探討氣象觀測設(shè)備雷電災(zāi)害防御關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用

摘要 近年來氣象服務(wù)越來越受到社會的重視，氣象觀測設(shè)備的使用規(guī)模逐年增加，如何有效避免雷電災(zāi)害，對氣象觀測設(shè)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(zāi)害主要表現(xiàn)形式的基礎(chǔ)上，針對現(xiàn)階段氣象觀測設(shè)備雷擊損壞的主要類型和原因，探討了提升防雷電災(zāi)害的關(guān)鍵技術(shù)。

關(guān)鍵詞 氣象觀測設(shè)備;雷電災(zāi)害;防御技術(shù)

中圖分類號：P429 文獻(xiàn)標(biāo)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(shù)快速發(fā)展，社會各界對于高精度氣象預(yù)報的需求與日俱增，在此背景下，氣象觀測設(shè)備迎來了黃金發(fā)展時期，觀測設(shè)備精密度逐步提升，同時，氣象觀測設(shè)備的覆蓋范圍也越來越廣。與之相對應(yīng)的，如何在雷擊干擾下保證氣象觀測設(shè)備的正常運行，是現(xiàn)階段氣象觀測設(shè)備研究與應(yīng)用領(lǐng)域的一大熱點問題[1]。近幾年來，氣象觀測設(shè)備的防雷問題引起了學(xué)界的廣泛關(guān)注，在重點分析南平市氣象觀測設(shè)備雷擊災(zāi)害的基礎(chǔ)上，深入探討了氣象觀測設(shè)備雷擊的具體原因，并針對性地提出了氣象觀測設(shè)備防雷關(guān)鍵技術(shù)。

1 氣象觀測設(shè)備雷電災(zāi)害分析

1.1 氣象觀測設(shè)備雷擊狀況分析

研究統(tǒng)計了南平市近3年因雷擊造成的氣象觀測設(shè)備損壞事件，統(tǒng)計結(jié)果發(fā)現(xiàn)，雷擊對氣象觀測設(shè)備的主要影響體現(xiàn)在采集器，傳感器，變壓器等設(shè)備上。具體來看：首先，因雷擊導(dǎo)致的采集器、傳感器、雷達(dá)、定位儀等設(shè)備損壞，占到雷擊損壞設(shè)備總數(shù)的30%以上，是導(dǎo)致氣象觀測設(shè)備損壞的主要類型之一;其次，因雷擊造成的串口服務(wù)器、接口設(shè)備等損壞，占到總設(shè)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(shè)備設(shè)施的12%;最后，因雷擊造成的雷達(dá)定位儀，防雷板等設(shè)備損壞，占到總損壞設(shè)備的15%。上述幾類是主要的氣象觀測設(shè)備雷擊統(tǒng)計分析。

1.2 雷電災(zāi)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(shè)備，導(dǎo)致設(shè)備被強電流損壞。由于設(shè)備被擊毀，氣象觀測無法正常進行，帶來了嚴(yán)重的經(jīng)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(shè)備在正常運作下會產(chǎn)生大量的靜電，由于雷電的產(chǎn)生，導(dǎo)致設(shè)備和雷電之間發(fā)生靜電感應(yīng)，形成巨大的電流。設(shè)備運行過程中無法承受如此大的電流，會直導(dǎo)致設(shè)備損毀。

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

2 氣象觀測設(shè)備雷擊原因分析

2.1 采集設(shè)備防雷設(shè)計不合理

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

（1）設(shè)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(nèi)部。第1段設(shè)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(shè)備，作為線路輸入端的一級浪涌保護，需承擔(dān)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(yīng)速度。

（2）部分廠家生產(chǎn)的采集器在防雷元器件上缺少明顯的狀態(tài)標(biāo)志，導(dǎo)致這部分設(shè)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(shè)計不科學(xué)。部分設(shè)備的防雷板接地端無明顯的標(biāo)識，導(dǎo)致安裝人員錯誤地將地線連接到固定螺栓上，導(dǎo)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(shè)備廠家安裝指導(dǎo)不充分

通常氣象觀測設(shè)備安裝人員多為氣象部門大探中心或保障中心人員，對設(shè)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(xiàn)場指導(dǎo)，在防雷裝置安裝上較為混亂，表現(xiàn)為：防雷保護接地材料粗細(xì)不一，安裝方法各異;氣象探測設(shè)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(shè)備線纜處的屏蔽措施不同。

2.3 防雷措施不到位，不規(guī)范

更嚴(yán)重的是發(fā)現(xiàn)部分地區(qū)的氣象觀測站，對于防雷工作的重視程度不足，在設(shè)備安裝之前并未進行深入調(diào)研，充分論證防雷安全設(shè)計的可靠性，存在防雷措施不到位、不規(guī)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(shè)備時，沒有充分重視設(shè)備的防雷安全，存在安全隱患，具體表現(xiàn)在以下幾個方面。

2.3.1 防直擊雷裝置安裝不科學(xué) 部分地區(qū)的氣象觀測站在構(gòu)筑直擊雷防雷裝置時，存在不規(guī)范、不科學(xué)的情況，缺失屋面防雷裝置迫使防雷擊裝置位置不科學(xué)。典型的案例包括雷達(dá)站兩側(cè)對稱安裝接閃桿保護，但是接閃桿與雷達(dá)天線相距過近，造成氣象觀測設(shè)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(diào)查中發(fā)現(xiàn)部分地區(qū)的氣象觀測值班室路線存在問題，表現(xiàn)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(fā)生雷擊災(zāi)害，容易將強電流引入值班室，破壞室內(nèi)的氣象觀測設(shè)備。

