地面气象观测场雷击案例分析与对策

2015-05-04陈惜茂李智标程建培

中低纬山地气象 2015年2期

关键词：值班室采集器屏蔽

仇健，陈惜茂，李智标，程建培

(1.广东省珠海市公共气象服务中心，广东珠海 519000；2.广东省珠海市斗门区气象局，广东珠海 519000)

地面气象观测场雷击案例分析与对策

仇健1，陈惜茂2，李智标1，程建培1

(1.广东省珠海市公共气象服务中心，广东珠海 519000；2.广东省珠海市斗门区气象局，广东珠海 519000)

2013年5月21日珠海某气象观测场设备损坏，通过调取事发地雷灾历史、事发时段闪电定位资料以及现场勘察、剩磁检测等手段对事故进行调查分析，认为此次事故是由于观测场内的VASALA MILOS520自动站立杆顶部遭受雷击并导致观测场及值班室相关设备受损，同时指出观测场现有防雷系统存在的不足，提出相应的防御措施。

雷灾；气象；观测场；对策

1 引言

为能较好地反映本地较大范围的气象要素特点，地面气象观测场一般选址于四周空旷平坦无遮挡的地带，而场内高耸突起的测风杆、接闪杆无疑增加了观测场遭受雷击的概率。此外，随着大量耐压水平低、抗干扰能力弱的自动气象站逐渐替代传统的人工观测，也使得观测场遭雷击时设备受损的范围进一步扩大，进而导致了观测业务中断和不可弥补的数据丢失。本文以珠海某气象观测场遭雷击事故为例，分析探讨其雷击原因和防御对策，旨在抛砖引玉，为进一步完善地面观测场的防雷措施提供参考。

2 受灾情况

2013年5月21日上午，珠海某气象观测场值班人员报称，当日约10时52分观测场遭受雷击，值班室内电脑全部出现黑屏，同时市电中断，经UPS备用电源启动后发现其中两台电脑无法开机启动，影响正常观测业务。经检查发现，值班室电源总开关跳闸以及二楼的电源箱内的UPS市电输入、UPS供电输出及供往观测场的电源共3处开关跳闸；观测场内的能见度仪损坏，DZZ1-2型自动气象站的数据采集器、风向传感器、草温传感器，以及与自动站连接的计算机、打印机、数据隔离器、EN型测风仪损坏。接报后，相关部门立即成立调查组赶赴现场展开实地调查，向目击者和故障处理人员详细了解事故情况，并对相关物件进行测试、取证。

3 灾害调查

3.1 地理环境

事发观测场位于珠海市内某山顶，南、北面分别为地势更高的板障山和凤凰山。事发当日，从海面吹来的西南气流进入两山之间时，因“狭管效应”造成水汽、能量在两山之间堆积而易产生雷暴；同时，近地层气流受观测场所在的山体阻挡被迫抬升，也促进了强对流的形成与发展；此时，观测场内安装的测风杆、接闪杆等高耸物体，因具有尖端放电效应而易成为雷击选择的目标。

3.2 历史观测情况

经查阅历史资料，观测场年平均雷暴日约为62 d，属于多雷区；最多时达到86 d，分别发生在1978、1983年；最少为35 d，发生在2001年。历年来该观测场及其附近雷电灾害时有发生。

3.3 设备及防雷装置因素

3.3.1 DZZ1-2型自动气象站工作原理 DZZ1-2型自动气象站的基本配置是采集器和风向、风速、气温、湿度、雨量、气压、地表温度、浅层地温、深层地温等各类要素传感器，外围设备有UPS电源、计算机、打印机、通讯数据隔离器等。其总体结构框图如图1。该自动站采用交、直流两种电源供电模式，市电供电正常时，稳压电源输出后由内部DC/DC转换成+5V、±12V电压供系统和传感器工作。停电时由蓄电池直接输入直流电压。观测场各类传感器采集的信号通过屏蔽信号线传输至数据采集器，由数据采集器进行处理后经隔离器传输至计算机。

