乐平市国家站防雷整改的措施与分析

2021-10-18计桂平陈鲍发马中元黄龙飞

气象水文海洋仪器 2021年3期

计桂平，陈鲍发，马中元，黄龙飞

(1.景德镇市气象局，景德镇 333000；2.江西省气象科学研究所，南昌 330046)

0 引言

乐平市位于赣东北，天气复杂多变，是江西的暴雨中心之一，强雷电、强降水、雷暴大风等强对流天气发生的概率较高，经常造成重大灾害。特别是强雷电天气频发，对乐平市气象观测站各仪器设备的正常运转和维护造成困扰。

2020-06-02T17：20，乐平国家气象观测站因雷电造成停电，启动UPS供电后，17：35国家站所有设备跳闸。重新开机后，发现从17：42开始，国家站只有日照与天气现象有数据采集，新型自动气象站所有数据缺测。经过排查，确定为采集器发生故障，从景德镇市气象局调用1套新的采集器进行更换并经省局大气探测中心技术员远程指导后所有数据恢复正常，故障排除时间近24 h。2020-08-21T14：10，乐平市国家气象观测站再次遭受雷击，导致观测记录无法按时上传。

乐平国家气象观测站是国家级地面观测站，承担了乐平境内温度、气压、湿度、风等气象要素的观测任务，经过多年的气象现代化业务建设，这些气象要素数据均已实现了自动化采集和传输，但频繁的雷击事故严重影响气象数据的准确性与及时性。因此，为了保证春季雷暴高发时段的防雷安全，2021-03-13—2021-03-15，在江西省大气探测中心专家的指导下，乐平市气象局对乐平国家气象观测场的防雷设施进行了整改。

对于气象观测站的防雷建设，国内有许多专家进行了研究。邢忆波[1]等按二类防雷要求，阐述了凤凰山气象观测站及业务楼的综合雷电防护设计，提出在观测场的四周设置4根独立接闪杆，且接闪杆采用接闪线相互连接，形成杆线混合接闪设施；谢允[2]等对通城县国家气象观测站遭受雷击进行排查和诊断，提出了改进观测场防雷接地系统、增设串口隔离器、调整自动气象站主采集箱在观测场中的安装位置等措施；宋卫民[3]等根据汉滨区国家基本气象站的实际状况，从屏蔽、接地、综合布线、等电位连接、过电压保护、防直击雷保护和防雷击电磁脉冲等方面进行防雷电感应设计；李进[4]等通过对江西省地面气象观测站防雷现状进行分析，提出了在采集器前端加入信号级浪涌保护器、系统供电部分完善三级SPD防护、自动站信号和电源线缆通过地沟桥架进行屏蔽敷设、避雷针改造、场室接地改造等措施；黎灿明[5]等针对直击雷，提出地网铺设、采用单针或多针、用金属管或线槽埋地屏蔽等雷电防护技术和方法；王义琴[6]、黄雷梁[7]等，从各地观测站的防雷过程中遇到的问题出发，提出相应的对策，保障了各种气象数据采集的准确性与及时性。这些均为乐平市观测站的防雷改造提供了参考依据。

文章将分析乐平市观测站防雷改造前的雷击隐患，提出防雷整改思路、措施与解决方案，并对防雷整改后的效果进行评估和分析。

1 观测场各仪器、设备布局与相关防雷措施

乐平市国家气象观测站气象观测场占地面积为25 m×25 m，场地及仪器安装位置按《地面气象观测场规范化建设图册(修订版)》的要求严格布设：10 m风塔设在东北面，风塔上安装有风向、风速传感器，传感器通过232/485线路与主采集器相连；独柱式避雷针安装在风塔之上，长度2 m，与避雷针相连并设有独立防雷接地网；天脸识别仪、天气现象仪、能见度仪、2个百叶箱(气温、湿度观测，其中1个百叶箱为备份)等设备布设在观测站北部，中间有称重雨量计；草温、地温、日照、浅层地温(5 cm、10 cm、15 cm、20 cm)等观测设备主要布设在观测站南部。

气压、气温、湿度、风向风速、翻斗式雨量、地温和草温等设备采集器采集数据后，通过CAN+12 V或232+12 V的线路与主采集器联接，主采集器通过3芯232线路与串口服务器相连；而日照、天脸、降水现象仪等观测到数据后，通过232/485线路接入串口服务器。串口服务器汇集所有观测数据后，通过6芯光纤将数据传入机房(图1)。

