探讨气象观测设备雷电灾害防御关键技术的应用

摘要 近年来气象服务越来越受到社会的重视，气象观测设备的使用规模逐年增加，如何有效避免雷电灾害，对气象观测设备的影响、保证气象观测站正常工作，是气象部门面临的重要课题之一。本文在分析雷电灾害主要表现形式的基础上，针对现阶段气象观测设备雷击损坏的主要类型和原因，探讨了提升防雷电灾害的关键技术。

关键词 气象观测设备;雷电灾害;防御技术

中图分类号：P429 文献标识码：B 文章编号：2095–3305（2020）06–0–02

DOI：10.19383/j.cnki.nyzhyj.2020.06.033

随着气象观测技术快速发展，社会各界对于高精度气象预报的需求与日俱增，在此背景下，气象观测设备迎来了黄金发展时期，观测设备精密度逐步提升，同时，气象观测设备的覆盖范围也越来越广。与之相对应的，如何在雷击干扰下保证气象观测设备的正常运行，是现阶段气象观测设备研究与应用领域的一大热点问题[1]。近几年来，气象观测设备的防雷问题引起了学界的广泛关注，在重点分析南平市气象观测设备雷击灾害的基础上，深入探讨了气象观测设备雷击的具体原因，并针对性地提出了气象观测设备防雷关键技术。

1 气象观测设备雷电灾害分析

1.1 气象观测设备雷击状况分析

研究统计了南平市近3年因雷击造成的气象观测设备损坏事件，统计结果发现，雷击对气象观测设备的主要影响体现在采集器，传感器，变压器等设备上。具体来看：首先，因雷击导致的采集器、传感器、雷达、定位仪等设备损坏，占到雷擊损坏设备总数的30%以上，是导致气象观测设备损坏的主要类型之一;其次，因雷击造成的串口服务器、接口设备等损坏，占到总设备损坏的22%;再次，温度、湿度采集器和传感器的损坏占到总体损坏设备设施的12%;最后，因雷击造成的雷达定位仪，防雷板等设备损坏，占到总损坏设备的15%。上述几类是主要的气象观测设备雷击统计分析。

1.2 雷电灾害及形式

1.2.1 直击雷危害 在雷电危害中，直击雷的危害最为常见，危害方式非常简单，就是雷电直接击中气象观测设备，导致设备被强电流损坏。由于设备被击毁，气象观测无法正常进行，带来了严重的经济损失。

1.2.2 间接雷危害 间接雷危害就是雷电二次作用，即气象观测设备在正常运作下会产生大量的静电，由于雷电的产生，导致设备和雷电之间发生静电感应，形成巨大的电流。设备运行过程中无法承受如此大的电流，会直导致设备损毁。

1.2.3 线路连接危害 部分精密的气象观测设备通常安置在室内，以避免外界环境的干扰，但是这些设备会通过线路与外界的高架塔相连[2]。一旦发生严重的雷击，雷电击中线缆或金属管道，会直接进入室内，对气象观测设备内部组件产生影响。

2 气象观测设备雷击原因分析

2.1 采集设备防雷设计不合理

以CAWS600采集器和DZZ5新型站为例分析该种设备在雷击情况下遭受的损害，设计不合理，主要表现在以下几个方面。

（1）设备厂家通常为采集器的电源部分提供了双重保护，以避免外界强电流侵入到采集器内部。第1段设置在输入端，通常以电容保护器和电流保护器为主;第2段主要使用rf过滤器和中继器。信号在通过多道防护后进入采集器，但是由于使用气体放电管作为信号通道采集器的前置设备，作为线路输入端的一级浪涌保护，需承担较大的浪涌电流，在此条件下，建议增加压敏电阻作为二级保护以提升响应速度。

（2）部分厂家生产的采集器在防雷元器件上缺少明显的状态标志，导致这部分设备因雷击损坏，无法及时进行更换和维修（图1）。

（3）防雷板接地端设计不科学。部分设备的防雷板接地端无明显的标识，导致安装人员错误地将地线连接到固定螺栓上，导致该部分缺少安全的接地保护，一旦遭受雷击极易造成损坏。

