一次自动气象站雷灾调查与成因分析

李红梅 景东平 李宇飞 王一豪

（1.长治市气象局，山西 长治 046000；2.临汾市气象局，山西 临汾 041000； 3.武乡县气象局，山西 武乡 046300）

由于地面气象观测场对环境条件的要求，很多自动气象台站位于野外、空旷地带，随之带来的是气象站建筑物遭受雷击的可能性增加[1]。2013年5月22日—23日，受冷空气和西南暖湿气流的共同影响，山西省临汾市大范围出现了中到大雨，局部暴雨的天气过程，并伴有短时强雷电、大风和冰雹。其中，襄汾县自动气象站的观测场风向杆遭到一次雷电闪击，并造成自动站数台设备损坏。事后市防雷技术人员对雷击现场进行了灾情调查，并结合实际观测资料对灾害成因进行了综合分析[2-3]。

1 天气背景与观测分析

1.1 天气背景

受冷空气和西南暖湿气流的共同影响，临汾市所辖地区均出现了较为强烈的降水过程，2013年5月22日8∶00 至2013年5月23日8∶00 的降水量超过50mm 的站有12 个，降水时段主要集中在17∶00—24∶00，过程平均降水量为35.5mm。本次受灾的自动气象站降水量为42.8mm，雷暴自18∶10 起，持续到20∶00 以后。

1.2 多普勒雷达回波及卫星云图分析

当雷达回波值在45dBz 或以上时，出现暴雨、冰雹、大风等强对流天气的可能性较大。从当时的雷达回波图看，强回波区域范围较大，由临汾西部地区逐渐移动到南部地区。当时云图上β中尺度特征明显，对流云团首先在低涡切变线西侧形成，随着低涡切变线东北移，对流云团迅速发展东移，是暴雨及闪电等强对流天气形成的直接影响系统。

2 现场勘测与成因分析

2.1 现场勘测情况

据观测员讲述，该站5月22日17∶00 开始降水，19∶31 观测员目击到一次强闪电击中观测场风向杆，随即出现自动站主机关机。随机将事故报告市局。

经检查，观测场的风向风速传感器、雨量采集器、数据转接盒，测报值班室内的数据采集器、自动站电脑主机、打印机被雷击击坏。风向杆接闪针顶端可见被电击烧蚀的痕迹,数据转接盒及电脑主机的电路板均有大片烧焦的痕迹。

图1 自动气象站平面布局

现场勘测发现，该自动站建于城郊空旷地带，四周开阔平坦。观测场周围均为麦田，无任何建筑物，高约8m 的办公楼位于观测场西侧，距观测场20m 左右。观测场地面较周边农田高出10 余米，较办公楼地面高出4m 左右。显然观测场和办公楼距属于孤立建筑物，很易遭受雷击。

图2 风向杆实际接线情况

风向杆位于观测场内部，为钢管材料制作，高10m，其顶部装设有高出杆体顶端约1m 的接闪短针，接闪针的引下线及风向风速传感器数据线一起经风向杆的钢管内部引下，引下线为φ10mm 2BVR铜线，引下线安装长度较长，风向杆未接地。数据线无屏蔽措施，与接闪针引下线没有安全距离。数据线经地下电缆沟、观测场数据转接盒、引入办公楼测报值班室的数据采集器，数据采集器与自动站计算机、打印机等设备相连接。数据线两端未安装电涌保护器，电缆沟中所有数据线、电缆均无屏蔽措施。值班室所有电气设备均未做等电位连接。

办公楼供电电源经架空线路进入一楼总配电箱，此处安装有一个电涌保护器（最大持续工作电压Uc=385V，标称放电电流In=40kA（8/20μs），电压保护水平Up≤2.4kV），值班室内未对电源线路进行多级防过电压保护。

接地电阻的测量，经实测，接闪器引下线接地电阻1.2Ω，风向杆本体接地电阻300Ω，外转接线盒接地电阻1.4Ω，办公楼接闪带接地电阻2.4Ω，电涌保护器接地电阻2.0Ω，值班室内电源保护接地电阻2.0Ω。

2.2 成因分析

1）该自动站年预计雷击次数

依照《建筑物防雷设计规范》（GB 50057—2010）建筑物年预计雷击次数的计算方法[4]，按下式计算：

式中，k为校正系数，该站建筑物属于旷野地带的孤立建筑物，应取2；Ng为该站所处地区雷击大地 的年平均密度（次/km2/a），Ng= 0.1×Td= 3.2，其中Td为该站年平均雷暴日数，取32；Ae为与建筑物截收相同雷击次数的等效面积（km2），这里根据办公楼长宽高计算：

