政和观测场两次雷击事故分析与改造

沈文辉 饶金平 杨信斌

摘要 分析福建省政和县2019年与2020年地面观测场两次雷击事故，寻找雷击入侵观测场的主要途径和雷击造成观测场设备损坏的主要原因，通过完善供电系统三级SPD防护、信号屏蔽、入户电源线落地改造、观测场等电位连接、观测场接地改造等措施，加强和改善观测场的雷电防护系统建设，有效避免雷击对气象观测业务产生的不利影响。

关键词 观测场;分析;雷击事故;改造

中图分类号：P441 文献标识码：B 文章编号：2095–3305（2021）07–0115–02

随着气象科技的不断发展，为满足“监测精密、预报准确、服务精细”的新时代气象要求，越来越多的气象智能仪器被安装在地面气象观测站作为气象数据收集的基础核心，气象智能仪器的正常运转可有效保障气象数据[1]。每年强对流天气带来的强雷击导致观测场的设备出现大量故障，极大地影响了气象数据的准确性和及时性[2]。分析福建省政和县两次雷击事故的原因和改进措施，为基层气象观测场防雷提供一定的参考和借鉴。

1 政和气象观测场的基本情况

政和国家气象观测站位于27°22' 36" N、118°49' 29" E，海拔262.4 m。台

站四面环山，年平均雷暴日数达69 d，每年3—9月是雷暴高发期。该站于2014年1月1日投入使用，目前拥有2套DZZ5型自动站运行（主站为A站，备份站为B站）。随着时间的推移，受当时防雷设计局限性和部分防雷设施开始老化等因素的影响，观测场的整体防雷性能有所下降。同时，近几年大量新的仪器布设在观测场，在安装过程中缺乏专业人员的指导，设备防雷措施存在隐患，且这些智能仪器的灵敏性极高，对外界电磁干扰非常敏感，故设备出现故障的概率也越来越高。

2 雷击观测场的主要方式

2.1 直击雷

闪电直接击中观测场的避雷塔、值班室的接闪器和周边的架空电缆，然后雷电波沿着接闪器或架空电缆进入观测场，直击雷在观测场附近进入地网时，如果地网的接地电阻不符合防雷要求（一般≤4 Ω），就会导致出现地电位反击的现象。同时发生直击雷现象时，如果观测场的电源SPD防护等级安装不到位，雷电波就会沿着电缆线进入观测场影响设备运行。

2.2 感应雷

观测场周边有雷击时会产生雷电静电感应或电磁感应，通过供电系统或信号线入侵观测场，此时如果观测场设备接地不符合要求，或金属设备未做等电位连接，或信号线缆没有屏蔽接地措施，感应雷会对观测场的设备产生不良影响。相比直击雷产生事故概率，感应雷造成自动站设备出现损坏的情况要比直击雷多。

3 两次雷击事故分析与改造

3.1 第一次雷击事故分析与改造

3.1.1 事故原因分析 受冷暖气流共同影响，2019年6月21日政和县遭受一次强对流天气，21：12政和国家气象观测站双套自动站遭受强雷击，导致双套站21日21：12～22日03：05的数据全部缺失，主站采集器主板和前向散射能见度仪以及备站的电池被雷击毁，影响了气象数据传输的及时性和可利用性。

事后调查人员经过现场勘查发现，雷击是直接击中观测场的值班室周边5 m左右的电线杆上，雷电波通过电源线直接进入到观测场的总配电箱（采用TN-S接线），里面的二级SPD直接被雷电波融化烧毁，进而侵入观测场机房直接将控制UPS的空开击穿，最后侵入观测场将仪器设备击毁。此次雷击事故反映了政和观测场防雷的设计不符合规范要求：

（1）根据《建筑物防雷设计规范》GB 50057—2010中第4.2.3规定：架空线与建筑物的距离不应小于15 m，并且架空电线入户处应使用一段金属铠装电缆或护套电缆穿钢管直接埋地引入。

（2）总配电箱的SPD等级不符合要求，在低压电源线路引入的总配电箱或者配电柜应装设I级试验的电涌保护器，这导致了机房虽安装了合格的SPD，但强雷电波还是将控制UPS的空开击穿。

（3）总配电箱中SPD接入接地排的接地线都是采用截面积2.5 mm2的铜芯缆线，这不符合规范要求（最小不应小于截面积6 mm2）。这些的防雷隐患最终导致本次雷击事故的发生，严重影响了台站观测数据考核情况。

3.1.2 改造思路 早期设计的不规范导致了本次直击雷事故的发生。改造思路：

（1）安排电力公司的员工将靠近观测场5 m处的电线杆移走，通过公式l》2√ρ（l：表示埋地长度，ρ：表示埋线缆处的土壤电阻率），测量出p值≈100 Ωm，得出埋地长度≥20 m，考虑到更加安全的距离，将埋地距离确定为25 m。

