皖南山区地面气象观测站(室)雷电灾害原因分析及防护对策

王业斌， 李金奎， 王 皓， 董平安， 朱 浩

(1.安徽省气象灾害防御技术中心，合肥 230061； 2.池州市气象局，安徽 池州 247000； 3.淮北市气象局，安徽 淮北 235037)

引 言

气象观测作为现代气象工作的基础，近年来发展十分迅速。为实现精细化的气象观测和预报工作，气象观测站点的分布密度越来越大，观测设备的自动化水平也越来越高。地面气象观测站(室)一般由观测场和值班室组成，受工作和选址条件的要求，通常建在地势空旷和相对孤立的野外地区，加之多采用传感器、气象数据采集器等微电子设备，以及复杂电气系统的使用，对雷电环境具有很高的敏感性。据统计，雷电是造成地面气象观测站(室)损失最严重的气象灾害。近年来，我国各地区的多个气象观测站(室)遭受雷击，很多学者通过分析雷电灾害发生的原因，给出了山区和高原地区气象观测站(室)雷电防护的对策和完善措施[1-4]。安徽省地处我国中部地区，中北部多为平原和丘陵地形，南部以山区为主，雷暴和闪电活动十分频繁。皖南山区受地形地貌影响，局地气候特征明显，雷电活动规律较其他地区更为明显[5-6]。王凯等[7]利用安徽省ADTD闪电定位数据对比分析了安徽省和皖南山区地闪的发生频次、强度、时间及空间等分布特征，发现皖南山区地闪密度平均值要明显高于其他地区的，但山区的地闪强度要略小。近年来，建设在皖南山区的潜山、太湖、东至等地区的多个地面气象观测站(室)共遭受7次雷电灾害，不仅导致数据采集、传输设备损坏，观测系统工作中断和数据传输终止，还造成严重的经济损失。2020年3月22日，东至地面气象观测站实景观测摄像头、主站主采集器、主站温湿分采、备份站主采集器、监控专用路由器、监控专用无线传输设备、值班室(业务用房)内路由器和观测专用计算机显卡遭雷击损坏，损失高达10万元。本文以地处皖南山区、遭受雷电灾害的国家气象观测站(室)为主要研究对象，通过研究其周边的雷电环境和参数特征，并结合灾害调查结果，分析雷电灾害发生的原因，提出防御对策，以期为山区地面气象观测站(室)的雷电防护工作提供思路和参考。

1 资料来源和研究对象说明

本文采用的闪电定位数据来源于安徽省ADTD闪电定位系统2010—2019年的观测资料。安徽省ADTD 闪电定位系统共布设7个站，于2010年起投入使用，系统组网后经过多年的运行和观测，具有较高的定位精度和探测效率[6]。该系统能提供闪电发生的时间、经纬度、雷电流强度、陡度、闪电发生区域等多项参数。气象观测站(室)的经纬度、海拔数据来自台站沿革资料。土壤电阻率和接地电阻数据来自现场测量。

为分析皖南山区气象观测站(室)雷电灾害原因及研究防护对策，选取近年来有雷电灾害记录、地处皖南山区的国家气象站和气候站为研究对象，相关信息见表1。

表1 皖南山区的台站主要信息

2 皖南山区地面气象观测站(室)雷电环境分析

利用安徽省2010-2019年ADTD闪电定位数据，选择覆盖研究区域(30.05°-30.80°N，116.25°-118.20°E)的闪电样本进行统计，并对闪电定位数据进行质量控制。由于闪电定位系统易将云闪误探为地闪，即出现“小幅值电流强度”地闪，需将其剔除。目前，国内外很多学者对闪电定位数据质量控制需剔除的雷电流幅值区间进行了研究，但尚未形成统一的规范。程辉等[8]推荐删除1 kA以下的地闪，陈家宏等[9]在实际应用中剔除了雷电流幅值在2 kA以下的地闪，李家启[10]和李京校[11]等分别选择0～5 kA和0～10 kA作为剔除区间。程向阳等[12]利用IEEE工作组文件《IEEE Guide for Improving the Lightning Performance of Transmission Lines》(IEEE Std—1997)中推荐的方法，剔除了安徽地区雷电流幅值0～2 kA后进行雷电易发区等级划分，效果较好。因此，结合IEEE工作组文件要求及陈家宏、程向阳等学者的研究结论，本次研究剔除雷电流幅值0～2 kA的闪电样本共23个。统计经质量控制后的闪电数据表明，研究区域2010-2019年共发生闪电332169次，其中负地闪320122次，正地闪12047次，正地闪占总闪的比例为3.63%。

