地面氣象觀測場雷擊事件分析及防雷措施改進(jìn)

陳景榮，曹雪芬，王明輝，蔡占文

（1.廣東省氣象公共安全技術(shù)支持中心，廣東廣州 510640；2.廣東省氣象探測數(shù)據(jù)中心，廣東廣州 510080）

地面氣象觀測數(shù)據(jù)是天氣預(yù)報(bào)最為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)來源，氣象作為防災(zāi)減災(zāi)的第一道防線，精準(zhǔn)預(yù)報(bào)是關(guān)鍵，觀測數(shù)據(jù)的安全保障對(duì)天氣預(yù)報(bào)來說其重要性不言而喻。為防止或減少雷電對(duì)觀測數(shù)據(jù)中斷的影響，目前廣東省所有地面氣象觀測場均把防雷作為安全保障的重要組成部分。自動(dòng)氣象站觀測場室有相應(yīng)的防雷技術(shù)規(guī)范可以遵循，很多學(xué)者也為氣象自動(dòng)站的雷電防護(hù)做過基礎(chǔ)性的研究［1-3］，但實(shí)際情況是，即使嚴(yán)格按照規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)和施工，仍時(shí)常會(huì)有發(fā)生雷擊的情況，拋開規(guī)范的技術(shù)層面，這可能與廣東省自動(dòng)氣象站觀測場雷電環(huán)境比較惡劣也有一定的關(guān)系。

通常情況下雷擊事件分析是先對(duì)受損情況進(jìn)行分析，對(duì)防雷現(xiàn)狀詳細(xì)勘察、檢測，對(duì)照防雷規(guī)范和設(shè)計(jì)文件判斷是否符合要求，再結(jié)合當(dāng)時(shí)的雷電情況和受損設(shè)備的具體情況進(jìn)行各種技術(shù)原因分析，得出結(jié)果并有針對(duì)性地采取改進(jìn)措施。

1 觀測場及雷擊情況

該標(biāo)準(zhǔn)地面氣象觀測場（25 m×25 m）為新遷建，位于某市郊外一座山頂上，海拔高度約76 m，地勢較高，周邊多山體，東面有一河流，相距約100 m，處于水陸交界面，屬易發(fā)生雷擊的地點(diǎn)。該觀測場于2019年1月正式投入業(yè)務(wù)運(yùn)行，觀測值班室尚在建，值班用房暫時(shí)用搭建在山頂?shù)慕饘侔宸浚ㄒ韵潞喎Q值班室）暫用，距觀測場約20 m，觀測場供電目前為臨時(shí)供電。

2020年6月2日14：22（北京時(shí)，下同）的一次雷擊事件造成觀測場內(nèi)主站采集器死機(jī)（重啟后恢復(fù)正常）、溫濕度分采集器故障，值班室計(jì)算機(jī)RS232串口損壞、備份站光貓電源適配器損壞（受損設(shè)備外部皆不見燒灼痕跡）。該次雷擊造成14：22開始的觀測業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)中斷。另外，經(jīng)現(xiàn)場人員介紹，在該次雷暴天氣過程中，雷擊設(shè)備損壞前，發(fā)生過雷電造成值班室外側(cè)電源總開關(guān)跳閘，但沒有造成設(shè)備損壞，重新合閘后正常工作。

2 調(diào)查情況

2.1 雷暴過程

雷擊事件當(dāng)日該市處于副高西北側(cè)西南風(fēng)不穩(wěn)定區(qū)，受低層暖濕西南氣流影響，全市大部分地區(qū)出現(xiàn)了雷雨天氣。13：50位于該市的幾塊強(qiáng)對(duì)流云團(tuán)合并，隨后發(fā)展增強(qiáng)形成強(qiáng)雷暴云團(tuán)，此時(shí)位于觀測場的西南方，雷達(dá)回波強(qiáng)度高達(dá)50 dBz。該強(qiáng)雷暴云團(tuán)于14：12到達(dá)觀測場上空，雷暴最強(qiáng)時(shí)段為14：18—15：00，其間雷達(dá)回波強(qiáng)度維持在45 dBz以上，最大強(qiáng)度可達(dá)55 dBz。

2.2 雷電情況

14：10—14：24的15 min內(nèi)，根據(jù)粵港澳閃電定位網(wǎng)查詢到的數(shù)據(jù)，觀測場的東南側(cè)附近共發(fā)生168次地閃和云閃，其中14：22：12在觀測場東南方向，距離觀測場909 m處發(fā)生強(qiáng)度為22 kA的負(fù)地閃，與觀測場數(shù)據(jù)停止上傳時(shí)間相一致。

