臨邑縣自動(dòng)觀測(cè)站雷擊原因分析

竇俊杰

摘要 通過(guò)2015年8月14日臨邑自動(dòng)氣象站雷擊實(shí)例，分析雷擊原因，并比照防雷設(shè)計(jì)規(guī)范和運(yùn)用電磁兼容的原理提出改進(jìn)措施。建議進(jìn)行定期的防雷設(shè)施檢測(cè)。

關(guān)鍵詞 自動(dòng)氣象站；雷電；改進(jìn)措施

中圖分類號(hào)：P415.12；P429 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-3305（2018）03-034-02

DOI： 10.19383/j.cnki.nyzhyj.2018.03.014

Abstract In this paper， the reason for a lightning stroke accident of Linyi automatic weather station on August 14， 2015 was analyzed. The protective measures were proposed according to the design code for lightning protection and the principle of electromagnetic compatibility. It was suggest that regular detection of lightning protection facilities should be made.

Key words Automatic weather sta tion； Thunder and lightning； Protective measures

自動(dòng)氣象站是大氣探測(cè)系統(tǒng)的重要組成部分，更是開(kāi)展精細(xì)化預(yù)報(bào)所不可缺少的氣象要素源。實(shí)施自動(dòng)觀測(cè)的自動(dòng)氣象站由于網(wǎng)格距的需要而分布在不同的地理位置和氣候環(huán)境中，在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中很容易遭受雷電的侵襲。目前運(yùn)行自動(dòng)氣象站雷擊個(gè)例并不鮮見(jiàn)。2015年8月3日05：50左右，臨邑縣氣象局觀測(cè)站突遭強(qiáng)雷暴襲擊，造成自動(dòng)站計(jì)算機(jī)網(wǎng)卡、計(jì)算機(jī)調(diào)制解調(diào)器、采集器、地溫?cái)?shù)據(jù)采集器損壞。筆者以此次雷擊為例，分析雷擊原因，并比照防雷設(shè)計(jì)規(guī)范和運(yùn)用電磁兼容的原理提出改進(jìn)措施。

1 自動(dòng)站雷擊原因分析

根據(jù)臨邑縣氣象局氣象數(shù)據(jù)證實(shí)2015年8月3日05：00—06：00，臨邑縣確實(shí)出現(xiàn)雷雨天氣，通過(guò)山東省閃電定位資料顯示2015年8月3日05：00—06：00，在GPS測(cè)得的坐標(biāo)為經(jīng)度116.812 4°，緯度37.200 32°，與這一坐標(biāo)最為接近的一組雷電數(shù)據(jù)，雷電流強(qiáng)度達(dá)到29.29 kA。

業(yè)務(wù)值班室高頻電話信號(hào)線采用的是架空入室和3級(jí)防雷， 經(jīng)UPS輸電到設(shè)備。高頻電話信號(hào)塔位于業(yè)務(wù)值班室北側(cè)，距離15 m左右，值班室設(shè)置接地排，材質(zhì)為L(zhǎng)50 mm×5 mm鍍鋅角鋼，接地引下線接至觀測(cè)場(chǎng)埋設(shè)的地網(wǎng)。入室的所有數(shù)據(jù)線、電源線和相接的各類地線交錯(cuò)在一起，走向基本一致。

高頻電話信號(hào)線架空入室，使得信號(hào)線產(chǎn)生靜電感應(yīng)效應(yīng)。在架空高頻電話信號(hào)線路上，會(huì)因?yàn)槠渖峡盏膸щ娫茖拥拇嬖诋a(chǎn)生靜電感應(yīng)，感應(yīng)出與云層相反的電荷，當(dāng)帶電云層與地面發(fā)生閃擊，電場(chǎng)減弱，對(duì)于架空線纜上感應(yīng)電荷的束縛減小，感應(yīng)電荷就會(huì)沿線路兩側(cè)傳播，形成過(guò)電壓。當(dāng)它沿線路進(jìn)入建筑物內(nèi)時(shí)，會(huì)對(duì)建筑物內(nèi)的信息系統(tǒng)和電氣設(shè)備造成損壞，例如，自動(dòng)氣象站計(jì)算機(jī)網(wǎng)卡。當(dāng)它沿線路進(jìn)入觀測(cè)場(chǎng)，會(huì)導(dǎo)致觀測(cè)設(shè)備受到損壞，例如低溫?cái)?shù)據(jù)采集器。自動(dòng)站氣象觀測(cè)系統(tǒng)就會(huì)出現(xiàn)故障，致使觀測(cè)資料無(wú)法及時(shí)傳輸，產(chǎn)生重大損失。

