廖 芳，廖江璐

（1.江西信息應用職業(yè)技術學院，江西 南昌 330043;2.南昌市氣象局，江西 南昌 330043）

1 自動氣象站雷電災害的形成特征分析

1.1 從自動氣象站的構成要素特點，來分析雷電災害的形成

自動氣象站是一種利用電子技術手段進行氣象要素自動觀測的現(xiàn)代化觀測系統(tǒng)，它是由氣象要素傳感器、數據采集器、微機終端和電源等部分組成，是一種需要電力系統(tǒng)供電、來保持其正常工作的綜合性電子設備，主要完成氣象要素的數據采集、信號變換、傳輸、信息處理、存儲、發(fā)送等工作任務。

從自動氣象站的構成要素特點來分析，其雷電災害的形成具有以下特征:

（1）自動氣象站設備的敏感及脆弱極易遭受雷電感應的侵害。自動氣象站設備是由非常敏感的電子器件構成的電子信息系統(tǒng)，由于電子器件的抗電磁干擾能力、耐壓能力、抗沖擊電流能力薄弱，耐受能量的能力為毫焦耳級（mJ）、甚至更低（10-6～10-8焦耳J），而雷電每次釋放的能量在百兆焦耳（MJ）（見文獻[3]），與電子器件的耐受能量懸殊極大，因此當雷電到來時，強雷電感應電壓（可達幾十千伏-幾百萬伏）極易造成電子器件的擊穿、爆裂，印制電路板線路熔化、燒斷，造成自動氣象站設備系統(tǒng)的永久性損壞。

（2）錯綜復雜的線纜易傳播雷電感應過電壓和雷電電磁脈沖。自動氣象站設備的工作大多需要電力線路供電，同時，氣象要素的數據采集、傳輸、處理、發(fā)送，都需要多根信號線纜完成信號的收發(fā)，因而自動氣象站系統(tǒng)有一個較龐大且復雜的線纜布局。錯綜復雜的室內、室外線路電纜，極易將感應雷引入自動氣象站的設備系統(tǒng)，雷電的電磁感應，也會在電纜上誘發(fā)感應過電壓和過電流，使供電網線纜上的電壓高達100KV以上，電信電纜的電壓可達幾十KV以上，并沿著線纜四處傳播，對與線纜連接的設備、終端構成嚴重的危害。

1.2 從自動氣象站的安裝環(huán)境，來分析雷電災害的形成

為了準確地采集氣象信息，自動氣象站多建設在空曠、凸現(xiàn)的地理環(huán)境中，如圖1所示，氣象要素采集裝置 （包括氣象要素傳感器及數據采集器）暴露在無遮擋的凸顯狀態(tài)，特別是室外安置的測量風向、風速的風傳感器，其安裝的高度距自動氣象站地面高出1O～12m以上的位置，其高聳、孤立的狀態(tài)極易形成雷電的放電通道，造成氣象要素采集裝置（特別是風傳感器）遭受直擊雷的破壞。

圖1 自動氣象站的地理環(huán)境

1.3 從江西省的地域、氣候特點，來分析雷電災害的形成

江西省位于長江中游南岸贛江兩岸，地形以山地丘陵為主，其水域廣、山脈多、空氣濕潤的地域特征，極易形成雷暴天氣。根據資料統(tǒng)計，江西省的年平均雷暴日數為45.7～67.2天（見文獻[2]附錄D），其年平均落雷17萬至20萬個，屬高雷區(qū)。江西省雷電天氣多發(fā)的氣候特征，造成江西省自動氣象站更易發(fā)生雷擊事故和雷電災害。

2 自動氣象站雷電防護的應對措施

經過對江西省自動氣象站2007年-2011年五年來遭受雷擊的資料統(tǒng)計及現(xiàn)場查看，發(fā)現(xiàn)了江西省自動氣象站雷擊事故的一些規(guī)律及雷電防護中出現(xiàn)的問題，研究探討了一些自動氣象站雷電防護的應對措施。

