結(jié)果可為后續(xù)自動氣象站的建設(shè)和雷電防護(hù)提供參考。

關(guān)鍵詞：自動氣象站;直擊雷;土壤模型;暫態(tài)地電位

中圖分類號 P415.1+2 文獻(xiàn)標(biāo)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(jì)60年代電子管的耐受能量為0.1～10J，而目前大規(guī)模集成電路的耐受能量僅為10-8～10-6J，相差有7個數(shù)量級。隨著區(qū)域預(yù)報準(zhǔn)確性的要求不斷提高，多要素自動氣象站的數(shù)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(xiàn)大幅下降。另一方面，由于氣象站的選址規(guī)定，需要建在空曠、無高大建（構(gòu)）筑物遮擋的地方，這也為直擊雷的發(fā)生提供了有利條件。目前國內(nèi)有些學(xué)者對此進(jìn)行了研究。林苗青等[1]分析了自動氣象站的組織構(gòu)成、雷電過電壓強度以及入侵途徑。徐丹等[2]對農(nóng)村區(qū)域自動氣象站的防雷措施進(jìn)行了探討及分析。鄭西等[3]對山區(qū)自動氣象站遭受雷擊特點進(jìn)行了探討分析。張東明等[4]針對自動氣象站防雷技術(shù)對農(nóng)業(yè)的影響進(jìn)行了探討和分析。但以上學(xué)者主要從理論分析或從雷擊現(xiàn)場反演雷電襲擊的途徑，為考慮自動氣象站周圍的閃電環(huán)境的影響，筆者提出以自動氣象站周圍的雷電環(huán)境為背景，結(jié)合對現(xiàn)場土壤環(huán)境的勘測，建立相關(guān)地網(wǎng)模型，仿真得出雷擊暫態(tài)過電壓分布情況，為后續(xù)自動氣象站的建設(shè)和雷電防護(hù)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(guān)，近些年在雷雨季節(jié)經(jīng)常遭受雷擊，對氣象數(shù)據(jù)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(jiān)測資料，統(tǒng)計分析自動氣象站周圍的地閃密度、閃電監(jiān)測、雷電流特征及雷電主次導(dǎo)方向閃電參數(shù)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(shù)，數(shù)值為6.13次/km2.a，對比周圍數(shù)值，可知自動氣象站區(qū)域內(nèi)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(biāo)的物所在地半徑5km范圍內(nèi)以負(fù)地閃為主，正地閃為輔。數(shù)據(jù)顯示，在半徑5km范圍內(nèi)，平均年總閃電次數(shù)為5581次，標(biāo)的物附近負(fù)閃電集中，平均年負(fù)地閃次數(shù)達(dá)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(jié)果一致，正地閃出現(xiàn)的頻次很少。

由圖3可知，該區(qū)域雷電流幅值分布呈現(xiàn)“中間大，兩頭小”的趨勢，小雷電流幅值區(qū)間為10.1～15.8kA（所占比例5.87%），大雷電流幅值區(qū)間為大于100kA（所占比例11.57%），位于中間部分的雷電流幅值區(qū)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(qū)間為15.8～100kA中段雷電流，這對后續(xù)安裝浪涌有一定的指導(dǎo)性作用[4-6]。由圖4可知，通過閃電定位儀數(shù)據(jù)統(tǒng)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(shè)置接閃桿時應(yīng)兼顧覆蓋保護(hù)范圍和方位的選擇，雷暴過境時應(yīng)提高警惕，減小或避免生命和財產(chǎn)損失。

通過上述分析可知，氣象觀測站所在區(qū)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(shù)值最大，因此可以從直擊雷和感應(yīng)2個方面進(jìn)行雷電防護(hù)。直擊雷可采用獨立接閃桿和設(shè)置均壓環(huán)的方法，確保該觀測站能夠在接閃桿保護(hù)范圍以內(nèi);均壓環(huán)的設(shè)置可以使雷電流及時泄入大地，同時避免反擊的發(fā)生。另一方面，由于現(xiàn)代智能化氣象儀器朝著微型化、精準(zhǔn)化的方向發(fā)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(hù)的臨界值。

2 暫態(tài)地電位仿真

隨著目前雷電理論的不斷完善和成熟，閃電產(chǎn)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(dāng)?shù)氐臍夂虻纫蛩亍８鶕?jù)現(xiàn)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(jìn)行測量，分別取間1～5m進(jìn)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(guān)系，形成土壤電阻率的3層結(jié)構(gòu)，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(shè)計情況，選取環(huán)形結(jié)構(gòu)地網(wǎng)作為為地網(wǎng)模型[10]。外環(huán)為15m的環(huán)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(tǒng)計，對地網(wǎng)模型進(jìn)行1～40編號。結(jié)合上述閃電參數(shù)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(zhuǎn)化為頻域（圖7），結(jié)合上述參數(shù)利用CDEGS軟件對自動氣象站的二維、三維跨步電壓進(jìn)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(nèi)部中心處最先跨步電壓為47.85V，而外圍無防護(hù)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(guī)律。因此自動氣象站的前期施工既需要根據(jù)圖紙設(shè)計要求，也要根據(jù)現(xiàn)場的雷電環(huán)境，因地制宜選擇防雷施工方案[13-15]。

3 小結(jié)

通過對自動氣象站周圍雷電環(huán)境分析以及地網(wǎng)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(fēng)險區(qū);附近主要以負(fù)地閃為主，正地閃數(shù)量極少;有來自各個方向的雷電發(fā)生，但是西南和東北方向偏多;建立環(huán)形結(jié)構(gòu)作為該自動氣象站的地網(wǎng)模型，仿真得出外圍無防護(hù)措施時跨步電壓在極值457.59V，后續(xù)施工時應(yīng)增加相應(yīng)的防跨步電壓措施。

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（責(zé)編：徐世紅）