2.3.3 風(fēng)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(shè)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(nèi)產(chǎn)生遠(yuǎn)高于采集元器件所能承受的電有電壓，引發(fā)感應(yīng)雷電流，對氣象觀測設(shè)備造成損壞。

2.3.4 氣象觀測設(shè)備的防雷保護線過長 部分地區(qū)的氣象觀測站內(nèi)配置的防雷保護線過長，規(guī)范要求應(yīng)在半米左右。與此同時，防雷保護線選用的線徑偏細(xì)，接地電阻偏大，一旦發(fā)生雷擊災(zāi)害，不能有效地保護氣象觀測設(shè)備，導(dǎo)致設(shè)備損壞。

3 氣象觀測設(shè)備防雷關(guān)鍵技術(shù)分析

結(jié)合以上分析的氣象觀測設(shè)備主要雷電災(zāi)害類型，并依托于多年的防雷整改工作檢測效果，認(rèn)為提升氣象觀測設(shè)備的防雷技術(shù)，應(yīng)從以下幾個方面入手，做好防雷設(shè)計工作，嚴(yán)格要求設(shè)備安裝工藝流程。依據(jù)所在區(qū)域的電磁場環(huán)境，針對特定的雷電活動頻率和強度，預(yù)先計算過電壓過電流的抗干擾度，協(xié)調(diào)外部防雷和內(nèi)部防雷兩大措施，經(jīng)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(shè)備雷擊損害的主要原因，氣象觀測站在設(shè)計和建設(shè)過程中，應(yīng)嚴(yán)格要求建筑物防雷設(shè)計規(guī)范要求的二類防雷建筑要求，對于所在環(huán)境雷電條件惡劣、頻繁發(fā)生雷擊損壞的氣象觀測站，建議參照更高的防雷標(biāo)準(zhǔn)要求進行設(shè)計。與此同時，注意區(qū)別防閃電感應(yīng)接地裝置和防直擊雷感應(yīng)裝置，進一步降低雷擊對氣象觀測設(shè)備的損害。在氣象觀測設(shè)備的外部布線中，要求接地阻值應(yīng)不大于4 Ω，同時鋪設(shè)網(wǎng)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(fēng)塔上的接閃桿完成，使用絕緣材料將接閃桿安裝在風(fēng)塔上，則可保證氣象觀測站內(nèi)的所有設(shè)備處于有效保護內(nèi)。與此同時，應(yīng)采用截面積大于50 mm2的銅芯屏蔽電纜敷設(shè)入地。

3.2 注重氣象觀測設(shè)備的等電位連接

在等電位連接中嚴(yán)格按照建筑物電子信息系統(tǒng)防雷標(biāo)準(zhǔn)和建筑物防雷標(biāo)準(zhǔn)中對于雷擊防護的規(guī)范要求，所有的氣象觀測設(shè)備與等電位網(wǎng)絡(luò)連接。通常情況下，氣象觀測站內(nèi)的設(shè)備可采用S型連接，對于高頻氣象觀測設(shè)備和采用M型連接，等電位連接線的長度應(yīng)控制在0.5 m以內(nèi)，截面積應(yīng)大于6 mm2，建議使用銅芯纜線。

3.3 提升線纜屏蔽與接地質(zhì)量

對于需要引入氣象觀測設(shè)備和值班室的電源線及信號線等，應(yīng)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(shè)備的損傷。

3.4 注重接地保護

氣象觀測站內(nèi)的觀測設(shè)備應(yīng)采取可靠的接地措施，尤其是對于集成度較高的防雷板，數(shù)據(jù)采集器和數(shù)據(jù)分析器等，規(guī)范接地保護作業(yè)顯得尤為重要。結(jié)合多年的氣象觀測設(shè)備防雷經(jīng)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(shù)據(jù)采集器的G接口。與此同時，為有效避免地網(wǎng)放雷電流對附近接地保護器的影響，應(yīng)保持防雷引線與觀測場其他需保護的設(shè)備之間3 m以上距離。

3.5 規(guī)范供電配電系統(tǒng)防雷措施

氣象觀測站內(nèi)的供電及配電系統(tǒng)是雷電災(zāi)害的高發(fā)區(qū)，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(zāi)害的重要途徑。按照共建配件系統(tǒng)防雷保護措施要求，其接地電阻值應(yīng)控制在4 Ω以內(nèi)，同時避免與接閃裝置靠近。

有條件地區(qū)應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(shè)備要求配置較高質(zhì)量的供電設(shè)備，如使用時直接進行供電，則應(yīng)檢查供電質(zhì)量和穩(wěn)定性，對于市電電壓起伏較大的情況，建議安裝相應(yīng)的穩(wěn)壓裝置;如發(fā)現(xiàn)所在地的零地電壓偏高，建議在總配電箱處設(shè)置兩處接地處理。

4 結(jié)語

氣象觀測站點應(yīng)充分重視雷電災(zāi)害的預(yù)防，通過前期的充分調(diào)研，分析所在地主要的雷電災(zāi)害類型，同時加強人員的培訓(xùn)和相關(guān)裝置設(shè)備的安裝質(zhì)量監(jiān)察工作，盡可能地降低氣象觀測設(shè)備遭受雷電災(zāi)害造成損失，從源頭上減少或者消除雷電災(zāi)害影響。與此同時，應(yīng)結(jié)合雷擊災(zāi)害案例和相應(yīng)的整治措施不斷總結(jié)經(jīng)驗，切實提升氣象觀測設(shè)備的防雷擊能力，保證相關(guān)設(shè)備正常工作。

參考文獻(xiàn)

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責(zé)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(yīng)用氣象工作。

收稿日期 2020–06–1