则该自动站年预计雷击次数为

由上述计算可知，该自动气象站的年预计雷击次数为0.6 次/年，这个数值已属于较高的雷击概率。根据《建筑物防雷设计规范》（GB 50057—2010）3.0.3章第十款“预计雷击次数大于0.25 次/年的住宅、办公楼等一般性民用建筑物或一般性工业建筑物，应划分为第二类防雷建筑物”的要求，此自动气象站应属于第二类防雷建筑物。但此气象站仅安装有总配电保护，并未安装分配电保护装置。多级过电保护装置不符合标准是造成本次雷击灾害的主要原因。

2）风向杆接闪针引下线电位

在雷电流流过引下线的瞬间，引下线各部位的电位差异很大[5]，为便于计算，取引下线的中间位置（5m）来计算其电位：

式中，UR为雷电流流过防雷装置时接地装置的电阻电压降，kV；UL为雷电流流过防雷装置时引下线的电感电压降，kV；Ri为接地装置的冲击接地电阻，Ω；实测值1.2Ω；I为雷电流幅值，kA；di/dt为雷电流陡度（kA/μs），通过查询当时闪电定位资料，雷电流幅值为35kA；L0为引下线的单位长度电感，μH/m，取1.5μH/m。

可见，接闪器引下线在距地面5m 的高度处有高达304.5kV 的瞬时过电压，所产生的电磁感应在其相邻导线上会产生很高的感应电压，此电压通过无任何保护措施的线路进入耐压较低的电子设备，足以造成设备损坏。

通过以上分析，结合对现场勘察、地理环境因素、气象资料记录等情况，防雷措施不合理是造成本次雷击灾害的主要原因，表现在：金属风向杆未安装接地装置，失去了对钢管内部线路的屏蔽作用；风向杆接闪针引下线与信号线均敷设在风向杆内部，距离很近，雷电流通过接闪针及其引下线泄入大地时，由于闪电感应的作用，流经引下线的雷电流的迅速变化在其周围会产生强大的瞬变电磁场，使得临近的数据线上感应出很高的瞬态过电压和过电流；数据线在电缆沟中没有任何屏蔽措施，数据线两端也没有安装过电压保护装置，因此该瞬态波即通过数据线路窜入下级线路，致使与此线路连接的后级设备损坏。

3 防雷设施整改建议

1）接闪针的引下线宜敷设在风向杆外部并接地，风向杆应安装接地装置。这样由于钢管的屏蔽作用，可使风向风速数据线得到一定的屏蔽保护，防止闪电感应对数据线的影响。

2）观测场到值班室之间的数据电缆均应做穿钢管或穿金属线槽，并在两端可靠接地。

3）在各个传感器的线路两端安装型号匹配、性能可靠的信号用过电压保护器。

4）完善配电线路的防闪电感应措施，严格按照第二类防雷建筑物的防雷要求安装多级过电压保护装置，并注意电涌保护器在能量上的配合，做好值班室内的电气设备的等电位连接。

4 结论

由此可见，位于空旷、野外的自动气象站，年预计雷击次数较高，遭受雷击的概率较大，安装合理完善的防雷装置是避免遭受雷击灾害的重要措施。首先应按照《建筑物防雷设计规范》要求确定建筑物防雷类别，再选择恰当的防雷设计方案，做好观测场及值班室内仪器的等电位连接及接地、合理布线、线缆屏蔽，选择能量匹配的浪涌保护器。

本次雷电灾害是由于观测场风向杆防雷措施不当而已引起的。在实际设备安装中，很多自动气象站观测场出于成本节省的考虑，风向杆防雷措施都采用类似做法，此文可以对预防此类事件发生起到借鉴作用。

[1] 桑二,高栋斌,樊家庆,等.半坡村“5.12”重大雷击伤亡事故调查分析[C].第八届中国国际防雷论坛,2010: 330-331.

[2] 侯俊玲,李春华,李文忠,等.自动站雷击故障分析检修一例[J].山西气象,2012(3): 38-40.

[3] 胡定,陆晓丽.一次雷击事故的调查分析与启示[J].气象研究与应用,2011,32(3): 108-110.

[4] 中华人民共和国住房与城乡建设部.建筑物防雷设计规范（GB 50057—2010）[Z].2010-11-03.

[5] 中华人民共和国住房与城乡建设部.建筑物电子信息系统防雷技术规范（GB 50343—2012）[Z].2012-12-28.