若是自動(dòng)氣象站周邊的高層建筑物或突出物受到雷擊，或者自動(dòng)氣象站的接閃裝置接閃時(shí)，雷電流在向地下泄放過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生電磁感應(yīng)，瞬態(tài)的雷電感應(yīng)電磁場(chǎng)在數(shù)據(jù)傳輸線產(chǎn)生了較強(qiáng)感應(yīng)雷電過(guò)電壓，雷電波在侵入采集器的同時(shí)又感應(yīng)了設(shè)備端口段的輸電線路，不同強(qiáng)度的雷電過(guò)電壓從信號(hào)線、電源線侵入到設(shè)備內(nèi)。由現(xiàn)場(chǎng)勘查得知，避雷針的引下線和避雷針系統(tǒng)的接地極連接線與數(shù)據(jù)傳輸線方向布置一致。當(dāng)雷擊時(shí)，接地線上流過(guò)的瞬態(tài)電流i所產(chǎn)生的磁通必然引起相鄰電路的磁感應(yīng)耦合，假設(shè)兩相鄰電路間的互感為M，那么可以導(dǎo)出感應(yīng)電壓式：Un=M×di/dt。設(shè)雷電流波形10/350 μs沒(méi)有衰減，當(dāng)避雷針接閃將強(qiáng)雷電流泄入地下時(shí)，若雷電流幅值200 kA，di/dt可達(dá)20 kA/μs，對(duì)于接地線與線纜近距的情況，近似線纜間無(wú)磁漏，由M=K（L1×L2）1/2（K為耦合系數(shù)，L1、L2為線纜自感系數(shù)），取K=1，雷電瞬間，接地線或線纜單位長(zhǎng)度電感L1近似為1.5 μH/m、L2為12.88 μH/m[L2=0.02 ln（6.28·H/W），H為數(shù)據(jù)線距地線的距離，取H=0.5 m，W為數(shù)據(jù)線寬度，W=0.005 m]，大致可以計(jì)算單根數(shù)據(jù)線的Un約為88 kV。因此，當(dāng)感性耦合所產(chǎn)生的感應(yīng)過(guò)電壓大于防雷板的耐壓水平，就會(huì)造成采集核心模塊的損壞。根據(jù)解放軍理工大學(xué)周璧華教授和楊春山博士在“地閃回?fù)艚鼒?chǎng)計(jì)算與雷電電磁脈沖環(huán)境預(yù)測(cè)”一文中指出，地面水平敷設(shè)的電線、電纜在雷電通道有很強(qiáng)的耦合，距雷電通道100 m范圍內(nèi)，長(zhǎng)度10 m的導(dǎo)體，可在其表面形成峰值達(dá)100 A的電流，其終端可產(chǎn)生20 kV的峰值電壓。事實(shí)上，強(qiáng)雷電流泄放入地過(guò)程中不可能只經(jīng)過(guò)一根接地極，而是經(jīng)過(guò)連接線分散入地，雷電流在地下將分布得很寬和很遠(yuǎn)，這勢(shì)必在不同的瞬態(tài)時(shí)間段對(duì)地溫傳感器造成電感性感應(yīng)。

而且臨邑縣自動(dòng)氣象臺(tái)站在進(jìn)行地線設(shè)計(jì)時(shí)將其簡(jiǎn)單化，只強(qiáng)調(diào)接地卻不管地線的走向，在室內(nèi)把地線、電源線、數(shù)據(jù)傳輸線混在一起。而雷電流是一種高頻瞬態(tài)電流，如果地線不能為雷電流泄放提供一條低阻抗路徑，那么容性（電容性感應(yīng)）串?dāng)_和感性（電感性感應(yīng)）串?dāng)_作用的存在，使地線的副作用增大?，F(xiàn)在的情況是，地線的走向有時(shí)幾乎與信號(hào)的傳輸方向一致，而且地線過(guò)長(zhǎng)，室內(nèi)的地線無(wú)論是安全保護(hù)地或是防雷接地，當(dāng)浪涌電流通過(guò)時(shí)，對(duì)地線近旁的信號(hào)、電源線纜都會(huì)產(chǎn)生電磁感應(yīng)。

