临邑县自动观测站雷击原因分析

窦俊杰

摘要 通过2015年8月14日临邑自动气象站雷击实例，分析雷击原因，并比照防雷设计规范和运用电磁兼容的原理提出改进措施。建议进行定期的防雷设施检测。

关键词 自动气象站；雷电；改进措施

中图分类号：P415.12；P429 文献标识码：A 文章编号：2095-3305（2018）03-034-02

DOI： 10.19383/j.cnki.nyzhyj.2018.03.014

Abstract In this paper， the reason for a lightning stroke accident of Linyi automatic weather station on August 14， 2015 was analyzed. The protective measures were proposed according to the design code for lightning protection and the principle of electromagnetic compatibility. It was suggest that regular detection of lightning protection facilities should be made.

Key words Automatic weather sta tion； Thunder and lightning； Protective measures

自动气象站是大气探测系统的重要组成部分，更是开展精细化预报所不可缺少的气象要素源。实施自动观测的自动气象站由于网格距的需要而分布在不同的地理位置和气候环境中，在实际运行过程中很容易遭受雷电的侵袭。目前运行自动气象站雷击个例并不鲜见。2015年8月3日05：50左右，临邑县气象局观测站突遭强雷暴袭击，造成自动站计算机网卡、计算机调制解调器、采集器、地温数据采集器损坏。笔者以此次雷击为例，分析雷击原因，并比照防雷设计规范和运用电磁兼容的原理提出改进措施。

1 自动站雷击原因分析

根据临邑县气象局气象数据证实2015年8月3日05：00—06：00，临邑县确实出现雷雨天气，通过山东省闪电定位资料显示2015年8月3日05：00—06：00，在GPS测得的坐标为经度116.812 4°，纬度37.200 32°，与这一坐标最为接近的一组雷电数据，雷电流强度达到29.29 kA。

业务值班室高频电话信号线采用的是架空入室和3级防雷， 经UPS输电到设备。高频电话信号塔位于业务值班室北侧，距离15 m左右，值班室设置接地排，材质为L50 mm×5 mm镀锌角钢，接地引下线接至观测场埋设的地网。入室的所有数据线、电源线和相接的各类地线交错在一起，走向基本一致。

高频电话信号线架空入室，使得信号线产生静电感应效应。在架空高频电话信号线路上，会因为其上空的带电云层的存在产生静电感应，感应出与云层相反的电荷，当带电云层与地面发生闪击，电场减弱，对于架空线缆上感应电荷的束缚减小，感应电荷就会沿线路两侧传播，形成过电压。当它沿线路进入建筑物内时，会对建筑物内的信息系统和电气设备造成损坏，例如，自动气象站计算机网卡。当它沿线路进入观测场，会导致观测设备受到损坏，例如低温数据采集器。自动站气象观测系统就会出现故障，致使观测资料无法及时传输，产生重大损失。

若是自动气象站周边的高层建筑物或突出物受到雷击，或者自动气象站的接闪装置接闪时，雷电流在向地下泄放过程中，会产生电磁感应，瞬态的雷电感应电磁场在数据传输线产生了较强感应雷电过电压，雷电波在侵入采集器的同时又感应了设备端口段的输电线路，不同强度的雷电过电压从信号线、电源线侵入到设备内。由现场勘查得知，避雷针的引下线和避雷针系统的接地极连接线与数据传输线方向布置一致。当雷击时，接地线上流过的瞬态电流i所产生的磁通必然引起相邻电路的磁感应耦合，假设两相邻电路间的互感为M，那么可以导出感应电压式：Un=M×di/dt。设雷电流波形10/350 μs没有衰减，当避雷针接闪将强雷电流泄入地下时，若雷电流幅值200 kA，di/dt可达20 kA/μs，对于接地线与线缆近距的情况，近似线缆间无磁漏，由M=K（L1×L2）1/2（K为耦合系数，L1、L2为线缆自感系数），取K=1，雷电瞬间，接地线或线缆单位长度电感L1近似为1.5 μH/m、L2为12.88 μH/m[L2=0.02 ln（6.28·H/W），H为数据线距地线的距离，取H=0.5 m，W为数据线宽度，W=0.005 m]，大致可以计算单根数据线的Un约为88 kV。因此，当感性耦合所产生的感应过电压大于防雷板的耐压水平，就会造成采集核心模块的损坏。根据解放军理工大学周璧华教授和杨春山博士在“地闪回击近场计算与雷电电磁脉冲环境预测”一文中指出，地面水平敷设的电线、电缆在雷电通道有很强的耦合，距雷电通道100 m范围内，长度10 m的导体，可在其表面形成峰值达100 A的电流，其终端可产生20 kV的峰值电压。事实上，强雷电流泄放入地过程中不可能只经过一根接地极，而是经过连接线分散入地，雷电流在地下将分布得很宽和很远，这势必在不同的瞬态时间段对地温传感器造成电感性感应。

