气象自动站雷击事故分析及防护对策

摘要：气象观测设施都处在空旷的高地，每年因雷击造成气象设施损坏事件时有发生，特别是处在雷电多发区的广东省，近年来集成化程度高、耐压水平低的气象自动站的普遍应用，因雷击造成气象设施损坏的事件呈增长趋势。文章就多年来广东省气象自动站发生的雷击事故调查、统计及分析，从防直击雷、防闪电感应、地电位反击以及等电位连接等方面分析其雷击事故原因，找出防雷系统存在的缺陷，提出相应的防御对策。

关键词：气象自动站；雷击事故；防护对策

中图分类号：P415.12 文献标识码：A

Abstract： Meteorological observation stations are located in open heights. Damage to meteorological observation equipment caused by lightning strikes occurs from time to time every year. Especially in Guangdong Province， where lightning is concentrated. in recent years， the use of integrated meteorological automatic stations with low pressure resistance is common.Based on the lightning accidents occurring at Guangdong meteorological automatic station for many years， the causes of lightning strike are analyzed from the aspects of direct lightning strike， lightning protection induction， lightning protection， surge invasion and equipotential connection. The defects of lightning protection system are found out， and corresponding countermeasures are put forward.

Key words： Meteorological automatic station；lightning accident；Protective countermeasures

氣象自动站的数据采集和传送主要通过高密度的集成电路采集器来完成。广东省有相当一部分气象台站使用的是无锡公司，特别是华云公司生产的DZZ5，主采集器型号为HY3000，其采集器电子元件的耐压水平低，对周围电磁环境的变化反应敏感。文中从气象自动站工作原理、雷击事故等五个方面进行分析，提出整改措施。

1 气象自动站工作原理

气象自动站由数据采集器、传感器、通讯模块、交直流电源等组成。数据采集器采用HY3000系列单板机，组成原理见图1。

自动站采用交直流两路电源供电。220V市电供电正常时，稳压电源输出电压为直流13.8～14.5V，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14V电压。观测设施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RS232串口传输至计算机。

220V市电电源、稳压电源输入端内置有电涌保护器，数据采集器的信号输入端口均设有内置防雷单元，接地线分别接至金属外壳共用接地点，通过PE线引入接地装置。

2 雷电灾害途径

2.1直击雷击

由于气象观测场位置处在高地空旷处，通常雷电发生时，风塔接闪杆、观测场建筑物屋面、观测场围栏等凸出处较容易遭直击雷击。直击雷电流大时间短，是破坏力最大且最危险的一种方式，早年还发生过直击雷致使气象观测员遭雷击死亡的案例。据不完全统计，直击雷击约占雷击事故的10%左右。

2.2闪电感应

闪电放电时，在附近导体上产生闪电静电感应和闪电电磁感应。闪电静电感应是由于雷云电场的作用，使处于雷云下的架空电源线、电话线、网络线导体上感应出与雷云符号相反的电荷，当雷云主放电时，先导通道中的电荷迅速中和，在导体上的感应电荷得到释放，此感应电荷将沿着电源线、电话线、网络线侵入建筑物内与其有联系的设备，如没有就近泄入地中这种高电位可能沿着这些管线侵入屋内，危及人身安全或损坏设备。闪电电磁感应是由于雷电流迅速变化在其周围空间产生瞬变的强电磁场，使附近导体上感应出很高的电动势，它可能使设备内部金属部件之间产生火花，损坏设备。其雷击损失概率约占雷击事故的70%～80%。

2.3地电位反击

由于不当的接地线、接地引入点及共用接地装置的原因，当雷电流经引下线流入共用接地装置时，由于引下线和接地装置存在电阻和电抗，会在共用接地装置上产生数十kV至数百kV的高电位。建筑物防雷接地、电力系统零线、PE线、弱电系统的共用接地线等会出现瞬间高电位，该高电位抬高电力系统零线电位，引入室内设备外壳，造成过电压损坏设备。其雷击损失概率约占雷击事故的10%。

3 气象观测场防雷装置现状

该气象观测场位于县道边的一小山包，距离县道直线距离70米，是周边地带的制高点。四周是水田，水体较多，地势平坦，一层楼高的值班室位于观测场南面低洼处，值班室屋面与观测场地面处在一个水平面上，水平距离25m左右。观测场内安装有两支等高避雷接闪杆，针高17.5m。

经测算，观测场内自动站探测设备处于避雷接闪杆的直击雷保护范围内，避雷接闪杆接地装置为单独接地，接地电阻8.5Ω。测风塔及观测场内各类设备工作接地采用联合接地，接地电阻为2.8Ω。风、温湿度、雨量等采集信号采用屏蔽线缆自观测场穿PVC管沿地沟引入值班室接至数据采集器，线长约95m，信号线屏蔽层在值班室内与数据采集器直流工作地相接。值班室220V电源线由变压器低压侧铠装电缆埋地引入，线长约150m进入值班室配电盘。设备电源经配电盘引出，经稳压电源和蓄电池接至数据采集器，低压电源进户端配电盘处有安装单相电涌保护器，值班室接地装置接地电阻3.8Ω。