2.2 设备厂家安装指导不充分

通常气象观测设备安装人员多为气象部门大探中心或保障中心人员，对设备的防雷安全工作原理和安装注意事项不够了解，因缺乏厂家的现场指导，在防雷装置安装上较为混乱，表现为：防雷保护接地材料粗细不一，安装方法各异;气象探测设备温湿模块、采集器等装置的接地保护方式不同;气象观测设备线缆处的屏蔽措施不同。

2.3 防雷措施不到位，不规范

更严重的是发现部分地区的气象观测站，对于防雷工作的重视程度不足，在设备安装之前并未进行深入调研，充分论证防雷安全设计的可靠性，存在防雷措施不到位、不规范的情况。与此同时，另一部分工作人员在改造和新增气象观测设备时，没有充分重视设备的防雷安全，存在安全隐患，具体表现在以下几个方面。

2.3.1 防直击雷装置安装不科学 部分地区的气象观测站在构筑直击雷防雷装置时，存在不规范、不科学的情况，缺失屋面防雷装置迫使防雷击装置位置不科学。典型的案例包括雷达站两侧对称安装接闪杆保护，但是接闪杆与雷达天线相距过近，造成气象观测设备频繁遭受雷击，无法起到可靠的保护作用。

2.3.2 线路直接引入值班室中 在实地调查中发现部分地区的气象观测值班室路线存在问题，表现在信号线，电视馈线和电源线等布置杂乱，部分线缆直接引入值班室中，一旦发生雷击灾害，容易将强电流引入值班室，破坏室内的气象观测设备。

2.3.3 风塔处信号线和电源线缺少有效屏蔽 在地面气象观测站的建设中，部分场站没有采取金属屏蔽措施，对电源线和信号线进行保护，而是直接将电源线和信号线连接在金属钢架上，即使信号线自身有一定的电缆屏蔽层，也无法将强电磁干扰的信号完全屏蔽，会在信号线内产生远高于采集元器件所能承受的电有电压，引发感应雷电流，对气象观测设备造成损坏。

2.3.4 气象观测设备的防雷保护线过长 部分地区的气象观测站内配置的防雷保护线过长，规范要求应在半米左右。与此同时，防雷保护线选用的线径偏细，接地电阻偏大，一旦发生雷击灾害，不能有效地保护气象观测设备，导致设备损坏。

3 气象观测设备防雷关键技术分析

结合以上分析的气象观测设备主要雷电灾害类型，并依托于多年的防雷整改工作检测效果，认为提升气象观测设备的防雷技术，应从以下几个方面入手，做好防雷设计工作，严格要求设备安装工艺流程。依据所在区域的电磁场环境，针对特定的雷电活动频率和强度，预先计算过电压过电流的抗干扰度，协调外部防雷和内部防雷两大措施，经济条件允许的情况下，保证防雷效果[3]。

3.1 提升直击雷的防护措施

直击雷是造成气象观测设备雷击损害的主要原因，气象观测站在设计和建设过程中，应严格要求建筑物防雷设计规范要求的二类防雷建筑要求，对于所在环境雷电条件恶劣、频繁发生雷击损坏的气象观测站，建议参照更高的防雷标准要求进行设计。与此同时，注意区别防闪电感应接地装置和防直击雷感应装置，进一步降低雷击对气象观测设备的损害。在气象观测设备的外部布线中，要求接地阻值应不大于4 Ω，同时铺设网格型接地线路，避免跨步电压对工作人员的伤害。

例如：对于一个边长25 m的正方形场所，最高的观测塔位于东北角，高约11 m，其直击雷防护可借助于风塔上的接闪杆完成，使用绝缘材料将接闪杆安装在风塔上，则可保证气象观测站内的所有设备处于有效保护内。与此同时，应采用截面积大于50 mm2的铜芯屏蔽电缆敷设入地。

