区域自动气象站雷电防护研究

田春生

摘要 在现代社会中，气象观测对各行各业都有重要影响，自动气象站也在气象观测中挥着越来越重要的作用。然而，由于其设备构造和位置的特殊性，自动气象站易受雷击，从而影响气象数据的准确性和稳定性。基于此，分析了内蒙古地区雷电灾害，探讨了自动气象站设备的雷电入侵途径，并从设备结构与引雷保护、内部电子设备的防雷设计、维护与定期检测、人员培训和防雷意识增强，以及雷电监测系统的应用4个角度提出了提高自动气象站防雷能力的建议。

关键词 自动气象站；雷电防护；气象数据

中图分类号：P415.12 文献标识码：B 文章编号：2095–3305（2023）09–0-03

作为一种自然灾害，雷电灾害经常对区域自动气象站造成严重的影响。在雷电活跃的地区，自动气象站不仅需要具备高精度的数据采集功能，还必须具备强大的雷电防护能力，以确保设备的稳定性和数据的可靠性。针对内蒙古地区的雷电灾害特点，研究自动气象站设备可能遭受的不同雷电入侵途径，并探讨相应的防护策略，为区域自动气象站的雷电防护提供有益的参考。

1 内蒙古地区雷电灾害

雷电是一种短暂的闪电和雷鸣的天气现象，常伴随着电磁脉冲、电流冲击等现象。内蒙古地区以其广袤的草原和特殊的气候条件而闻名，形成了适合雷电发生的环境，使得该地区经常受到雷电灾害的威胁。广阔的草原为雷电提供了充足的放电路径，多变的天气条件使得雷电活动更加活跃。该地区雷电灾害具有发生频率高、强度大、分布范围广的特点，不仅威胁着人类的生命安全，还会损坏当地的各类设备和基础设施。

作为关键的气象数据采集工具，自动气象站在气象观测和预测中扮演着不可或缺的角色。然而，恶劣的雷电条件对其正常运行和数据采集提出了巨大挑战。雷电不仅能直接影响设备的稳定性，还可能导致数据的丢失或失真。在雷电的频繁威胁下，相关部门必须采取有效的防护措施，以确保自动气象站不仅能够在极端天气中正常运行，还能够提供高质量的气象数据，以支持气象预测和灾害防范工作。

2 自动气象站设备的雷电入侵途径

2.1 直接雷击

自动气象站是收集和传递气象信息的关键观测装置，常被安装在露天环境中。然而，其较高的位置和独特的构造特点使其成为雷电的易感目标[1]。

在雷电活动期间，当大气中的正负电荷分布不均，形成电场差，以及地面上的物体和建筑物具有不同的电位时，电荷之间的电压差可能会达到极高的程度。当电压差超过空气绝缘能力时，就会形成闪电放电。这样的闪电放电可能直接击中自动气象站，尤其是因处于开放区域且相对突出位置的自动气象站。一旦闪电直接击中自动气象站，雷电电流会沿着设备内部的导电路径传递，导致设备内部电子元件和电路受到电流的冲击和破坏[2]。电流的高能量特性可能引发设备故障，甚至彻底损坏设备，影响气象数据的采集和传输。

2.2 感应雷击

感应雷击是指自动气象站并未遭受直接雷击，其设备内的电子元件仍可能因附近闪电放电所产生的电磁辐射而受到影响。当雷电放电产生时，会在空气中产生电磁辐射波，这些波能够在一定距离范围内传播。当这些电磁辐射波接触到自动气象站内的电子元件时，会在元件内产生感应电流[3]。这些感应电流可能会导致设备内部元件的电压迅速升高，超出设备的工作范围，进而引发故障甚至永久性损害。电子元件内部的微小结构和电路也可能因此受损，影响设备的性能和数据的准确性。

自动气象站作为现代气象观测的重要设备，其稳定性和准确性对气象数据的获取至关重要。在雷电活动频繁的地区，尤其需要重视感应雷击的影响。通过合理的设备设计和防护措施，减轻感应雷击对自动气象站的影响，提高设备的稳定性和可靠性，保障气象数据的准确采集。

2.3 电气连接通路

自动气象站包括众多电气连接通路，如电缆、线路等，雷电电流可以通过这些通路入侵设备内部，引发故障或损坏，从而影响设备的性能和数据采集。

在雷电活动期间，大气中形成的强大电场和电流不仅可能通过空气传导，还可以通过电气连接通路进行传输。电缆和线路等导体可能充当雷电电流的传输路径，将雷电的能量引导至设备内部[4]。在这种情况下，雷电电流会在电气连接通路中传递，导致通路内部产生过高的电压，损坏通路内的电子元件和设备。

