鄧學軍,白 慧,李洪彪,潘 竑,楊再奎

(1.貴州省黔東南自治州氣象局防雷減災中心,貴州 凱里 556000;2.貴州省黔東南自治州氣象臺,貴州 凱里 556000)

一起雷擊事故成因分析

鄧學軍1,白 慧2,李洪彪1,潘 竑1,楊再奎1

(1.貴州省黔東南自治州氣象局防雷減災中心,貴州 凱里 556000;2.貴州省黔東南自治州氣象臺,貴州 凱里 556000)

通過對凱里·黃平機場氣象站 2010年 3月 23日凌晨雷擊事故發(fā)生時的天氣系統(tǒng)、雷達資料、閃電定位監(jiān)測資料和機場觀測場土壤墑情、機場氣象站地形地貌的分析,并結(jié)合雷擊事故現(xiàn)場勘察和該站雷電防護設(shè)施檢測結(jié)果分析,找出造成該站雷擊事故的原因,并提出對機場氣象站防雷設(shè)施的整改措施。

雷擊事故;成因分析

1 引言

地面自動氣象觀測站建設(shè)中對雷電防護要求非常嚴格,必須符合技術(shù)規(guī)范要求[1-4],因此,在一般情況下,地面自動氣象觀測站發(fā)生雷擊事故的概率非常小。氣象部門不少防雷工作者結(jié)合自已的實際工作,對雷電災害進行了大量的研究[5-7]。通常情況下,強雷電才容易造成災害。但凱里·黃平機場 (籌建中)地面自動氣象觀測站自建站以來,無論雷電強或弱,均多次遭遇雷擊事故。2010年 3月23日 04:00-04:30,凱里·黃平機場又遭受雷擊。由于該站不是氣象部門主管單位,黔東南州防雷減災中心技術(shù)人員應邀對雷擊災情進行調(diào)查,并對雷擊事故進行現(xiàn)場勘查和防雷設(shè)施的檢測。通過對這起雷擊事故原因的分析和研究,提出整改措施,對今后規(guī)范管理氣象部門和非氣象部門地面自動氣象觀測站雷電防護設(shè)施具有重要意義。

2 雷災事故概況

2010年 3月 23日凌晨 04:00-04:30,凱里 ·黃平機場氣象站自北向南出現(xiàn)雷雨天氣,05:00觀測時,值班觀測員發(fā)現(xiàn)該站自動氣象站數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)顯示無風向和風速數(shù)據(jù),初步判斷風向風速監(jiān)測設(shè)備是因雷擊出現(xiàn)故障。據(jù)技術(shù)人員現(xiàn)場勘查發(fā)現(xiàn),風向風速儀感應部分插線接口處有明顯過電壓起火痕跡,且測風桿避雷針導流管因雷擊劇烈膨脹或收縮而爆裂。更換風向風速儀感應器后,監(jiān)控系統(tǒng)正常顯示風向風速數(shù)據(jù),因而判定該地面自動氣象觀測站風向風速感應器因雷擊而損壞,造成風向風速資料記錄中斷。技術(shù)人員對該站防雷設(shè)施、接地體電阻和竄擾電壓進行檢查和測試,發(fā)現(xiàn)該站防雷設(shè)施完全不符合《氣象臺 (站)防雷技術(shù)規(guī)范》要求,是導致雷擊事故發(fā)生的直接原因。

3 事故原因分析

3.1 氣象因子分析

3.1.1 雷電災害影響系統(tǒng)分析 22日 20:00 500hPa圖上 (圖 1a),四川中部有高空槽發(fā)展東移,槽后有冷平流輸送,對應 700～850hPa川東有低渦切變,貴州上空偏南氣流增強,在兩廣和湖南一帶形成低空急流,貴州在急流左側(cè) (圖 1b)。500hPa高空槽東移南壓,將引導中低層低渦切變系統(tǒng)南壓影響貴州,同時,冷平流疊加在中低層暖濕平流之上,是典型的層結(jié)不穩(wěn)定溫度場配置,最容易產(chǎn)生對流天氣。22日 14:00地面圖上云貴地區(qū)受熱低壓影響,貴州北部有輻合線生成,冷鋒南壓到湖北南部;17:00輻合線南壓到省中部威寧—貴陽—黃平北部—玉屏一線,冷鋒進入湘北;20:00(圖 2a)輻合線在威寧—貴陽—黃平北部—天柱一線,冷鋒進入湘中,貴州東北部出現(xiàn)雷陣雨天氣,凱里·黃平機場位于黃平縣城東北部,恰好位于輻合線附近;23日 02:00輻合線基本維持少動,貴州中部以東以北沿輻合線附近地區(qū)出現(xiàn)雷陣雨天氣,05:00輻合線西段南壓到興義—貴陽南部—麻江—天柱一線,輻合線中東段地區(qū)有雷陣雨,冷鋒到達湘中偏南一帶;23日 08:00 500hPa槽已東移到貴州東部地區(qū),850hPa切變線南壓到貴州南部一線,地面熱低壓進一步減弱西退,冷鋒影響到貴州東部和東北部地區(qū),氣溫下降,能量釋放減弱,08:00觀測時貴州境內(nèi)無雷暴,降水為小雨,說明雷電天氣結(jié)束。