（2）为消除电磁感应，埋地线缆进行穿鋼管处理，钢管两端与观测场的接地网连接，焊接地方采用涂漆处理，将订购的I级试验的电涌保护器安装在观测场总配电箱处，SPD最大放电电流为120 KA（8/20），观测场值班室安装II级试验的电涌保护器，SPD标称电流为40 KA，最大放电电流为80 KA（8/20）。

（3）在机房安装第三级电涌保护器，SPD标称电流为20 KA，最大放电电流为40 KA（8/20），配电箱中连接SPD的接地线全部采用截面积16 mm2的铜芯缆线。

3.2 第二次雷击事故分析与改造

3.2.1 事故原因分析 2020年6月3日17：10，政和观测场遭受雷击影响，政和B站数据全部缺测，值班人员认真排查故障，发现B站的串口服务器运行灯不亮，并通过多次重启无效，判断串口服务器已损坏。此次雷击导致B站数据缺测了将近6 h，政和主站（A站）未受到此次雷击的影响，但是B站正常运行传输是汛期自动站运行保障并不可少的环节之一。

事后通过现场勘查发现，此次雷击是击中离观测场1 km左右的政和七星塔周边，其强大的电磁感应对观测场的设备产生了影响。政和B站于2019年建设完成，安装B站时缺乏厂家的现场指导，很多设备的金属外壳未进行等电位连接，电磁感应使金属设备外壳带电，导致敏感元器件被击穿，这是B站的串口服务器被损坏的重要原因。另外，部分气象观测设备虽然进行了防雷保护接地，但是防雷保护线过长（规范要求在0.5 m左右），最后调查人员打开观测场地槽时，发现接地装置采用的是40 mm×4 mm扁铁，部分扁铁已经生锈，特别是焊接处已经出现脱落的情况，这些防雷安全隐患极大影响了整个观测场的接地效果，最终导致此次事故的发生[3]。

3.2.2 改造思路 2020年9月底，政和县气象局组织人员替换了观测场地槽的接地装置，采用40 mm×4 mm扁铜环绕整个观测场地槽，因铜的导电性能比铁的导电好且不容易生锈，故选择扁铜作为接地材料。为了保证观测场仪器设备接地良好，工作人员在每一个焊接处都进行喷漆防锈处理。接着工作人员对观测场的设备进行等电位连接，主要针对未连接好的新设备和之前设备等电位，特别是前向散射能见度仪、日照传感器和降水现象仪等智能仪器，等电位连接线的长度严格控制在0.5 m以內，连接材料都采用16 mm2铜芯缆线。10月底改造完成后，台站安排防雷检测公司人员对观测场的防雷接地和仪器设备进行检测，检测结果显示政和观测场防雷接地和等电位连接符合防雷规范要求[4]。

4 结束语

做好观测场设备的雷电防护是保障气象观测数据稳定运行的关键。每年汛期前，每个台站应抽调人手组成防雷安全检查小组，加强对观测设备的巡查，及时发现存在的防雷隐患并加以整改，同时加强单位业务人员对防雷相关知识的学习和设备安装过程中涉及防雷装置的培训，降低气象观测设备遭受雷电灾害造成的损失。

由于雷电的不确定性，台站日常工作应加强应急流程的建设，熟练掌握2套自动站与备份计算机的切换，确保气象自动站被雷击时能最快恢复运行，最大限度地减少气象观测数据缺失情况的发生。同时，台站要加强每日数据备份管理，虽然自动站的CF卡能存储1个月左右的数据，但为防止雷击损坏自动站而造成的数据丢失，业务人员要把日常数据备份作为必要开展的工作，尽可能消除影响观测数据不利的情况。

参考文献

[1] 李进，阮志文.地面气象观测站场室防雷改造[J].气象水文海洋仪器，2013（3）： 70-74.

[2] 陈阳，章文鑫.新型自动气象站雷电灾害的原因分析及雷电防护[J].电子测试，2019（16）：79-80.

[3] 王晓红，陈蓉，李蕾，等.新型自动站的一次雷击故障判别与应用体会[J].南方农业，2016，10（21）：215.

[4] 黄仁立，韦华红.新型自动气象站雷电防护技术探讨[J].气象研究与应用， 2016（2）：106-109.

责任编辑：黄艳飞

Analysis and Reconstruction of Two Lightning Accidents in Zhenghe Observation Field

SHEN Wen-hui et al（Zhenghe County Meteorological Bureau of Fujian Province， Zhenghe， Fujian 353600）

Abstract The analysis of two lightning accidents in Zhenghe ground observation field in 2019 and 2020， the main ways of lightning invasion and the main causes of equipment damage in the observation field are found out. By improving the three-level SPD protection of power supply system， signal shielding and the landing transformation of household power line， equipotential connection and grounding transformation of the observation field， etc， The lightning protection system of the observation field is strengthened and improved to effectively avoid the adverse impact of lightning on meteorological observation business.

Key words Observation field; Analysis; Lightning accidents; Reconstruction