此外，电气连接通路在雷电活动中还可能产生电磁感应。当雷电在附近放电时，会产生强烈的电磁场。这个电磁场能够穿透导体，包括电缆和线路，产生感应电流。这些感应电流可能在电气连接通路内产生干扰，影响设备的正常工作。例如：感应电流可能在信号传输中引起干扰，造成数据传输错误或丢失。

2.4 引雷保护不足

自动气象站的稳定运行与气象数据的准确采集密切相关，而雷电的威胁往往会影响其性能。若自动气象站周围没有足够有效的引雷保护系统，会导致雷电放电无法被引导至地面，设备受雷击的风险增加。

接闪针、接闪网等雷电防护装置的缺乏或不合理设置，可能使雷电直接影响设备，带来不可忽视的损害和风险[5]。雷电防护系统的作用在于将雷电放电的能量引导至安全的地面，从而减轻雷电对设备和人身的影响。然而，如果自动气象站周围缺乏避雷设施，雷电在产生时可能会直接击中设备，导致設备受损甚至无法正常工作。

接闪针是一种常见的雷电防护装置，它能够有效地吸引雷电放电，将其引导至地下，避免对设备造成直接影响。接闪网则可以在更大范围内分散雷电电荷，降低雷电放电的概率[6]。然而，若雷电防护装置的设置不合理，如位置不当或数量不足，仍会导致雷电在设备附近产生放电，危害设备的安全和性能。

3 提高自动气象站防雷能力的措施

3.1 设备结构与引雷保护的改进

在确保自动气象站正常运行的同时，提高其防雷能力尤为重要。为了实现这一目标，相关部门可以从设备结构与引雷保护方面进行改进，以有效减少雷电对设备的威胁。自动气象站的布置和构造会直接影响其受雷击的风险。将更高效的雷电防护系统纳入设备结构，是提高防雷能力的关键。

首先，合理布置接闪针、接闪网等设施，能够明显地降低雷电直接击中设备的概率。作为主要的引雷装置，接闪针可以有效吸引雷电，将其引导至地下，从而避免雷电对设备产生直接影响。接闪网则可以在更大范围内分散雷电电荷，降低雷电放电的可能性。

其次，为了实现更高效的引雷保护，相关部门需要根据自动气象站所处的站点特点进行个性化设置。地理环境、气象条件等因素都会影响雷电的频率和分布，在设置雷电防护装置时，应综合考虑这些因素，将接闪针和接闪网等装置精准地安置在最有可能遭受雷击的位置。这种定制化的引雷保护系统可以最大限度地降低雷电风险，保障自动气象站的安全运行。

最后，在自动气象站的建设和维护过程中，相关部门还应充分考虑周边环境的变化。如果周围建筑物、植被等发生变化，可能会影响雷电的传播路径，从而影响引雷保护的效果。因此，定期检查雷电防护装置的工作状态，并根据需要进行调整和维修，是确保防雷持续有效的重要措施。

3.2 内部电子设备的防雷设计

自动气象站内部的电子设备对雷电电磁场的敏感性使其易受雷击影响。为了提高设备的防雷能力，应从内部电子设备的角度进行防雷设计，采取一系列措施减轻雷电对设备的不良影响。

首先，电磁屏蔽技术的应用。自动气象站内的电子元件容易受到外界电磁辐射的影响，而合适的电磁屏蔽材料和构造能够有效隔绝外界电磁波，减少其对设备内部电子元件的干扰。通过在关键元件周围设置电磁屏蔽，可以有效减少感应电流的产生，从而降低雷电引发故障的风险[7]。

其次，适当的电气接地保护。通过良好的接地设计，可以将雷电电流迅速引导至地面，从而减轻其对设备的影响。合适的接地系统能够有效减少设备内部电压的变化，防止电子元件因电压过高而损坏。在进行电气接地时，相关部门需要确保接地系统的质量和稳定性，应该选择合适的接地材料和连接方式，保障电流迅速流向地面，而不产生危险的电位差。此外，定期检查和维护接地系统，确保其畅通无阻，也是防雷措施的重要一环。

最后，综合设计与实施。防雷设计应综合考虑电子元件的布局、连接和防护。从电路设计的角度，可以采用抑制电磁干扰的电路方案，减轻外界电磁辐射的影响。此外，选择抗击电流冲击的元件，以增强设备的耐雷击性[8]。

3.3 维护与定期检测

设备的防雷能力不仅仅依赖于初期的设计和建设，定期的维护与检测也至关重要。加强设备的维护和定期检测，能够保证防雷系统的稳定性和可靠性，从而有效防止雷电对设备造成影响。

第一，定期检查避雷系统的工作状态。雷电防护系统是自动气象站防雷能力的核心。定期检查接闪针、接闪网等设施是否正常工作，是否受损或堵塞；接闪针是否正常垂直于地面，接闪网是否完好并能够有效分散雷电电荷，这些都会直接影响雷电防护系统的性能。如有异常情况，应及时进行修复和替换，以确保雷电防护系统能够持续有效地引导雷电[9]。