2.1 設置獨立的風傳感器的接閃裝置

由于自動氣象站的風傳感器安裝在距觀測場地面10～12m以上的高度位置，處于高聳、孤立的狀態(tài)，是最容易收集雷電信號的部件，極易遭受直擊雷侵害。在一些氣象臺站，還存在著承載風傳感器的鐵塔與接閃桿支撐架共用或混合安裝的情況（如圖1所示），造成接閃桿直接將雷電引向風傳感器，風傳感器成為直擊雷首要入侵口，其遭受雷擊的可能性增大，雷電破壞程度更加嚴重。

根據防雷設計規(guī)范，為減小直擊雷對風傳感器的雷擊及破壞，在離風傳感器鐵塔的3m遠的地方，應裝設高于風傳感器最高位置的、獨立的接閃桿，并連接可靠的雷電流引下線、做好符合接地電阻要求（沖擊接地電阻）（參考文獻[1]第4.2.1條）的接地，使風傳感器處于獨立接閃桿的直擊雷防護區(qū)（LPZOB區(qū)）范圍內，減小直擊雷對風傳感器造成的雷擊事故。接閃桿的具體高度可按文獻[1]附錄D的滾球法進行設計計算。

2.2 增加直擊雷的接閃裝置范圍

自動氣象站分布在氣象觀測場地的各個角落，由于氣象觀測場地的面積較大，一個獨立的接閃桿裝置的防直擊雷范圍有限，無法讓整個觀測場地處于直擊雷防護區(qū)（LPZOB）。直擊雷發(fā)生時，在直擊雷非防范區(qū)（LPZOA區(qū)）的傳感器、設備或線路，就會遭受直擊雷的侵害，且直擊雷產生的雷電感應或電磁脈沖、有可能沿著線纜傳遞到其它自動氣象站設備，造成更大的危害。

為減少直擊雷對自動氣象站的危害，可以設計用金屬（熱鍍鋅圓鋼或鋼管）制作觀測場圍欄，并均勻對稱地設置不少于2根的引下線，引下線的間距（參考文獻[1]第4.4.1條），沖擊接地電阻，構成由獨立接閃桿+接閃帶并存的接閃裝置。這種接閃裝置，可以達到不破壞觀測場地布局的情況下，增加自動氣象站的直擊雷防護范圍，有效減少直擊雷對自動氣象站設備的侵害。

2.3 數據采集器的合理安裝及雷擊的防范措施

數據采集器是自動氣象站設備中，用于接收、處理原始氣象要素數據的關鍵部件，多安裝在室外。數據采集器是自動氣象站遭受雷擊概率最大的設備，其雷擊損壞的概率占自動氣象站雷擊總故障的70%-80%。

實際調研過程中發(fā)現(xiàn)，一些氣象臺站將數據采集器懸掛在接閃桿的支撐鐵架上（如圖1所示），這種安裝方式，使懸掛在接閃桿支撐鐵架上的數據采集器有可能構成雷電電流釋放通道的一部分，造成強雷電電流進入數據采集器，數據采集器遭受嚴重損壞。

另一方面，數據采集器是由大量的電子元器件、導線、電路板等構成，而電子元器件、導線及電路板的耐壓低 （僅為幾十伏）、對電磁信號十分敏感，因而在強雷電靜電感應（可達幾十千伏-幾百萬伏）的情況下，會造成電子元器件擊穿、爆裂，印制電路板線路熔化、燒斷，數據采集器損壞而無法工作。

為減少數據采集器受直擊雷的侵害，將數據采集器從室外移至室內，可以消除直擊雷對數據采集器的破壞；對于室內的數據采集器與室外氣象要素傳感器的線纜連接，要加強連接線纜的電磁屏蔽，防止從線纜上感應雷電波信號。方法一:使用屏蔽線纜作信號數據線，將線纜的金屬屏蔽層在防雷區(qū)交界處及屏蔽線纜兩端做好等電位連接和接地；方法二:在LPZOB區(qū)與LPZ1區(qū)的交界面及數據采集器入、出口處裝接適配的浪涌保護器，并做好接地；方法三:各氣象要素傳感器的信號電纜，必須放置在已經接地的金屬管或帶有金屬屏蔽層的PVC套管內，信號線和電源線分管穿行、埋地敷設。