3.2 注重气象观测设备的等电位连接

在等电位连接中严格按照建筑物电子信息系统防雷标准和建筑物防雷标准中对于雷击防护的规范要求，所有的气象观测设备与等电位网络连接。通常情况下，气象观测站内的设备可采用S型连接，对于高频气象观测设备和采用M型连接，等电位连接线的长度应控制在0.5 m以内，截面积应大于6 mm2，建议使用铜芯缆线。

3.3 提升线缆屏蔽与接地质量

对于需要引入气象观测设备和值班室的电源线及信号线等，应使用金属管屏蔽引入，屏蔽管之间使用金属线跨接方式，并在两端分别采取接地措施，避免闪电电涌对气象观测设备的损伤。

3.4 注重接地保护

气象观测站内的观测设备应采取可靠的接地措施，尤其是对于集成度较高的防雷板，数据采集器和数据分析器等，规范接地保护作业显得尤为重要。结合多年的气象观测设备防雷经验，建议在防雷板的中心位置使用横截面积大于2.5 mm2的铜芯缆线进行接地，建议使用横截面积大于2.5 mm2的铜芯缆线连接数据采集器的G接口。与此同时，为有效避免地网放雷电流对附近接地保护器的影响，应保持防雷引线与观测场其他需保护的设备之间3 m以上距离。

3.5 规范供电配电系统防雷措施

气象观测站内的供电及配电系统是雷电灾害的高发区，对于在室外安装变压器的探测场站做好变压器的保护和接地工作，是避免雷电灾害的重要途径。按照共建配件系统防雷保护措施要求，其接地电阻值应控制在4 Ω以内，同时避免与接闪装置靠近。

有条件地区应安装多級电涌保护器，做好不同梯度之间的能量配合，室外的配电线路应全部采用电缆直埋式，并在电缆入户处使用金属外皮连接等电位接地装置;对于需要架空引入的电源线，应在入户处连接一段护套电缆直埋引入装置。

通常情况下，气象观测设备要求配置较高质量的供电设备，如使用时直接进行供电，则应检查供电质量和稳定性，对于市电电压起伏较大的情况，建议安装相应的稳压装置;如发现所在地的零地电压偏高，建议在总配电箱处设置两处接地处理。

4 结语

气象观测站点应充分重视雷电灾害的预防，通过前期的充分调研，分析所在地主要的雷电灾害类型，同时加强人员的培训和相关装置设备的安装质量监察工作，尽可能地降低气象观测设备遭受雷电灾害造成损失，从源头上减少或者消除雷电灾害影响。与此同时，应结合雷击灾害案例和相应的整治措施不断总结经验，切实提升气象观测设备的防雷击能力，保证相关设备正常工作。

参考文献

[1] 周伟.浅谈气象观测站防雷技术的应用[J].农家科技旬刊，2014（2）：263.

[2] 殷国华，王路亚.监控系统雷电灾害防御技术应用研究[J].农村经济与科技，2018，29（14）：25.

[3] 苗菊萍，周爽.气象观测设备雷电灾害防御关键技术的应用价值研究[J].科技创新导报，2018，15（18）：157–158.

责任编辑：黄艳飞

This Paper Discusses the Application of Key Technologies for Lightning Disaster Prevention of Meteorological Observation Equipment

WU Sheng-can （Nanping Meteorological Bureau， Nanping， Fujian 353000）

Abstract In recent years，the meteorological service has been paid more and more attention by the society， at the same time，the scale of meteorological observation equipment is increasing year by year.How to effectively avoid the lightning disaster，influence the meteorological observation equipment and ensure the normal operation of meteorological observation station is one of the important issues that the meteorological department is facing.Based on the analysis of the main forms of lightning hazards，this paper discusses the key techniques to improve the lightning hazard prevention in view of the main types and causes of lightning damage of meteorological observation equipment.

Key words Meteorological observation equipment; Lightning disaster; Defense technology

作者简介 吴生灿（1972–），男，福建政和人，高级工程师，本科，主要从事应用气象工作。

收稿日期 2020–06–1