一起雷击事故成因分析

邓学军,白 慧,李洪彪,潘 竑,杨再奎

(1.贵州省黔东南自治州气象局防雷减灾中心,贵州 凯里 556000;2.贵州省黔东南自治州气象台,贵州 凯里 556000)

一起雷击事故成因分析

邓学军1,白 慧2,李洪彪1,潘 竑1,杨再奎1

(1.贵州省黔东南自治州气象局防雷减灾中心,贵州 凯里 556000;2.贵州省黔东南自治州气象台,贵州 凯里 556000)

通过对凯里·黄平机场气象站 2010年 3月 23日凌晨雷击事故发生时的天气系统、雷达资料、闪电定位监测资料和机场观测场土壤墒情、机场气象站地形地貌的分析,并结合雷击事故现场勘察和该站雷电防护设施检测结果分析,找出造成该站雷击事故的原因,并提出对机场气象站防雷设施的整改措施。

雷击事故;成因分析

1 引言

地面自动气象观测站建设中对雷电防护要求非常严格,必须符合技术规范要求[1-4],因此,在一般情况下,地面自动气象观测站发生雷击事故的概率非常小。气象部门不少防雷工作者结合自已的实际工作,对雷电灾害进行了大量的研究[5-7]。通常情况下,强雷电才容易造成灾害。但凯里·黄平机场 (筹建中)地面自动气象观测站自建站以来,无论雷电强或弱,均多次遭遇雷击事故。2010年 3月23日 04:00-04:30,凯里·黄平机场又遭受雷击。由于该站不是气象部门主管单位,黔东南州防雷减灾中心技术人员应邀对雷击灾情进行调查,并对雷击事故进行现场勘查和防雷设施的检测。通过对这起雷击事故原因的分析和研究,提出整改措施,对今后规范管理气象部门和非气象部门地面自动气象观测站雷电防护设施具有重要意义。

2 雷灾事故概况

2010年 3月 23日凌晨 04:00-04:30,凯里 ·黄平机场气象站自北向南出现雷雨天气,05:00观测时,值班观测员发现该站自动气象站数据监控系统显示无风向和风速数据,初步判断风向风速监测设备是因雷击出现故障。据技术人员现场勘查发现,风向风速仪感应部分插线接口处有明显过电压起火痕迹,且测风杆避雷针导流管因雷击剧烈膨胀或收缩而爆裂。更换风向风速仪感应器后,监控系统正常显示风向风速数据,因而判定该地面自动气象观测站风向风速感应器因雷击而损坏,造成风向风速资料记录中断。技术人员对该站防雷设施、接地体电阻和窜扰电压进行检查和测试,发现该站防雷设施完全不符合《气象台 (站)防雷技术规范》要求,是导致雷击事故发生的直接原因。

3 事故原因分析

3.1 气象因子分析

3.1.1 雷电灾害影响系统分析 22日 20:00 500hPa图上 (图 1a),四川中部有高空槽发展东移,槽后有冷平流输送,对应 700～850hPa川东有低涡切变,贵州上空偏南气流增强,在两广和湖南一带形成低空急流,贵州在急流左侧 (图 1b)。500hPa高空槽东移南压,将引导中低层低涡切变系统南压影响贵州,同时,冷平流叠加在中低层暖湿平流之上,是典型的层结不稳定温度场配置,最容易产生对流天气。22日 14:00地面图上云贵地区受热低压影响,贵州北部有辐合线生成,冷锋南压到湖北南部;17:00辐合线南压到省中部威宁—贵阳—黄平北部—玉屏一线,冷锋进入湘北;20:00(图 2a)辐合线在威宁—贵阳—黄平北部—天柱一线,冷锋进入湘中,贵州东北部出现雷阵雨天气,凯里·黄平机场位于黄平县城东北部,恰好位于辐合线附近;23日 02:00辐合线基本维持少动,贵州中部以东以北沿辐合线附近地区出现雷阵雨天气,05:00辐合线西段南压到兴义—贵阳南部—麻江—天柱一线,辐合线中东段地区有雷阵雨,冷锋到达湘中偏南一带;23日 08:00 500hPa槽已东移到贵州东部地区,850hPa切变线南压到贵州南部一线,地面热低压进一步减弱西退,冷锋影响到贵州东部和东北部地区,气温下降,能量释放减弱,08:00观测时贵州境内无雷暴,降水为小雨,说明雷电天气结束。