對于室外安裝的數據采集器，數據采集器的安裝位置要遠離接閃器（3m以上）的引下線，并覆蓋在直擊雷的防護范圍內；同時要采取上段中論述的三種方法防感應雷電波的侵害。

2.4 線纜的合理布局及敷設

自動氣象站中，氣象要素采集裝置-氣象要素傳感器及數據采集器放置于室外，氣象數據處理裝置及供電系統(tǒng)放置于室內。室外和室內部分通過多根數據線路相互連接；同時支撐數據采集器的正常工作需要電力線纜與數據采集器連接。

錯綜復雜的、不同類型的線纜，導致雷擊發(fā)生時，強大的雷電流及其在空間產生的雷電電磁脈沖會通過傳導、感應、耦合等方式，在線纜（電力線路或數據線路）上產生很高的感應過電壓（供電電網上的感應電壓達100KV，電信線路的感應電壓可達幾十KV），導致與線纜連接的設備遭受感應雷擊。

在氣象臺站的查看中發(fā)現(xiàn)，一些臺站的線纜布局隨意，有埋地敷設的，有采取架空線敷設的，有將電力線纜和數據線纜捆扎在一起敷設的，線纜的端口處裸露且沒有接地的，這些都導致了自動氣象站雷擊事故的發(fā)生。

線纜的合理布局及敷設是:自動氣象站中的線纜必須放置在已經良好接地的金屬管或帶有金屬屏蔽層的PVC套管內；數據信號線纜、電源線纜分管穿行，最好采用埋地敷設的方式；連接到設備的線纜兩端及入、出建筑物的線纜連接浪涌保護器。

2.5 室內設備做好等電位連接

自動氣象站的室內設備包括處理氣象采集數據的微機終端、打印機、不間斷電源及供電系統(tǒng)等。室內裝置和設備的雷電侵害主要來自于線纜 （電源線、通信數據線）傳遞的感應過電壓和雷電電磁脈沖。

為減小感應過電壓和雷電電磁脈沖的干擾和破壞，放置自動氣象站室內設備的建筑物應采取屏蔽和等電位連接等防護措施。自動氣象站的室內設備必須處于第一防護區(qū)LPZ1（或更高的防護區(qū)）中，且做好室內的等電位連接。室內等電位接地端子板，最好用銅質材料，要有足夠的面積和厚度（厚度≥3mm）；為減少等電位連接線產生的感應電壓，等電位連接線盡量平直粗短；等電位連接端子板與公共接地端良好的連接。

2.6 電源線路的保護

當自動氣象站系統(tǒng)設備采用TN交流配電系統(tǒng)供電時，配電線路必須采用TN-S系統(tǒng)的接地方式，即將零線N和保護地線PE分開的三相五線制連接方式；并在直擊雷非防護區(qū)LPZOA或直擊雷防護區(qū)LPZOB與第一防護區(qū)LPZ1交界處，安裝通過Ⅰ級分類試驗的浪涌保護器或限壓保護器，浪涌保護器的連接導線應平直，其長度（見文獻[2]第5.4.1）。

3 結論

自動氣象站的雷電防護，應該堅持“預防為主、安全可靠、經濟合理”的原則進行。作者對江西省自動氣象站近5年來遭受的雷擊事故進行分析，有一定的防范作用，但是大自然變化無窮，要大力減低雷擊對自動氣象站的損害，還需不斷摸索和總結，為今后自動氣象站的防護、增強自動氣象站的工作可靠性探索新的途徑。

[1]GB50057－2010.建筑物防雷設計規(guī)范[S].

[2]GB50343－2004.建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術規(guī)范[S].

[3]肖穩(wěn)安.雷電與防護技術基礎[M].北京.氣象出版社，2006.