2.1 地闪密度分布

以1 km×1 km为空间网格尺寸，利用克里金插值法对研究区域的地闪密度值进行统计计算，结果见图1。由图1可以看出，除东至国家气象站外，其他气象观测站(室)处的地闪密度均超过2次/(km2·a),其中海拔最高的黄山国家基准气候站地闪密度接近5次/(km2·a)，结果与众多学者的研究结论一致[13-14]。与气象观测站(室)周边10 km×10 km范围内的平均地闪密度值进行对比发现(表2)，除潜山和东至国家气象站外，其他气象观测站(室)年平均地闪密度均高于周边10 km×10 km范围内的平均值。相对于临近区域来说，气象观测站(室)往往位于地闪密度高值区，这可能与周边地势开阔及设置接闪杆有关。为适合气象观测环境要求，台站选址往往位于地势开阔处，处于雷电易发区[12]。同时，为实现直击雷防护设置的独立接闪杆在雷暴临近时会改变电场强度分布优先进行接闪[15]，增加了区域的落雷次数，使地闪密度比周围的相对大一些。

图1 皖南山区地面气象观测站(室)及周边区域地闪密度分布

表2 皖南山区地面气象观测站(室)及周边范围平均地闪密度

2.2 地闪强度分布

雷电流幅值是体现地闪强度的重要参数，雷电流幅值分布与地理、地质、土壤、气象等因素有密切的关系[16-17]。图2给出了研究区域位于不同雷电流幅值区间的闪电频数分布。可以看出，雷电流幅值主要集中于0～50 kA，位于20～30 kA区间的闪电占样本比例最多，超过100 kA的闪电占样本比例较小。区域出现的最大雷电流幅值为249.2 kA。

图2 皖南山区地面气象观测站(室)周边区域不同雷电流幅值区间的地闪频数分布

研究雷电流幅值的累积概率分布，可以对区域的雷电强度分布特征有整体认识，为防雷减灾工作提供科学依据[16]。根据统计，研究区域雷电流幅值的样本中值为31.79 kA, 99%的样本雷电流幅值低于61.03 kA。利用研究区域样本雷电流幅值统计值的累积概率分布与IEEE推荐的雷电流幅值累积概率密度分布公式

PI= 1/[1+ (I/31)2.6]

(1)

得到的曲线进行对比，结果见图3。可以看出，IEEE推荐公式的累积概率分布曲线相对于样本统计的要平缓，样本统计曲线的陡度更大。根据陈家宏等[9]对雷电流累积概率公式模型的研究结论，样本统计曲线下降更快，雷电流幅值更为集中。据此分析，尽管皖南山区闪电的样本中值略高于IEEE推荐值，但雷电流幅值接近于中值的样本数量更多，也反映出皖南山区地闪在强度较小的区间内集中程度更高。这与王凯[7]和程向阳[12]等皖南山区雷电流平均强度要低于平原地区雷电流平均强度和安徽地区山地丘陵地形发生强雷电的机会较少的研究结论相符。

图3 皖南山区地面气象观测站(室)周边区域雷电流幅值与IEEE推荐公式累积概率分布

通过分析区域的地闪密度和雷电流幅值特征可以看出，皖南山区地闪密度值较大，雷电流幅值分布较为集中。地面气象观测站(室)周边区域特殊的雷电环境孕育了灾害发生的致灾因子。

3 皖南山区地面气象观测站(室)雷击事故原因分析

按照国家标准《地面气象观测场(室)防雷技术规范》(GB/T 31162—2014)中4.2的规定，本次研究对象的气象观测场(室)的防雷等级均为一级。GB/T 31162—2014中6.1.3规定：防雷等级为一级的气象观测场(室)中观测场区域需架设独立接闪杆进行直击雷保护[18]，并与观测场、值班室采用共用接地系统(图4)。

由于观测场设置独立接闪杆，加之气象观测场(室)特殊的地理位置和海拔高度，致使气象观测场(室)成为周边临近区域的雷击多发点(2.1中地闪密度分布已验证)。根据现场调查和灾情统计，受灾对象主要为气象数据采集器、数据传输系统、观测值班室的UPS、路由器、计算机等电气和电子设备，尚无人员和其他生命体伤亡的记录。雷电致灾主要形式为雷击电磁脉冲和闪电感应，这与国内众多关于气象站雷击灾害的特征总结和分析的结果一致[4,19-20]，说明现阶段气象观测场(室)的直击雷防护措施已较为完善，防闪电电涌侵入和闪电感应的措施仍存在不足和隐患。根据现场调查和分析，灾害发生原因及雷电防护措施隐患点主要体现在以下几个方面。