图1 乐平观测场改造前的各仪器通信示意图

由此可见，目前的传统布局因装有避雷针和接地网，所以由直击雷造成设备故障的情况比较少，而感应雷造成的故障占绝大多数。设备之间多采用232/485、CAN+12 V或232+12 V的线路通信方式进行互联，且CAN总线方式汇集了地温采集、草温采集、气温与雨量的数据，若其中1条CAN遭受雷击则地温、温度、湿度、雨量均没有数据，会导致多类数据的缺失；而串口服务器是通过光电模块转换后经光纤与值班室计算机相连，多个雷击事故表明，串口服务器与电脑之间的光纤通信在雷击过程中均处于正常状态，受雷击影响的部分多出现在分采与主采之间的232/485、CAN+12 V或232+12 V线路上，即光纤通信可以在很大程度上减少雷击风险。

按照防雷规范，在二次雷击范围内大于15 m左右的通信电缆都应安装避雷器，但现有设备仅部分安装了避雷器。风塔与避雷针的合计高度仅有12 m，根据GB 50057-2010《建筑物防雷设计规范》附录D中规定计算，保护范围rx=17.3 m。由于观测场占地范围为25 m×25 m，长与宽均大于17.3 m，即观测场内也存在雷击风险。

2 防雷整改的思路

1)通信传输方式。根据上述分析，串口服务器与电脑之间的光纤通信在强雷电过程之中都能保持正常，说明光纤传输可以在很大程度上保障通信安全与稳定，因此将所有存在隐患的通信线传输都用光纤替换。

2)供电方式。目前，观测站内仪器仍主要由市电供电。市电接入后，经过配电柜转换为12 V直流电供温度、湿度等观测设备用电；而日照、天脸、降水现象仪是新增设备，与配电柜内市电直接相连，同时设备自身安装有锂电池，即使市电断电，也可以通过自身的电池供电进行数据采集。而设备之间的市电供电线路在强雷电过程中是存在较大风险的，特别容易造成感应雷击。因此，可以在强雷电过程中将市电供电切断，以锂电池供电直接替代，取消电路传输，从而大大减小电路通讯造成的雷击可能。

对于供电方式的切换，可以采用近端控制或云端远程自动控制两种方式。近端控制即通过人工操控开关实现电源的开启/断开，此种方式虽然简便，但需要人工现场操作，无法实现电源自动控制；云端远程控制技术是指由远端的控制中心发送控制指令，通过云端有线或无线通信方式传输给被控设备，以控制设备电源的开启/关断或调节电源输出等。同时，云端控制技术还可以根据设置好的雷电强度阈值，自动控制设备使用交流电和直流电，当闪电控制预警发出后，PC端自动远程控制自动气象站市电断电，采用锂电池供电。

3)完善乐平观测场的防雷措施。如在观测站的南、西南角增加1～2根避雷针，扩大直击雷保护的覆盖范围；在风塔中段增接引下线与地网直接相连，在一定程度上减少风向、风速传感器的雷击风险。

由此可见，变被动防雷为主动防雷是此次观测站防雷整改的主导思路与做法。首先将所有232/485、CAN+12 V或232+12 V的线路通信方式都换成光纤通信；其次在强雷电来临之前将市电供电转换成锂电池供电，破解线路供电风险；最后，为了实现在强雷电过程中采用锂电池供电，引进云端远程控制技术进行智能控制。

3 整改后的线路布局

图2为乐平市观测场防雷整改后的线路布局图，将地温、草温、浅层地温、能见度、温度、湿度、降水、称重雨量等观测仪器与主采集器之间的CAN或232线路改成光纤连接，并在这些仪器内安装锂电池；将主采集器与串口服务器之间的3芯232线路以及在日照、天脸识别、降水现象仪与串口服务器之间的232/485线路均改成光纤，并在机房加装智能控制系统。

图2 乐平观测场改造后的各仪器通信示意图

目前气象观测站均已实现无人值守，但乐平市观测场由于与业务办公大楼建设在一起，所以有值班员人工监测。在发布雷电预警前，既可以人工将仪器由市电供电转为锂电池供电，也可以启动智能控制系统。同时采用了加装避雷针、内外网接地、屏蔽和安装浪涌保护器、严格实行等电位连接等方法对观测场的各项防雷措施进行完善。

4 效果分析

乐平市气象观测站于2021-03-13—2021-03-15进行了防雷改造，改造完成后，经历了多个强雷电过程。在雷电来临前，观测员切断了仪器的市电供应，采用锂电池供电，经过多次强雷电袭击过程的检验，观测场的各项设备均运行正常，未出现设备雷击事故，有效改善了强雷电导致部分仪器设备损坏的现象。对2020-06-02雷击故障与改造后的2021-03-31二次强雷电过程的闪电定位资料进行对比得出，2次强雷电过程中，乐平观测站均受到密集的强雷电袭击，且改造后观测站遭受的正闪更多，即雷电的瞬时强度更强；表明乐平市观测场经过防雷改造后，观测场的仪器设备得到了有效保护，经受住了强雷电的考验。