2.3 觀測場防雷現(xiàn)狀

根據(jù)使用單位提供的觀測場防雷竣工資料和現(xiàn)場勘察得知，觀測場防雷采用直擊雷防護(hù)系統(tǒng)與感應(yīng)雷防護(hù)系統(tǒng)相互獨(dú)立的設(shè)計(jì)方案。

1）直擊雷防護(hù)及地網(wǎng)設(shè)置。

觀測場的直擊雷防護(hù)采取在觀測場東北側(cè)和西北側(cè)各安裝一座自立式接閃塔，高度均為18.0 m（以觀測場地坪±0.00為參考）。廣東省內(nèi)的地面氣象觀測場防雷類別均為2類，經(jīng)計(jì)算該兩等高接閃塔能有效對(duì)觀測場進(jìn)行保護(hù)，獨(dú)立接閃塔實(shí)測工頻接地電阻值為13.6Ω。

接閃塔接地網(wǎng)和設(shè)備接地網(wǎng)分開設(shè)計(jì)，兩地網(wǎng)相互獨(dú)立，地中的安全距離＞5.0 m。這樣的設(shè)計(jì)可以盡可能避免因直擊雷引起的地電位抬升電壓反擊造成局部設(shè)備的損壞。設(shè)備地網(wǎng)在25 m×25 m范圍內(nèi)的電纜溝底設(shè)置，并在觀測場南面預(yù)留兩處-40×4熱鍍鋅扁鋼供需要增加地網(wǎng)時(shí)使用；直擊雷地網(wǎng)設(shè)置在觀測場北面距離觀測場外沿大于5 m處，如圖1所示。

圖1 觀測場防雷布置圖

2）供電線路的防護(hù)。

觀測場和值班室低壓供配電采用臨時(shí)供電線路，高壓線路架空至山腳的變壓器，轉(zhuǎn)為380 V后仍采取架空線敷設(shè)至觀測場所在山頂，架空距離約200 m，后經(jīng)轉(zhuǎn)接電箱，采用無屏蔽二芯電纜套PVC管經(jīng)山頂沿地表敷設(shè)至值班室外側(cè)總配電箱，長度約150 m。

值班室外側(cè)總配電箱裝有一組Iimp＝25 kA，Up≤2.5 kV SPD。該配電箱輸出兩路，一路供給值班室空調(diào)、照明等用電設(shè)備；另一路經(jīng)由值班室UPS后，分別供值班室設(shè)備用電和套金屬管供至觀測場配電箱，供觀測場設(shè)備使用。觀測場配電箱裝設(shè)二級(jí)SPD保護(hù)，其In＝20 kA，Imax＝40 kA，Up≤1.8 kV。

3）屏蔽接地及綜合布線。

觀測場電纜溝內(nèi)設(shè)置有強(qiáng)、弱不銹鋼金屬線槽，金屬線槽首尾接地和間隔25 m左右重復(fù)接地，除安裝在百葉箱底部的溫濕分采集器金屬外殼未進(jìn)行接地外，各觀測設(shè)備的金屬支架及金屬外殼均與就近預(yù)留的接地端子連接，觀測場內(nèi)各觀測設(shè)備的信號(hào)傳輸采用屏蔽電纜沿地溝內(nèi)弱電金屬線槽敷設(shè)且屏蔽層在接線端處接地。

4）通訊情況。

觀測場與值班室之間的通訊均采用光纜沿電纜溝敷設(shè)，光纜的加強(qiáng)金屬芯均在進(jìn)入觀測場處和進(jìn)入值班室處進(jìn)行接地處理。

5）值班室。

值班室板房旁設(shè)置有簡單地網(wǎng)，實(shí)測接地電阻為13.7Ω。值班室未見設(shè)置接地匯流排，各設(shè)備的金屬外殼未見接地。

3 雷擊分析

首先從損壞設(shè)備著手，受損的設(shè)備：1值班室備份站光貓電源適配器、2值班室計(jì)算機(jī)RS232串口、3觀測場內(nèi)主站采集器（重啟后恢復(fù)正常）、4觀測場內(nèi)溫濕度分采集器。受損設(shè)備中，設(shè)備1明顯是雷電波沿供電線路入侵所致，考慮設(shè)備1的損壞原因，估計(jì)設(shè)備2的損壞原因極有可能和設(shè)備1相同，它們之間的連接關(guān)系如圖2所示，本研究著重分析設(shè)備3、設(shè)備4的損壞原因。