图4 地面气象观测场(室)接地系统

(1)山区土壤深层多为岩石层结构。根据现场测量，地表3-5 m深度平均土壤电阻率约为2000 Ω·m，土壤电阻率值很高，不利于雷电流的泄放，且土壤电阻率的分布与闪电的发生具有一定的相关性[12]。当观测场直击雷防护系统中观测场和值班室采用共用接地装置后，在地网面积A无法满足公式[21]

(2)

时，其工频接地电阻值难以满足国家标准 《地面气象观测场(室)防雷技术规范》(GB/T 31162—2014)中不超过4 Ω的设计要求。根据设计图纸计算和现场测量，观测站地网面积一般不超过2800 m2，多个观测站接地装置的工频接地电阻值均超过30 Ω。

观测场的独立接闪杆接闪后，接地装置中产生的电位[18]为

(3)

式中，UR和UL分别为雷电流经过接地装置和引下线时产生的电阻电压降和电感电压降，单位长度电感L和接闪杆高度h分别取1.5 μH/m和10 m，雷电流波头时间取10 μs，接地系统的冲击接地电阻值按GB 50057—2010附录C中方法(接地体最长支线取10 m，工频接地电阻值取最大测量值56 Ω)所得换算结果19 Ω进行计算。当出现区域的雷电流幅值最大值、样本99%位和中值强度的雷击时，接地点附近会出现瞬间约为5100 kV、1251 kV和652 kV的高电位。观测场内的设备多为含有电子电路的敏感设备，耐冲击过电压水平低(耐冲击过电压额定值为1.5 kV，类别为Ⅰ类)。当观测场的各类电源和信号进线与接地装置等电位连接时，会因为与接地点间很高的雷击暂态过电压值遭受损坏，这与张再杰等[4]的研究结论一致。

(2)观测场区域发生雷击时，附近LPZ0区可能出现的磁场强度[18]为

H0=i0/2πsa

(4)

式中，i0为雷电流幅值，sa为雷击点和屏蔽空间的距离。

通过现场勘查发现，观测值班室一般只有建筑自身的钢筋栅格屏蔽措施，因此计算机、交换机和路由器等电子设备均位于LPZ1区。当周边区域出现雷击时，LPZ1区中可能出现的磁场强度[18]为

H1=H0/10SF/20

(5)

当出现区域的雷电流幅值最大值、样本99%位和中值强度的雷击时，在附近100 m处的LPZ0区和LPZ1区产生的磁场强度见表3。

表3 不同雷电流幅值在LPZ0区和LPZ1区产生的磁场强度

当环境的磁场强度超过191 A/m和5.57 A/m时，会造成计算机和微电子设备的永久损坏和误动作[22]。现阶段观测场、值班室等建筑物及附属设施在屏蔽措施有限的情况下，附近区域雷击磁场强度容易导致设备损坏和误动作。当值班室的电源和信号线路的屏蔽和综合布线措施达不到标准的技术要求时，雷电在区域线路中产生感应过电压极易造成设备损坏。观测场区域的电源和通信线路未采取屏蔽措施时，设备相当于处在LPZ0B区，数据采集器和传感器等微电子设备因无法承受雷电流瞬间产生的感应过电压而损坏，为主要的受灾特征。

(3)观测场区域安装的集成硬件控制器、主采集器、分采集器和传感器等多为生产厂家直接提供系统。经现场勘查，受供方产品要求和限制，部分端口自带信号SPD，而未安装信号SPD的采集器端口易遭雷击出故障。

(4)另根据现场勘查发现，值班室和观测场区域的低压配电线路通常只在总配电柜处安装SPD，在分配电盘和设备前端大都未安装SPD，导致总配电柜SPD因缺乏级间保护配合而过负荷损坏。

(5)由观测场区域进入值班室的部分视频监控和数据传输线路存在未穿屏蔽管埋地引入的现象。值班室电子和电气线路仍存在穿PVC管敷设、综合布线形成环路、信号线缆与电力电缆及其他管线的间距不满足最小间距要求等现象。