图 1 2010年 3月 22日 20时 500hPa(a)和 850hPa(b)形势场

3.1.2 能量条件分析 20—22日受热低压影响,贵州大部地区气温回升明显,700～850hPa为强偏南暖湿气流控制,能量积聚增大。据黄平地面自动气象观测站监测,20～22日黄平日最高温度均在25℃以上,22日为 26℃,说明大气积蓄了充足的能量。从 K指数演变来看 (图略),22日 20:00贵州东部和东北部地区 K指数大于 32℃,有利于雷暴发生。从贵阳 22日 20:00探空资料可知 (图 2b),大气具有正不稳定能量,且层结曲线呈“漏斗”状,具有上干下湿特点,有利于对流天气发生。

图 2 2010年 3月 23日 02时地面形势场 (a)和 22日 20时贵阳探空图 (b)

3.1.3 雷达回波及闪电定位资料分析 贵州省雷达观测资料显示,23日 03:28在龙里北部—福泉西北部—黄平西部和黄平东北部—余庆东部—石阡西南部分别有两条回波发展东南移,强中心在龙里北部,强度为 35～40dBz;两条回波发展快速,04:02(图略)两回波向东南移动且合并增强,呈西南东北向带状贯穿龙里中部—贵定北部—福泉中部—黄平中部—施秉北部一线,强中心在贵定东北部,强度为 40～45dBz,黄平境内回波强度仅为 15～30dBz,回波里有多个相对较强的对流单体,凯里·黄平机场附近有一个对流单体,强度为 25～30dBz;04:07,机场上空出现一个强度为 30～35dBz的对流单体,04:25对流单体移到机场东南部;04:36整条回波东南移到龙里南部—贵定中部—福泉南部—黄平南部—施秉中部一线,对机场的影响结束。根据闪电密度和定位资料记录 (图略),23日共监测到黄平有闪电回击 118次,全部为负回击,其中最大负闪强度为 173.9kA,平均负闪强度为 40.0kA,雷电流强度分布 <20kA的闪电 1个,20～50kA的闪电101个,50～100kA的闪电 14个,100kA以上闪电的共 2个。机场气象站上空出现雷电天气,是凯里·黄平机场气象站发生雷击事故的导因。

3.1.4 土壤墒情及土壤电阻分析 土壤墒情与土壤电阻率关系密切,土壤电阻率随土壤湿度、温度、含水量、含盐碱量、季节修正系数的不同而变化,而接地电阻大小与土壤电阻率直接相关,土壤电阻率过高的直接原因是土壤缺乏自由离子的辅助导电作用,高温干燥的天气,土壤往往是松散的,土壤导电率很低,此时所测量出的接地电阻值就会比其它时候大得多[8]。凯里·黄平机场气象站土壤以黄土为主,通常情况下土壤电阻率在 800～1 000Ω.m之间。据黄平气象站观测资料分析,黄平县自 2009年 8月以来出现了历史罕见的夏、秋、冬连续干旱,长时间没有出现有效降水,土壤墒情极差。尽管 3月 23日凌晨黄平出现接近 30mm的降雨,但根据黔东南州气象台 3月 23日对黄平实地土壤墒情观测结果可知,雨水渗透土壤深度仅 10cm,取土测试20cm深度单位土壤含水率在 10%以下,土壤含水率极低,直接影响了土壤导电率,阻碍接闪雷电电流的泄放,是造成此次雷击事故发生的重要原因。

3.2 机场气象站地形地貌分析

黄平位于黔东南州西北部,处在雹云或雷雨回波从龙里→贵定→福泉→黄平→施秉→镇远→岑巩→玉屏西南东北向发展的路径上[9],凯里·黄平机场气象站位于黄平县新州镇东北部的东坡农场,距离县城约 17km,是上述路径雹云或雷雨回波的必经之路。机场气象站海拔高度为 916.7m,地形地貌为南高北低,东、北、西三面为沟谷,观测场与四周地形比较,为相对独立制高点,且观测场测风杆是观测站最高接闪金属导电体,增加了迎风接闪概率,导致雷电电流直接对测风杆上避雷针放电,避雷针在通过引下线对地泄流过程中,在避雷针泄流导体四周形成强大电磁场,处于该磁场中的微电子原件,因磁场感应产生电动势,导致微电子原件因过电压而损坏。