圖2 觀測場與值班室通訊示意圖

溫濕度分采集器包括主板、溫度采集板、濕度采集板。主板上主要有ARM芯片、1個(gè)CAN接口、10個(gè)溫度傳感器接口通道、5個(gè)濕度傳感器接口通道。使用時(shí)，氣溫傳感器連接T2接口（連接線長小于1 m），濕度傳感器連接H1接口（連接線長小于1 m）。CAN接口通過4芯電纜連接主采集器，是溫濕度分采集器與主機(jī)箱的唯一連接，另外，溫濕度分采集器與地溫分采集器并聯(lián)，后者也通過CAN接口與主機(jī)箱內(nèi)的采集器連接。

經(jīng)對(duì)損壞的溫濕分采集器檢修，結(jié)果為：1）CAN接口連接主采集器后，LED指示燈顯示工況正常，與主采集器的CAN通信正常，能夠正常接收和響應(yīng)主采集器的指令，說明CAN接口未損壞；2）將氣溫傳感器依次連接所有溫度接口，均無數(shù)據(jù)；將濕度傳感器依次連接所有濕度接口，接入H1時(shí)，無數(shù)據(jù)，接入H2時(shí)，對(duì)應(yīng)的通道2和通道4同時(shí)有數(shù)據(jù)；3）取下溫度采集板、濕度采集板插在工作正常的主板上，工作正常，確認(rèn)故障點(diǎn)在本主板；4）后期對(duì)主板上的CPU程序重新刷寫，成功。

綜上所述，雷擊對(duì)溫濕度分采集器并沒有造成硬件的損壞，而是造成主板CPU功能性的軟損傷，初步認(rèn)為故障可能原因?yàn)檩椛涫嚼纂婋姶琶}沖造成。根據(jù)所獲取到的雷電數(shù)據(jù)，從理論的角度估算該起雷擊的磁場強(qiáng)度。

根據(jù)觀測場數(shù)據(jù)上傳中斷和地閃記錄的時(shí)間，計(jì)算該地閃（依據(jù)閃電定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)所測的電流峰值22 kA）在觀測場主采集器和溫濕分采集器位置的磁場強(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)度分別為

其中，H0為無屏蔽時(shí)產(chǎn)生的無衰減磁場強(qiáng)度（A／m）；i0為最大雷電流（A），在此取與觀測數(shù)據(jù)中斷時(shí)間吻合的地閃電流峰值22 kA；Sa為雷擊點(diǎn)與屏蔽空間之間的平均距離（m）。

其中，B0為無屏蔽時(shí)產(chǎn)生的無衰減磁感應(yīng)強(qiáng)度（T或Gs，1T＝104Gs），H0為無屏蔽時(shí)產(chǎn)生的無衰減磁場強(qiáng)度（A／m）。

以上是根據(jù)閃電定位系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)得出磁場強(qiáng)度估算值，閃電定位系統(tǒng)的定位精度存在一定的誤差［4］，其誤差范圍平均值約在1 km之內(nèi)，假設(shè)閃電落雷于探測位置最近的東北接閃塔，則主采集器和分采集器位置的磁場強(qiáng)度分別為175.16和140.13 A／m（東北接閃塔高度18 m，接閃器離它們約為20和25 m，計(jì)算方法同式（1）），則磁感應(yīng)強(qiáng)度分別為2.2×10-4和1.76×10-4T，計(jì)算方法同式（2）。

根據(jù)雷電電磁脈沖傳播方式的不同可以將其分為兩種類型：傳導(dǎo)形式的電磁脈沖和輻射形式的電磁脈沖。傳導(dǎo)形式的電磁脈沖主要是雷電在各種傳輸線上感應(yīng)出過電壓波，然后侵入敏感設(shè)備造成危害；另外，LEMP還能以電磁輻射的方式對(duì)敏感器件造成損傷，美國研究報(bào)告（AD-722675）指出：當(dāng)LEMP磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)到0.07×10-4T時(shí)，即可導(dǎo)致運(yùn)行中的無屏蔽計(jì)算機(jī)發(fā)生誤動(dòng)作等軟損傷；當(dāng)LEMP磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)到2.4×10-4T時(shí)，可以造成計(jì)算機(jī)的硬損傷［3，5］。該雷擊所計(jì)算的雷擊距離在離觀測場909 m處時(shí)分采集器處磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.048×10-4T，即使分采集器沒有任何的金屬機(jī)殼屏蔽，該值也未達(dá)到讓計(jì)算機(jī)發(fā)生誤動(dòng)作；如在觀測場東北接閃塔接閃時(shí)，則主采集器和分采集器磁感應(yīng)強(qiáng)度分別為2.2×10-4和1.76×10-4T，該值均界于造成計(jì)算機(jī)軟損傷和硬損傷之間，考慮到主采集器和溫濕分采集器均有金屬外殼屏蔽層，且主采集器還有金屬機(jī)箱屏蔽體，如圖3所示，造成主采集器死機(jī)和溫濕分采集器軟損傷是可能的。

