李紅梅 景東平 李宇飛 王一豪

（1.長治市氣象局，山西 長治 046000；2.臨汾市氣象局，山西 臨汾 041000； 3.武鄉(xiāng)縣氣象局，山西 武鄉(xiāng) 046300）

由于地面氣象觀測場對環(huán)境條件的要求，很多自動氣象臺站位于野外、空曠地帶，隨之帶來的是氣象站建筑物遭受雷擊的可能性增加[1]。2013年5月22日—23日，受冷空氣和西南暖濕氣流的共同影響，山西省臨汾市大范圍出現(xiàn)了中到大雨，局部暴雨的天氣過程，并伴有短時強雷電、大風(fēng)和冰雹。其中，襄汾縣自動氣象站的觀測場風(fēng)向桿遭到一次雷電閃擊，并造成自動站數(shù)臺設(shè)備損壞。事后市防雷技術(shù)人員對雷擊現(xiàn)場進行了災(zāi)情調(diào)查，并結(jié)合實際觀測資料對災(zāi)害成因進行了綜合分析[2-3]。

1 天氣背景與觀測分析

1.1 天氣背景

受冷空氣和西南暖濕氣流的共同影響，臨汾市所轄地區(qū)均出現(xiàn)了較為強烈的降水過程，2013年5月22日8∶00 至2013年5月23日8∶00 的降水量超過50mm 的站有12 個，降水時段主要集中在17∶00—24∶00，過程平均降水量為35.5mm。本次受災(zāi)的自動氣象站降水量為42.8mm，雷暴自18∶10 起，持續(xù)到20∶00 以后。

1.2 多普勒雷達(dá)回波及衛(wèi)星云圖分析

當(dāng)雷達(dá)回波值在45dBz 或以上時，出現(xiàn)暴雨、冰雹、大風(fēng)等強對流天氣的可能性較大。從當(dāng)時的雷達(dá)回波圖看，強回波區(qū)域范圍較大，由臨汾西部地區(qū)逐漸移動到南部地區(qū)。當(dāng)時云圖上β中尺度特征明顯，對流云團首先在低渦切變線西側(cè)形成，隨著低渦切變線東北移，對流云團迅速發(fā)展東移，是暴雨及閃電等強對流天氣形成的直接影響系統(tǒng)。

2 現(xiàn)場勘測與成因分析

2.1 現(xiàn)場勘測情況

據(jù)觀測員講述，該站5月22日17∶00 開始降水，19∶31 觀測員目擊到一次強閃電擊中觀測場風(fēng)向桿，隨即出現(xiàn)自動站主機關(guān)機。隨機將事故報告市局。

經(jīng)檢查，觀測場的風(fēng)向風(fēng)速傳感器、雨量采集器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)接盒，測報值班室內(nèi)的數(shù)據(jù)采集器、自動站電腦主機、打印機被雷擊擊壞。風(fēng)向桿接閃針頂端可見被電擊燒蝕的痕跡,數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)接盒及電腦主機的電路板均有大片燒焦的痕跡。

圖1 自動氣象站平面布局

現(xiàn)場勘測發(fā)現(xiàn)，該自動站建于城郊空曠地帶，四周開闊平坦。觀測場周圍均為麥田，無任何建筑物，高約8m 的辦公樓位于觀測場西側(cè)，距觀測場20m 左右。觀測場地面較周邊農(nóng)田高出10 余米，較辦公樓地面高出4m 左右。顯然觀測場和辦公樓距屬于孤立建筑物，很易遭受雷擊。

圖2 風(fēng)向桿實際接線情況

風(fēng)向桿位于觀測場內(nèi)部，為鋼管材料制作，高10m，其頂部裝設(shè)有高出桿體頂端約1m 的接閃短針，接閃針的引下線及風(fēng)向風(fēng)速傳感器數(shù)據(jù)線一起經(jīng)風(fēng)向桿的鋼管內(nèi)部引下，引下線為φ10mm 2BVR銅線，引下線安裝長度較長，風(fēng)向桿未接地。數(shù)據(jù)線無屏蔽措施，與接閃針引下線沒有安全距離。數(shù)據(jù)線經(jīng)地下電纜溝、觀測場數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)接盒、引入辦公樓測報值班室的數(shù)據(jù)采集器，數(shù)據(jù)采集器與自動站計算機、打印機等設(shè)備相連接。數(shù)據(jù)線兩端未安裝電涌保護器，電纜溝中所有數(shù)據(jù)線、電纜均無屏蔽措施。值班室所有電氣設(shè)備均未做等電位連接。

辦公樓供電電源經(jīng)架空線路進入一樓總配電箱，此處安裝有一個電涌保護器（最大持續(xù)工作電壓Uc=385V，標(biāo)稱放電電流In=40kA（8/20μs），電壓保護水平Up≤2.4kV），值班室內(nèi)未對電源線路進行多級防過電壓保護。

接地電阻的測量，經(jīng)實測，接閃器引下線接地電阻1.2Ω，風(fēng)向桿本體接地電阻300Ω，外轉(zhuǎn)接線盒接地電阻1.4Ω，辦公樓接閃帶接地電阻2.4Ω，電涌保護器接地電阻2.0Ω，值班室內(nèi)電源保護接地電阻2.0Ω。

2.2 成因分析

1）該自動站年預(yù)計雷擊次數(shù)

依照《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》（GB 50057—2010）建筑物年預(yù)計雷擊次數(shù)的計算方法[4]，按下式計算：

式中，k為校正系數(shù)，該站建筑物屬于曠野地帶的孤立建筑物，應(yīng)取2；Ng為該站所處地區(qū)雷擊大地 的年平均密度（次/km2/a），Ng= 0.1×Td= 3.2，其中Td為該站年平均雷暴日數(shù)，取32；Ae為與建筑物截收相同雷擊次數(shù)的等效面積（km2），這里根據(jù)辦公樓長寬高計算：