图1 DZZ1-2型自动气象站总体结构

3.3.2 防雷装置现状山顶观测场采用专设接闪杆防直击雷(图2)，根据滚球法计算，场内除VASALA MILOS 520自动站(简称自动站)以及测风塔以外的所有观测设施均处于专设接闪杆的保护范围之内；自动站立杆顶自身设有接闪短杆保护测风仪，接闪短杆通过金属支撑架与自动站备金属立杆连接，短杆底端采用一条16 mm2多股铜绞线作引下线沿着自动站立杆的钢丝斜拉索引下，局部缠绕成环路；观测场防直击雷接地与设备电气保护、工作接地等共用接地装置，实测接地电阻2.92 Ω。值班室位于半山腰，距山顶观测场约30 m，采用接闪带防直击雷，建筑物防雷接地与内部电气电子系统共用接地装置，实测接地电阻2.88 Ω。进出值班室、观测场的各种电源、信号线路均采用电缆沟埋地方式敷设。值班室电源线路安装有SPD保护，工作状态正常；但信号线路未安装SPD保护，线路屏蔽层未做接地处理。

观测场内的DZZ1-2型数据采集器箱、DZZ1-2TW型信号变送器箱的金属外壳、主板的数据线屏蔽层均通过PE线接地，但未就近与观测场主地网作重复接地；能见度箱为非金属外壳，无空间屏蔽，箱内主板数据线无屏蔽保护；此外，线缆沟内相关电缆分布凌乱，部分线缆缠绕成环形，且引至值班室的电缆未全线采用金属管屏蔽保护。

图2 观测场平图示意图

3.4 闪电定位记录

以事故现场地理坐标为中心向纵、横两侧分别扩展1 km的方形区域内，共筛选得到闪电记录13条。其中，经对比分析各闪电记录的时间、坐标、电流强度以及至事发现场的距离发现，最疑似肇事雷击记录为：2013年5月21日10时50分，电流强度-318 kA，距离事发地点592.579 m，定位站点数达到5，可信度比较高；闪电记录时间与被调查人所述亦较为接近。

3.5 现场剩磁等数据检测情况

经剩磁检测，值班室、观测场内的剩磁检测情况如表1。

表1 现场剩磁检测数据

此外，在检测过程中还发现，自动站立杆的3组拉索各构件(钢丝、拉钩、地锚)之间采用机械性连接，连接处松动且螺栓锈蚀较严重。拉索的金属地锚、能见度仪金属立杆未与观测场接地装置作电气连接，3个地锚的实测接地电阻值分别为555 Ω、87 Ω和295 Ω，能见度仪立杆的实测接地电阻值为6 000 Ω。

4 事故调查结论及原因分析

综上所述，可初步判断此次观测场及值班室设备受损属于直接遭受雷击引发。原因如下：

首先，根据闪电定位和自动站3组拉索的剩磁数据，判断为闪电击中了观测场自动站顶部的接闪短杆；因趋肤效应，绝大部分的雷电流经自动站立杆的3组拉索泄放入地。因该地锚未与观测场内的接地装置连接形成共用地网，故距地锚最近的DZZ1-2型数据采集器因高电位反击而损坏；同时反击电流通过PE线传导至DZZ1-2TW型信号变送器并至其线路主板击穿损坏。此外，雷电流在地中泄放时，连接观测场设备的电源、信号线路因分流将部分雷电流传导至值班室内，数据线路因屏蔽接地以及防电涌过电压的保护措施不完善，致使位于线路终端的数据隔离盒及电脑接口被击坏；电源线路由于出现过电流，值班室配电箱内的保护电器随之动作而导致停电。

其次，受损的风向传感器和能见度仪分别位于自动站附近，经估算可得到地闪发生时二者所在位置的磁场强度和磁感应强度为：

H0=i0/2πSa=(318×103)/(2×3.14×3.65)=1.39×104(A/m)

(1)

式(1)中，H0为无屏蔽时产生的无衰减磁场强度(A/m)；i0为最大雷电流(kA)，在此取值为最疑似肇事雷击记录电流318 kA(表1)；Sa为雷击点与屏蔽空间之间的平均距离，在此取值为风向传感器、能见度仪与自动站之间的实测距离，即3.65 m(如图2)。

B0=4π×10-7H0≈0.017(T)=170(Gs)

(2)

式(2)中，B0为无屏蔽时产生的无衰减磁感应强度(T或Gs，1T=104Gs)；H0为无屏蔽时产生的无衰减磁场强度，取值为式(1)计算结果。

由此可见，风向传感器和能见度仪因未采取屏蔽保护措施，其安装位置的磁感应强度已远远大于2.4 Gs，设备微电子元器件无法承受雷击电磁脉冲产生的过电压或过电流而发生损坏。