凸出的特殊地形地貌,加上机场气象站位于贵州西南东北向雹云或雷雨回波发展通道上,这可能是凯里·黄平机场气象站雷击事故多发的重要原因。

3.3 雷电防护设施检测分析

机场气象站值班室、自动观测站均安装防直击雷保护装置,电源部分采取了 1级防雷电波入侵防护措施。雷击现场设施接地电阻检测结果为:值班室用房 (金属板房)接地电阻 16Ω,值班室保护避雷针接地电阻 8.8Ω,自动站观测场设备保护接地电阻8.5Ω,测风杆防直击雷接地电阻 8.9Ω,观测场金属护栏接地电阻 8.9Ω,进入值班室电源 SPD电源保护器接地电阻为 42Ω,远远大于自动气象站对接地电阻应≤2Ω的要求;自动站设备线路串扰电压为16～19V,同样远远超过串扰电压≤2V的要求。以上数据表明,该自动气象站防雷设施、保护接地电阻值和窜扰电压均高于自动气象观测站对防雷接地、仪器保护接地电阻值和窜扰电压值的要求值,致使高空雷暴云直接对自动站设备或风杆避雷针放电,形成导电通道,雷电电流不能及时泄入大地,在探测仪器或避雷针引下线 (导流管)四周形成极强的电磁场,而处于高磁场中的微电子元件因磁感应产生高电位,与之所连接的导线形成电位差,当电位差超出微电子元件承受能力时,造成微电子元件损坏。雷电防护装置不符合技术规范要求,是造成凯里·黄平机场气象站多次遭受雷击的直接原因。

4 小结

为避免和减轻因雷电活动给该气象站再造成损失,保护工作人员生命和国家财产安全,切实有效做好雷电防护工作,经讨论研究,对凯里·黄平机场气象站雷电防护措施提出以下整改措施:

①在观测场东北角和西北角距离观测场围栏3m处增加两支独立避雷针,使测风杆处于独立避雷针保护范围内,发挥避雷针引雷作用,避免雷电对测风杆及观测场内仪器直接放电。

②改良接地体接地效果,使自动气象站仪器保护接地电阻达到 <2Ω的要求。

③进入室内电源设置 3级 SPD保护措施,SPD接地电阻应≤4Ω;进入室内电源户外 30m采用埋地屏蔽处理。

④定期对自动站保护接地电阻进行检测,随时掌握接地体接地电阻的变化,当接地电阻达不到规范要求时,应及时予以整改。当接地电阻超出仪器设备要求,暂时不能整改时,为保证设备安全,应采用应急措施,即当雷雨天气来临时,切断所有电源、切断室内监控与室外数据采集器线路。

⑤为确保室内工作人员和设备安全,对值班室金属板房保护接地体进行整改,使其接地电阻<10Ω。

⑥由雷达回波分析可知,导致凯里·黄平机场气象站雷电灾害发生的回波从强度上来看,强度仅在 30～35dBz之间,为一般的阵雨或雷雨回波,说明在特定的条件下,弱强度回波雷暴也可能造成雷击事故的发生,在实际工作中值得探讨分析,避免弱强度回波雷电造成灾害损失。

[1] 中华人民共和国气象行业标准《气象台 (站)防雷技术规范》.QX4-2000.

[2] GB50343-2004.建筑物电子信息防雷设计规范[S].

[3] GB5007-94.建筑物防雷设计规范[S].

[4] GB2887-2000.电磁兼容设计[S].

[5] 戴世昆,晏敏 .自动气象站的雷电防护措施[J].广西气象,2005,28(3):16-17.

[6] 谭清波,刘朝英,刘诗韬 .罗甸“7.14”雷灾事故分析和防护对策[J].贵州气象,2008,32(6):39-40.

[7] 陈磊 .山区孤立建筑物防雷系统技术探讨[J].贵州气象,2008,32(6):37-38.

[8] 浅析土壤墒情与接地电阻检测 .第五届中国国际防雷论坛,2006.

[9] 贵州省短期天气预报指导手册 .贵州省气象局,1987,324-325.

T M862

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1003-6598(2010)06-0045-03

2010-06-08

邓学军 (1969-),男,工程师,主要从事防雷管理和技术服务工作。