則該自動站年預(yù)計雷擊次數(shù)為

由上述計算可知，該自動氣象站的年預(yù)計雷擊次數(shù)為0.6 次/年，這個數(shù)值已屬于較高的雷擊概率。根據(jù)《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》（GB 50057—2010）3.0.3章第十款“預(yù)計雷擊次數(shù)大于0.25 次/年的住宅、辦公樓等一般性民用建筑物或一般性工業(yè)建筑物，應(yīng)劃分為第二類防雷建筑物”的要求，此自動氣象站應(yīng)屬于第二類防雷建筑物。但此氣象站僅安裝有總配電保護，并未安裝分配電保護裝置。多級過電保護裝置不符合標(biāo)準(zhǔn)是造成本次雷擊災(zāi)害的主要原因。

2）風(fēng)向桿接閃針引下線電位

在雷電流流過引下線的瞬間，引下線各部位的電位差異很大[5]，為便于計算，取引下線的中間位置（5m）來計算其電位：

式中，UR為雷電流流過防雷裝置時接地裝置的電阻電壓降，kV；UL為雷電流流過防雷裝置時引下線的電感電壓降，kV；Ri為接地裝置的沖擊接地電阻，Ω；實測值1.2Ω；I為雷電流幅值，kA；di/dt為雷電流陡度（kA/μs），通過查詢當(dāng)時閃電定位資料，雷電流幅值為35kA；L0為引下線的單位長度電感，μH/m，取1.5μH/m。

可見，接閃器引下線在距地面5m 的高度處有高達(dá)304.5kV 的瞬時過電壓，所產(chǎn)生的電磁感應(yīng)在其相鄰導(dǎo)線上會產(chǎn)生很高的感應(yīng)電壓，此電壓通過無任何保護措施的線路進入耐壓較低的電子設(shè)備，足以造成設(shè)備損壞。

通過以上分析，結(jié)合對現(xiàn)場勘察、地理環(huán)境因素、氣象資料記錄等情況，防雷措施不合理是造成本次雷擊災(zāi)害的主要原因，表現(xiàn)在：金屬風(fēng)向桿未安裝接地裝置，失去了對鋼管內(nèi)部線路的屏蔽作用；風(fēng)向桿接閃針引下線與信號線均敷設(shè)在風(fēng)向桿內(nèi)部，距離很近，雷電流通過接閃針及其引下線泄入大地時，由于閃電感應(yīng)的作用，流經(jīng)引下線的雷電流的迅速變化在其周圍會產(chǎn)生強大的瞬變電磁場，使得臨近的數(shù)據(jù)線上感應(yīng)出很高的瞬態(tài)過電壓和過電流；數(shù)據(jù)線在電纜溝中沒有任何屏蔽措施，數(shù)據(jù)線兩端也沒有安裝過電壓保護裝置，因此該瞬態(tài)波即通過數(shù)據(jù)線路竄入下級線路，致使與此線路連接的后級設(shè)備損壞。

3 防雷設(shè)施整改建議

1）接閃針的引下線宜敷設(shè)在風(fēng)向桿外部并接地，風(fēng)向桿應(yīng)安裝接地裝置。這樣由于鋼管的屏蔽作用，可使風(fēng)向風(fēng)速數(shù)據(jù)線得到一定的屏蔽保護，防止閃電感應(yīng)對數(shù)據(jù)線的影響。

2）觀測場到值班室之間的數(shù)據(jù)電纜均應(yīng)做穿鋼管或穿金屬線槽，并在兩端可靠接地。

3）在各個傳感器的線路兩端安裝型號匹配、性能可靠的信號用過電壓保護器。

4）完善配電線路的防閃電感應(yīng)措施，嚴(yán)格按照第二類防雷建筑物的防雷要求安裝多級過電壓保護裝置，并注意電涌保護器在能量上的配合，做好值班室內(nèi)的電氣設(shè)備的等電位連接。

4 結(jié)論

由此可見，位于空曠、野外的自動氣象站，年預(yù)計雷擊次數(shù)較高，遭受雷擊的概率較大，安裝合理完善的防雷裝置是避免遭受雷擊災(zāi)害的重要措施。首先應(yīng)按照《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》要求確定建筑物防雷類別，再選擇恰當(dāng)?shù)姆览自O(shè)計方案，做好觀測場及值班室內(nèi)儀器的等電位連接及接地、合理布線、線纜屏蔽，選擇能量匹配的浪涌保護器。

本次雷電災(zāi)害是由于觀測場風(fēng)向桿防雷措施不當(dāng)而已引起的。在實際設(shè)備安裝中，很多自動氣象站觀測場出于成本節(jié)省的考慮，風(fēng)向桿防雷措施都采用類似做法，此文可以對預(yù)防此類事件發(fā)生起到借鑒作用。

[1] 桑二,高棟斌,樊家慶,等.半坡村“5.12”重大雷擊傷亡事故調(diào)查分析[C].第八屆中國國際防雷論壇,2010: 330-331.

[2] 侯俊玲,李春華,李文忠,等.自動站雷擊故障分析檢修一例[J].山西氣象,2012(3): 38-40.

[3] 胡定,陸曉麗.一次雷擊事故的調(diào)查分析與啟示[J].氣象研究與應(yīng)用,2011,32(3): 108-110.

[4] 中華人民共和國住房與城鄉(xiāng)建設(shè)部.建筑物防雷設(shè)計規(guī)范（GB 50057—2010）[Z].2010-11-03.

[5] 中華人民共和國住房與城鄉(xiāng)建設(shè)部.建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范（GB 50343—2012）[Z].2012-12-28.