圖 1 2010年 3月 22日 20時 500hPa(a)和 850hPa(b)形勢場

3.1.2 能量條件分析 20—22日受熱低壓影響,貴州大部地區(qū)氣溫回升明顯,700～850hPa為強偏南暖濕氣流控制,能量積聚增大。據(jù)黃平地面自動氣象觀測站監(jiān)測,20～22日黃平日最高溫度均在25℃以上,22日為 26℃,說明大氣積蓄了充足的能量。從 K指數(shù)演變來看 (圖略),22日 20:00貴州東部和東北部地區(qū) K指數(shù)大于 32℃,有利于雷暴發(fā)生。從貴陽 22日 20:00探空資料可知 (圖 2b),大氣具有正不穩(wěn)定能量,且層結(jié)曲線呈“漏斗”狀,具有上干下濕特點,有利于對流天氣發(fā)生。

圖 2 2010年 3月 23日 02時地面形勢場 (a)和 22日 20時貴陽探空圖 (b)

3.1.3 雷達回波及閃電定位資料分析 貴州省雷達觀測資料顯示,23日 03:28在龍里北部—福泉西北部—黃平西部和黃平東北部—余慶東部—石阡西南部分別有兩條回波發(fā)展東南移,強中心在龍里北部,強度為 35～40dBz;兩條回波發(fā)展快速,04:02(圖略)兩回波向東南移動且合并增強,呈西南東北向帶狀貫穿龍里中部—貴定北部—福泉中部—黃平中部—施秉北部一線,強中心在貴定東北部,強度為 40～45dBz,黃平境內(nèi)回波強度僅為 15～30dBz,回波里有多個相對較強的對流單體,凱里·黃平機場附近有一個對流單體,強度為 25～30dBz;04:07,機場上空出現(xiàn)一個強度為 30～35dBz的對流單體,04:25對流單體移到機場東南部;04:36整條回波東南移到龍里南部—貴定中部—福泉南部—黃平南部—施秉中部一線,對機場的影響結(jié)束。根據(jù)閃電密度和定位資料記錄 (圖略),23日共監(jiān)測到黃平有閃電回擊 118次,全部為負回擊,其中最大負閃強度為 173.9kA,平均負閃強度為 40.0kA,雷電流強度分布 <20kA的閃電 1個,20～50kA的閃電101個,50～100kA的閃電 14個,100kA以上閃電的共 2個。機場氣象站上空出現(xiàn)雷電天氣,是凱里·黃平機場氣象站發(fā)生雷擊事故的導因。

3.1.4 土壤墑情及土壤電阻分析 土壤墑情與土壤電阻率關(guān)系密切,土壤電阻率隨土壤濕度、溫度、含水量、含鹽堿量、季節(jié)修正系數(shù)的不同而變化,而接地電阻大小與土壤電阻率直接相關(guān),土壤電阻率過高的直接原因是土壤缺乏自由離子的輔助導電作用,高溫干燥的天氣,土壤往往是松散的,土壤導電率很低,此時所測量出的接地電阻值就會比其它時候大得多[8]。凱里·黃平機場氣象站土壤以黃土為主,通常情況下土壤電阻率在 800～1 000Ω.m之間。據(jù)黃平氣象站觀測資料分析,黃平縣自 2009年 8月以來出現(xiàn)了歷史罕見的夏、秋、冬連續(xù)干旱,長時間沒有出現(xiàn)有效降水,土壤墑情極差。盡管 3月 23日凌晨黃平出現(xiàn)接近 30mm的降雨,但根據(jù)黔東南州氣象臺 3月 23日對黃平實地土壤墑情觀測結(jié)果可知,雨水滲透土壤深度僅 10cm,取土測試20cm深度單位土壤含水率在 10%以下,土壤含水率極低,直接影響了土壤導電率,阻礙接閃雷電電流的泄放,是造成此次雷擊事故發(fā)生的重要原因。

3.2 機場氣象站地形地貌分析

黃平位于黔東南州西北部,處在雹云或雷雨回波從龍里→貴定→福泉→黃平→施秉→鎮(zhèn)遠→岑鞏→玉屏西南東北向發(fā)展的路徑上[9],凱里·黃平機場氣象站位于黃平縣新州鎮(zhèn)東北部的東坡農(nóng)場,距離縣城約 17km,是上述路徑雹云或雷雨回波的必經(jīng)之路。機場氣象站海拔高度為 916.7m,地形地貌為南高北低,東、北、西三面為溝谷,觀測場與四周地形比較,為相對獨立制高點,且觀測場測風桿是觀測站最高接閃金屬導電體,增加了迎風接閃概率,導致雷電電流直接對測風桿上避雷針放電,避雷針在通過引下線對地泄流過程中,在避雷針泄流導體四周形成強大電磁場,處于該磁場中的微電子原件,因磁場感應產(chǎn)生電動勢,導致微電子原件因過電壓而損壞。