很多情況下，未必是信號(hào)線纜傳輸雷電信號(hào)，恰恰是電源線纜傳載了雷電波，當(dāng)雷電波較弱時(shí)不足以對(duì)一般電器設(shè)備造成危害，卻通過(guò)感應(yīng)對(duì)敏感的電子設(shè)備形成破壞；因?yàn)橄馯PS、穩(wěn)壓器之類的用電設(shè)備耐壓是2.5 kV，而電子信息設(shè)備的耐壓僅為0.5 kV或更低。整個(gè)線纜入室也沒(méi)有按規(guī)范的等電位連接，在避雷針接閃時(shí)，完全有可能承載雷電過(guò)電壓并傳載到值班室，甚至在值班室內(nèi)的線纜間產(chǎn)生電磁感應(yīng)的串?dāng)_鏈。于是從電源線感應(yīng)過(guò)來(lái)的雷電波將自動(dòng)站計(jì)算機(jī)網(wǎng)卡燒壞。

2 自動(dòng)氣象站防雷改進(jìn)措施

2.1 合理布線

觀測(cè)場(chǎng)至建筑物的信號(hào)線和電源線均穿金屬線槽（管）埋地敷設(shè)，屏敲體一端應(yīng)與觀測(cè)場(chǎng)內(nèi)金屬線槽（管）電氣連通，另一端應(yīng)在建筑物入戶處做等電位連接。室外觀測(cè)儀器設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸線均應(yīng)使用屏蔽電纜并穿金屬線槽（管）敷設(shè)，金屬線槽（管）應(yīng)與接地干線多點(diǎn)連接，宜每隔5～10 m連接1次。

接地極盡可能地安裝在觀測(cè)地區(qū)以外，讓信號(hào)線等能夠和接地連接線中保持安全的距離。當(dāng)距離不夠長(zhǎng)的時(shí)候，可以想辦法讓線纜和接地線的交角增大，最好是一個(gè)直角形。

建筑物內(nèi)線路的布設(shè)宜避免形成環(huán)路，電源線路和信號(hào)線路宜分槽布設(shè)，數(shù)據(jù)傳輸線與其他管線的間距宜符合表1、表2的要求。

2.2 等電位連接

利用建筑物內(nèi)部或其上的金屬部件多重互連，組成網(wǎng)格狀低阻抗等電位連接網(wǎng)絡(luò)，并與接地裝置構(gòu)成一個(gè)接地系統(tǒng)。進(jìn)出建筑物的導(dǎo)電物體均應(yīng)LPZ0和LPZ1區(qū)交界處或建筑物入戶處做等電位連接，并可靠接地。在LPZ1和LPZ2區(qū)交界處及后續(xù)雷電防護(hù)區(qū)的交界處也應(yīng)進(jìn)行等電位連接。進(jìn)出機(jī)柜的線纜屏敲層及光纜的金屬加強(qiáng)芯、金屬擋潮層應(yīng)在機(jī)柜外側(cè)處做等電位連接。電子系統(tǒng)的所有外露導(dǎo)電物應(yīng)與建筑物的等電位連接網(wǎng)絡(luò)做功能性等電位連接。機(jī)房?jī)?nèi)電子設(shè)備的金屬外殼、機(jī)柜、機(jī)架、金屬管、槽、屏蔽線纜外層、防靜電接地、安全保護(hù)地、SPD接地端等均應(yīng)以最短的距離與等電位連接網(wǎng)絡(luò)連接。

固定在建筑物上的氣象觀測(cè)儀器及其他用電設(shè)備的線路應(yīng)采用有金屬鎧裝的電纜或?qū)?dǎo)線穿金屬線槽（管），各段金屬線槽（管）應(yīng)保證電氣貫通。水平布置的金屬線槽（管）或電纜的金屬鎧裝層宜每隔10 m與接地預(yù)留點(diǎn)或接閃帶就近等電位連接，垂直布置的金屬線槽（管）或電纜的鎧裝層至少應(yīng)在上下兩端就近與等電位連接帶連接。

3 總結(jié)

由于自動(dòng)氣象站包含大量敏感元器件，且部分設(shè)備處于室外，所處環(huán)境復(fù)雜多變，極易產(chǎn)生防雷設(shè)施老化或電氣連接不通等問(wèn)題。因此，需要進(jìn)行定期的防雷設(shè)施檢測(cè)，至少每年進(jìn)行1次定期檢測(cè)，由專業(yè)檢測(cè)人員使用專門(mén)的儀器設(shè)備對(duì)防雷設(shè)施進(jìn)行全面檢查，一般情況下可以將檢測(cè)時(shí)間放在雷雨季節(jié)到來(lái)之前，檢測(cè)到問(wèn)題的話要及時(shí)地做好整改，從而保證氣象設(shè)備能夠有效地發(fā)揮作用，避免發(fā)生因雷擊造成自動(dòng)氣象站無(wú)法正常工作，導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失以及無(wú)法及時(shí)傳輸給上級(jí)部門(mén)的情況。

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責(zé)任編輯：鄭丹丹