圖3 溫濕分采集器安裝位置及外形圖（a）和主采集器和地溫分采集器（b）

綜上所述，主采集器的死機(jī)和溫濕分采集器的軟損傷極有可能是由于雷電在觀測場東北接閃塔接閃時(shí)，其強(qiáng)大的雷電電磁脈沖通過輻射形式造成的，而地溫分采集器由于其距離較遠(yuǎn)且其屏蔽措施與主采集器相當(dāng)，如圖1和圖3所示，因而沒有受到影響。

如果雷電在東北角接閃塔接閃，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測的接地電阻值13.6Ω，可算得所形成的電位為22 kA×13.6Ω＝299.20 kVA，同時(shí)根據(jù)土壤電阻率的土壤擊穿強(qiáng)度為200～1000 kV／m［6-7］，計(jì)算所得對(duì)應(yīng)擊穿距離（安全距離）最大為299.20 kV／200 kV／m＝1.15 m，結(jié)合觀測場的防雷設(shè)計(jì)，即使在該處接閃，也不足以造成地電位反擊至設(shè)備接地網(wǎng)造成相連設(shè)備的損壞。按照經(jīng)驗(yàn)，如果是通過這種方式，則極有可能造成較大范圍的相連設(shè)備損壞［8］，而不僅僅是采集器，因此不應(yīng)認(rèn)為接閃塔的接地電阻過大（13.6Ω）和距離太近（大于5.0 m）是防雷改進(jìn)的重點(diǎn)。

因此該次雷擊事件中值班室設(shè)備損壞主要是長距離的架空供電線路感應(yīng)雷電高壓脈沖入侵所致；觀測場設(shè)備的軟損傷是由于雷電在觀測場東北接閃塔接閃，強(qiáng)大的雷電電磁脈沖通過空間輻射所造成。

4 改進(jìn)建議

1）臨時(shí)配電系統(tǒng)。

在供電變壓器低壓側(cè)安裝一級(jí)T1試驗(yàn)的電源防雷器；在電源轉(zhuǎn)接箱處安裝一級(jí)T1試驗(yàn)電源防雷器；更換值班室外側(cè)電源總進(jìn)線箱處電源防雷器為T2試驗(yàn)產(chǎn)品In≥40 kA，Up≤1.5 kV；在值班室各設(shè)備處加裝電源末級(jí)精細(xì)電源防雷器［9］，所有防雷器均需要安裝規(guī)范的接地。

建議對(duì)380／220 V架空供電線路轉(zhuǎn)沿地面敷設(shè)后的電纜進(jìn)行屏蔽處理，加裝金屬線槽或直接更換為鎧裝直埋電纜［10］，同時(shí)注意經(jīng)過觀測場東面接閃塔時(shí)與接閃塔的安全距離。

2）值班室接地系統(tǒng)。

將值班室地網(wǎng)與觀測場地網(wǎng)共地。值班室內(nèi)設(shè)置一個(gè)等電位連接排，供設(shè)備接地用。做好各電子設(shè)備金屬外殼以及各金屬體的等電位接地處理。

3）增加溫濕分采集器接地。

通過接地線直接和就近的地網(wǎng)接地預(yù)留端子連接，同時(shí)對(duì)溫濕分采集器未使用的外殼預(yù)留孔進(jìn)行屏蔽處理。

任何防雷系統(tǒng)的防雷安全度都不可能做到百分之百［12］，因此當(dāng)發(fā)生雷擊時(shí)，通過各種技術(shù)手段、綜合各種數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確分析找到真正的原因是防雷系統(tǒng)持續(xù)改進(jìn)的關(guān)鍵。本研究所給出的雷擊分析過程和方法，首先判斷是否由于雷擊所造成，查詢到相應(yīng)的閃電數(shù)據(jù)，結(jié)合雷電損壞設(shè)備的可能途徑和具體損壞設(shè)備檢修的結(jié)果，采用定量分析和定性分析相結(jié)合，得出雷擊的原因和防雷系統(tǒng)的具體改進(jìn)措施。