第二，检测电气连接的完好性。设备内部的电气连接通路在防雷能力中起著重要作用。不合格的电气连接可能导致雷电电流无法迅速引导至地面，增加设备受雷击的风险。定期检测电缆、线路等连接是否完好，是否存在断裂、松动等情况，及时发现问题并进行修复，保证设备的防雷功能正常发挥。

第三，定期维护电气接地系统。定期维护接地系统，保障接地材料和连接处的质量，以确保电流能够迅速流向地面。检查接地材料是否腐蚀、损坏或松动，如果有问题，及时进行修复。同时，定期测量接地电阻，确保其在合理范围内，保障接地系统的有效性[10]。

第四，建立维护记录和预警机制。建立维护记录和预警机制，追踪设备的维护情况和状态变化。一旦发现问题，可以迅速采取措施进行修复，防止问题进一步扩大。

3.4 人员培训和防雷意识增强

在提高自动气象站的防雷能力方面，通过增强工作人员的防雷意识，培训其了解防雷措施和应急处理程序，能够有效增强整个团队在雷电活动期间的安全防护能力。

第一，增强防雷意识。工作人员应该充分认识到雷电对自动气象站造成的潜在危害。理解雷电的基本特点和影响，可以帮助他们更好地识别雷电威胁，及时采取措施保护设备。通过定期的安全培训和教育，让工作人员了解雷电相关知识，增强防雷意识，从而减少因雷电引发的安全风险[11]。

第二，培训防雷措施和应急处理程序。工作人员需要清楚了解自动气象站的防雷措施和应急处理程序。培训内容应包括雷电防护装置的使用方法、雷电防护系统的工作原理，以及雷电来临时需要采取的紧急措施，如暂时关闭设备、远离高处等。掌握这些知识和技能，能够在雷电活动期间迅速采取行动，保护设备和自身安全。

第三，制定安全操作规程。制定明确的安全操作规程是提高防雷能力的重要步骤。这些规程包括在雷电来临时的行为准则、设备关闭程序等。工作人员应该熟悉并严格遵守这些规程，以降低雷电带来的潜在风险[12]。

第四，定期演练和实践。定期进行防雷演练和实践，工作人员能够在紧急情况下迅速反应，实际操作避雷设施，熟悉应急处理流程，提高应对能力。

3.5 雷电监测系统的应用

引入雷电监测系统是提高自动气象站防雷能力的创新措施。这一系统能够为设备提供及时的雷电活动信息，帮助预测雷电风险并在可能的雷电事件发生前采取适当预防措施[13]。这一应用不仅有助于保护自动气象站免受雷电影响，还能增强数据采集的稳定性和可靠性。

雷电监测系统能够实时监测和记录周围地区的雷电活动情况，包括雷电频率、位置和强度等。通过实时获取这些信息，自动气象站可以更准确地评估周围雷电风险，为后续防护措施的制定提供基础数据。

基于雷电监测数据，可以预测雷电活动的趋势和可能发生的时间。一旦监测到雷电风险逐渐升高，自动气象站可以采取预防措施，如暂时关闭设备、断开电源、远离高处等。这些措施可以在雷电来临前充分准备，最大限度地保护设备和人员的安全。

雷電活动可能导致设备故障或数据采集中断，进而影响气象数据的准确性。通过应用雷电监测系统，自动气象站可以根据雷电风险情况调整工作模式，暂停数据采集等操作，以避免雷电活动对数据采集产生干扰，保证数据采集的稳定性和可靠性[14]。

4 结束语

通过分析内蒙古地区雷电的形成和特点，揭示了自动气象站易受雷击的原因。在现有防雷措施的基础上，提出了进一步提高防雷能力的建议。提高自动气象站的防雷能力，不仅可以保障气象观测的准确性和稳定性，还能延长设备的使用寿命，为气象观测提供宝贵的气象数据。

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Research on Lightning Protection for Regional Automatic Meteorological Stations

Tian Chun-sheng （Meteorological Bureau of Alxa League， Inner Mongolia Autonomous Region， Alxa League， Inner Mongolia 750300）

Abstract In modern society， meteorological observation has a significant impact on various industries， and automatic weather stations are also playing an increasingly important role in meteorological observation. However， due to the unique structure and location of its equipment， automatic weather stations are susceptible to lightning strikes， which affects the accuracy and stability of meteorological data. Based on this， the characteristics of lightning disasters in Inner Mongolia were analyzed， and the lightning intrusion pathways of automatic weather station equipment were explored. Suggestions were proposed to improve the lightning protection ability of automatic weather stations from four perspectives： equipment structure and lightning protection， lightning protection design of internal electronic equipment， maintenance and regular testing， personnel training and awareness enhancement， and the application of lightning monitoring systems.

Key words Automatic weather station; Lightning protection; Meteorological Data