凸出的特殊地形地貌,加上機場氣象站位于貴州西南東北向雹云或雷雨回波發(fā)展通道上,這可能是凱里·黃平機場氣象站雷擊事故多發(fā)的重要原因。

3.3 雷電防護設(shè)施檢測分析

機場氣象站值班室、自動觀測站均安裝防直擊雷保護裝置,電源部分采取了 1級防雷電波入侵防護措施。雷擊現(xiàn)場設(shè)施接地電阻檢測結(jié)果為:值班室用房 (金屬板房)接地電阻 16Ω,值班室保護避雷針接地電阻 8.8Ω,自動站觀測場設(shè)備保護接地電阻8.5Ω,測風桿防直擊雷接地電阻 8.9Ω,觀測場金屬護欄接地電阻 8.9Ω,進入值班室電源 SPD電源保護器接地電阻為 42Ω,遠遠大于自動氣象站對接地電阻應≤2Ω的要求;自動站設(shè)備線路串擾電壓為16～19V,同樣遠遠超過串擾電壓≤2V的要求。以上數(shù)據(jù)表明,該自動氣象站防雷設(shè)施、保護接地電阻值和竄擾電壓均高于自動氣象觀測站對防雷接地、儀器保護接地電阻值和竄擾電壓值的要求值,致使高空雷暴云直接對自動站設(shè)備或風桿避雷針放電,形成導電通道,雷電電流不能及時泄入大地,在探測儀器或避雷針引下線 (導流管)四周形成極強的電磁場,而處于高磁場中的微電子元件因磁感應產(chǎn)生高電位,與之所連接的導線形成電位差,當電位差超出微電子元件承受能力時,造成微電子元件損壞。雷電防護裝置不符合技術(shù)規(guī)范要求,是造成凱里·黃平機場氣象站多次遭受雷擊的直接原因。

4 小結(jié)

為避免和減輕因雷電活動給該氣象站再造成損失,保護工作人員生命和國家財產(chǎn)安全,切實有效做好雷電防護工作,經(jīng)討論研究,對凱里·黃平機場氣象站雷電防護措施提出以下整改措施:

①在觀測場東北角和西北角距離觀測場圍欄3m處增加兩支獨立避雷針,使測風桿處于獨立避雷針保護范圍內(nèi),發(fā)揮避雷針引雷作用,避免雷電對測風桿及觀測場內(nèi)儀器直接放電。

②改良接地體接地效果,使自動氣象站儀器保護接地電阻達到 <2Ω的要求。

③進入室內(nèi)電源設(shè)置 3級 SPD保護措施,SPD接地電阻應≤4Ω;進入室內(nèi)電源戶外 30m采用埋地屏蔽處理。

④定期對自動站保護接地電阻進行檢測,隨時掌握接地體接地電阻的變化,當接地電阻達不到規(guī)范要求時,應及時予以整改。當接地電阻超出儀器設(shè)備要求,暫時不能整改時,為保證設(shè)備安全,應采用應急措施,即當雷雨天氣來臨時,切斷所有電源、切斷室內(nèi)監(jiān)控與室外數(shù)據(jù)采集器線路。

⑤為確保室內(nèi)工作人員和設(shè)備安全,對值班室金屬板房保護接地體進行整改,使其接地電阻<10Ω。

⑥由雷達回波分析可知,導致凱里·黃平機場氣象站雷電災害發(fā)生的回波從強度上來看,強度僅在 30～35dBz之間,為一般的陣雨或雷雨回波,說明在特定的條件下,弱強度回波雷暴也可能造成雷擊事故的發(fā)生,在實際工作中值得探討分析,避免弱強度回波雷電造成災害損失。

[1] 中華人民共和國氣象行業(yè)標準《氣象臺 (站)防雷技術(shù)規(guī)范》.QX4-2000.

[2] GB50343-2004.建筑物電子信息防雷設(shè)計規(guī)范[S].

[3] GB5007-94.建筑物防雷設(shè)計規(guī)范[S].

[4] GB2887-2000.電磁兼容設(shè)計[S].

[5] 戴世昆,晏敏 .自動氣象站的雷電防護措施[J].廣西氣象,2005,28(3):16-17.

[6] 譚清波,劉朝英,劉詩韜 .羅甸“7.14”雷災事故分析和防護對策[J].貴州氣象,2008,32(6):39-40.

[7] 陳磊 .山區(qū)孤立建筑物防雷系統(tǒng)技術(shù)探討[J].貴州氣象,2008,32(6):37-38.

[8] 淺析土壤墑情與接地電阻檢測 .第五屆中國國際防雷論壇,2006.

[9] 貴州省短期天氣預報指導手冊 .貴州省氣象局,1987,324-325.

T M862

B

1003-6598(2010)06-0045-03

2010-06-08

鄧學軍 (1969-),男,工程師,主要從事防雷管理和技術(shù)服務(wù)工作。