4 气象自动站雷击事故原因分析

经现场勘查，当天的15：32分在观测场东南角大约1公里处一村庄的架空电源线路遭雷击，一变压器及10多户村民家用电器损坏。经查询广东省闪电定位资料，雷击发生点与实际雷击发生位置基本吻合。此次雷击造成DZZ5型自动站的数据采集器主板、与之连接的计算机接口损坏，导致气象记录缺测。

根据雷击导致数据采集器主板、计算机接口受损的可能途径，分析其损坏的原因如下：第一，雷擊发生位置不在观测场内接闪，可以排除直击雷和地电位反击的可能。第二，低压电源线路采用铠装电缆埋地引入，电源线路入户配电盘有安装电源SPD。接入设备的电源首先经过隔离变压器，隔离变压器可以看成是一个低通滤波器，雷电流属于高频电流，高频电流经过隔离变压器时会衰减掉很多，从雷击造成设备损坏的情况看，与入户电源线直接相连的UPS、自动气象站稳压电源、空调等设备均未受损，可以排除雷电过电压从电源线侵入的可能。第三，数据采集器的外壳基本上密闭且接地，在一个密闭的金属空腔内，磁通量为零，空腔内设备不会产生感应电压差，基本上排除在设备上产生闪电电磁感应损坏的可能。第四，数据采集器屏蔽线缆自观测场穿PVC管沿地沟引入值班室，未加套金属管屏蔽，数据采集线的屏蔽层只在值班室端通过直流工作地与外壳相连接地，而在观测场采集器端并未接地，电缆线未加金属管屏蔽，且未两端接地，对闪电感应它只能削减一个数量级。当闪电放电时，在附近导体上产生的闪电静电感应和闪电电磁感应，感应过电压沿线路侵入数据采集器。数据采集器的信号输入端虽有内置防雷单元，当较高过电压波侵入时，此防雷单元很容易遭到破坏，失去防护作用。

综上分析，导致本次雷击事故的最大可能是闪电感应从观测场数据采集线引入致使数据采集器及计算机接口损坏。

5 防雷装置整改措施

（1）气象观测场内的自动站设备已处在双接闪杆的有效保护范围内可不整改。而距离较远的值班室屋面无安装直击雷防雷装置，宜按第二类防雷类别在值班室屋面加装接闪带保护，接闪网格、引下线、接地装置的敷设按现行规范执行。

（2）为防止在数据采集线上闪电感应过电压，屏蔽线缆应全线穿金属管敷设，金属管在观测场和值班室两端良好接地。在采集器数据输入端口安装相匹配的信号SPD。

（3）值班室内敷设局部等电位汇集排。自动站各设备接地采用单点接地的S型等电位连接方式。防静电地板、金属门窗、金属吊顶等不带电的金属构架就近接至局部等电位汇集排处。

（4）低压供电线路宜全线采用铠装电缆并穿金属管埋地引入室内。其埋地长度应符合下列表达式（1）的要求，但不应小于15m。在入户端应将铠装电缆的金属外皮、金属管接到防闪电感应接地装置上，减少因雷电电磁脉冲叠加在PEN线的感应过电压。

L≧2ρ1/2 （1）

式中，L为金属铠装电缆或护套电缆穿钢管埋于地中的长度（m）；ρ为埋地电缆处的土壤电阻率（Ωm）。

值班室配电盘原安装的SPD保留，设备插座采用带电涌保护器的电源插座，为三级保护，尽可能将雷电过电压限制在1.5kV以下，并应有良好接地线。

（5）将避雷接闪杆接地装置、观测场内气象自动站设备接地装置和值班室接地装置在地中采用联合接地。联合接地体采用环型网格形式，避免地电位反击。双支等高避雷接闪杆、观测场、值班室自动站设备共用一组接地装置。但各类接地线不能共用泄流线。不同种类的接地引下线不串接，严禁在一条接地线上串接几个需要接地的设备。要求各不同种类的接地线从共用接地装置中引入接地线时应离开一定的安全距离。既避雷接闪杆接地装置和观测场自动站设备接地装置、值班室设备接地装置之间保证一定的安全距离，安全距离按下列公式（2）计算，但不得小于2m。

S=150Ri/ER （2）

式中，Ri为避雷接闪杆接地电阻；ER为土壤击穿强度。

即共用接地装置采用共地不共线、分类接地线、不串不共用、一点接地法接地方式。

参考文献：

[1] 中华人民共和国国家标准 GB50343-2012电子信息系统防雷设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2012

[2] 梅卫群，江燕如.建筑防雷工程与设计[M].北京：气象出版社，2003

[3] 张小青.建筑物内电子设备的防雷保护[M].北京：电子工业出版社，2000

[4] QX4-2000气象台（站）防雷技术规范[S].中国气象局，2001

[5] 王金泉.计算机网络系统环境的安全防护[C].中国气象学会气象通讯与信息技术委员会（信息技术在气象领域的开发应用论文集），武汉

作者简介：

王银（1990-），女，本科，助理工程师，主要从事防雷检测和风险评估工作。E-mail：1348280183qq.com