而且临邑县自动气象台站在进行地线设计时将其简单化，只强调接地却不管地线的走向，在室内把地线、电源线、数据传输线混在一起。而雷电流是一种高频瞬态电流，如果地线不能为雷电流泄放提供一条低阻抗路径，那么容性（电容性感应）串扰和感性（電感性感应）串扰作用的存在，使地线的副作用增大。现在的情况是，地线的走向有时几乎与信号的传输方向一致，而且地线过长，室内的地线无论是安全保护地或是防雷接地，当浪涌电流通过时，对地线近旁的信号、电源线缆都会产生电磁感应。

很多情况下，未必是信号线缆传输雷电信号，恰恰是电源线缆传载了雷电波，当雷电波较弱时不足以对一般电器设备造成危害，却通过感应对敏感的电子设备形成破坏；因为像UPS、稳压器之类的用电设备耐压是2.5 kV，而电子信息设备的耐压仅为0.5 kV或更低。整个线缆入室也没有按规范的等电位连接，在避雷针接闪时，完全有可能承载雷电过电压并传载到值班室，甚至在值班室内的线缆间产生电磁感应的串扰链。于是从电源线感应过来的雷电波将自动站计算机网卡烧坏。

2 自动气象站防雷改进措施

2.1 合理布线

观测场至建筑物的信号线和电源线均穿金属线槽（管）埋地敷设，屏敲体一端应与观测场内金属线槽（管）电气连通，另一端应在建筑物入户处做等电位连接。室外观测仪器设备的数据传输线均应使用屏蔽电缆并穿金属线槽（管）敷设，金属线槽（管）应与接地干线多点连接，宜每隔5～10 m连接1次。

接地极尽可能地安装在观测地区以外，让信号线等能够和接地连接线中保持安全的距离。当距离不够长的时候，可以想办法让线缆和接地线的交角增大，最好是一个直角形。

建筑物内线路的布设宜避免形成环路，电源线路和信号线路宜分槽布设，数据传输线与其他管线的间距宜符合表1、表2的要求。

2.2 等电位连接

利用建筑物内部或其上的金属部件多重互连，组成网格状低阻抗等电位连接网络，并与接地装置构成一个接地系统。进出建筑物的导电物体均应LPZ0和LPZ1区交界处或建筑物入户处做等电位连接，并可靠接地。在LPZ1和LPZ2区交界处及后续雷电防护区的交界处也应进行等电位连接。进出机柜的线缆屏敲层及光缆的金属加强芯、金属挡潮层应在机柜外侧处做等电位连接。电子系统的所有外露导电物应与建筑物的等电位连接网络做功能性等电位连接。机房内电子设备的金属外壳、机柜、机架、金属管、槽、屏蔽线缆外层、防静电接地、安全保护地、SPD接地端等均应以最短的距离与等电位连接网络连接。

固定在建筑物上的气象观测仪器及其他用电设备的线路应采用有金属铠装的电缆或将导线穿金属线槽（管），各段金属线槽（管）应保证电气贯通。水平布置的金属线槽（管）或电缆的金属铠装层宜每隔10 m与接地预留点或接闪带就近等电位连接，垂直布置的金属线槽（管）或电缆的铠装层至少应在上下两端就近与等电位连接带连接。

3 总结

由于自动气象站包含大量敏感元器件，且部分设备处于室外，所处环境复杂多变，极易产生防雷设施老化或电气连接不通等问题。因此，需要进行定期的防雷设施检测，至少每年进行1次定期检测，由专业检测人员使用专门的仪器设备对防雷设施进行全面检查，一般情况下可以将检测时间放在雷雨季节到来之前，检测到问题的话要及时地做好整改，从而保证气象设备能够有效地发挥作用，避免发生因雷击造成自动气象站无法正常工作，导致数据丢失以及无法及时传输给上级部门的情况。

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责任编辑：郑丹丹