(6)由于使用年代已久，观测场部分仪器金属外壳接地处已出现锈蚀，经检测过渡电阻值已超过规范容许值0.2 Ω。

4 防护对策

通过对皖南山区气象观测场(室)雷电灾害事故的原因分析，结合GB 50057—2010和GB/T 31162—2014的技术要求，建议从以下方面完善雷电防护措施。

(1)当山区土壤结构导致共用接地系统接地电阻值难以满足规范要求时，宜采用外引接地、扩大接地网面积、增加接地模块、换土和使用降阻剂等方法降低接地电阻。

(2)为减少观测场区域接闪杆接闪后雷电流入地引起的电位反击，应适当加大接闪杆与观测场地网之间的距离，同时观测场接地网应预留多处接地端子以供观测设备接地。室外监控、路灯等设备独立接地时，应保证其接地装置与观测场地网之间形成有效的等电位连接。

(3)观测场设备的数据传输线应采取屏蔽措施，数据传输线均应穿金属桥架或者金属管并在首尾两端与电缆沟预留端子进行连接，每隔5～10 m连接一次。由观测场进入值班室的视频监控等线路应穿金属管埋地敷设，并在值班室入口处与接地装置进行等电位连接。

(4)观测场区域安装的集成硬件控制器、主采集器、分采集器和传感器端口处安装满足其传输性能要求的信号SPD。

(5)观测场和值班室的低压配电线路在总配电柜、UPS、分配电盘和(或)设备前端应安装适配的SPD，并注意能量配合。在总配电柜应安装Ⅰ级试验的SPD，Iimp应不小于12.5 kA，电压保护水平Up不大于2.5 kV；在分配电盘应安装Ⅱ级试验的SPD，In应不小于12.5 kA。被保护设备前端安装In不小于5 kA的SPD。

(6)完善值班室的屏蔽和等电位连接措施，可利用值班室建筑物钢筋混凝土结构中的金属构件构成格栅形的空间屏蔽。值班室应建立等电位连接网络，用30 mm× 3 mm 的铜带作为电位连接导体与建筑物接地装置进行不少于2处连接。值班室内电子系统所有外露导电物、信息设备、金属桥架、管道、机柜与等电位连接网络进行连接，连接线采用25 mm2多股铜芯线。进入值班室的电力和通信线缆均应穿金属管屏蔽后与等电位装置连接。

(7)山区特殊的气候和环境条件易造成防雷装置的锈蚀和老化，应按照GB/T 21431—2015的技术要求对防雷装置进行定期检测和维护，确保其运行的有效性。

5 结论与讨论

(1)本文基于通过质量控制的2010—2019年安徽省ADTD闪电定位数据，选取位于皖南山区有雷电灾害历史的国家气象观测站(室)为代表，分析所在区域的雷电环境及参数分布特征，发现皖南山区气象观测场(室)往往位于其周边区域的地闪密度高值区。研究区域的雷电流幅值主要集中于0～50 kA，幅值位于20～30 kA区间雷电流样本所占比例最大。雷电流幅值样本中值为31.79 kA，其累积概率分布曲线集中程度比IEEE推荐公式的更高。

(2)根据雷电灾害调查和现场勘测结果，结合气象观测场(室)的实际结构和防雷措施现状进行分析，发现受灾对象主要为气象观测仪器、数据传输设备和电子电气系统，致灾形式为雷击电磁脉冲和闪电感应。共用接地装置的接地电阻值过大、值班室和观测场电源线路和数据传输线路屏蔽措施不完善、低压配电系统SPD安装级别不够、部分数据采集端口缺少信号SPD保护、防雷装置老化失效为受灾主要原因。

(3)针对存在的隐患和不足，从降低共用接地装置的接地电阻、完善电力和通信线缆的屏蔽、值班室的屏蔽和等电位连接、加装SPD和定期检测维护防雷装置等措施给出建议，以期完善皖南山区气象观测场(室)的雷电防护技术，减少由雷电灾害造成的损失。

本文以皖南山区的地面气象观测站(室)为例，从雷电环境及防护措施两个方面分析了其遭受雷电灾害的原因，并给出针对性的解决措施。目前，历史上遭受雷灾的气象观测站(室)已按照防护对策进行整改完善，效果有待于在未来进一步检验。此外，本次研究主要考虑到山区特殊的雷电灾害致灾因子和孕灾环境，下一步将结合不同建设环境下的气象观测站(室)雷电防护工作的实际，进行更深层次的研究。