雷电灾害对气象观测设备的影响及其防御对策

李振刚

济源产城融合示范区气象局，河南济源 459000

雷电是自然界中最常见的灾害之一，它的放电电流能够达到数万安培，有些还会达数十万安培。在放电过程中，雷电流在较短时间内会产生巨大的破坏力以及特别强烈的电磁干扰，对地面上的建筑物和设备设施造成严重的危害。

在技术飞速发展的现代社会，地面气象观测业务实现了质的飞跃，气象观测业务已经全面向自动化运行趋势迈进，各种现代化气象观测设备得到了广泛应用，这些设备不仅为气象观测业务的发展带来了便利，还大大提高了气象观测工作质量。然而，这些气象观测设备还常常面临十分棘手的安全问题，即气象观测设备抵御雷电感应过电流、雷电电磁脉冲以及过电压的能力弱。若雷电防御技术措施执行不力，则气象观测装备极易受到雷击，这会造成气象观测仪器设备遭受一定的损坏，最终会影响气象数据的正常采集和传输[1]。因此，加强气象站雷电灾害防御工作显得尤为重要。

1 雷电入侵气象站观测系统的主要途径

1.1 直击雷入侵

直击雷通常指的是带电的云层与地面某个位置之间形成的特别强烈的放电现象。由于气象站电子元件所在环境的烦琐性及元件自身比较脆弱，气象站观测设备在很大概率上会被雷电直接击中，这势必会对气象台站观测装备造成极大损坏，甚至还会造成观测资料直接丢失，导致气象观测资料上传和收集失败，给气象观测站带来较大的经济损失[2]。

1.2 感应雷入侵

若气象台站上空有雷电活动，并且其周围的凸起物被闪电击中，静电感应或电磁感一般会感应出过电压，同时借助电缆引入气象站的观测场或者计算机控制室[3]。这样气象台站采集器、计算机、传感器等仪器设备均可能会因为雷击而受到不同程度的损坏。在严重状况下，通信电缆的绝缘层还极易断裂，雷电天气带来的瞬时高压会借助通信电缆进入值班室，给气象台站观测业务增添阻力。

1.3 地电位反击入侵

若气象站接地点区域发生雷电天气，那么其周边电势会在极短时间内迅速增加，形成的瞬时高电势通常在接地线的作用下被引入电路，电路中产生强电流，进而使得气象台站电路元件受到损坏[4]。

2 雷电灾害对气象观测设备的影响

当前，我国各个地区均建立了许多新型自动气象站，气象观测业务实现了自动化观测模式。为了保证气象观测站数据的准确性，许多气象观测站仪器设备被部署于相对开阔或较高的区域，且气象观测仪器设备精度高，但在雷电流抵御方面的能力弱。因此，若遭遇雷电灾害，往往会破坏气象观测设备，给气象观测站造成较大的损失。分析雷电灾害了解到，雷电灾害对气象观测设备带来的影响涉及以下2个方面。

2.1 采集器主板损坏

在出现雷雨天气的情况下，如果气象台站采集器主板被闪电击中，会使得主板上的半导体器件受到损害，导致半导体器件被击穿，主板上出现烧黑的现象。一般而言，如果采集器主板上的电源部分、通信部分等某个设备遭受雷击损害，则其他设备也可能会遭受损坏，甚至会直接导致采集终端计算机受损[5]。

2.2 传感器损坏

在雷雨天气下，气象台站的风、地温、雨量等传感器遭受雷击的概率较大，且极易因雷击而受到不同程度的损害。

3 气象观测设备雷击原因分析

3.1 采集设备防雷设计不科学

通常气象台站均部署了防雷系统，但一些气象台站因为设备防雷设计不科学而导致雷击事故易发[6]。例如，在采集设备雷电防护方面存在设计不科学：

首先，设备制造商一般为采集器的电源部分给予双重保护，从而防止强大的外部电流进入采集器内部。第一段设置在输入端，大体上由电容器保护器和电流保护器组成；第二段大体采用射频滤波器和继电器。信号借助多通道保护后进入采集器，然而因为气体放电管作为信号通道集电极的前端设备，它是线路输入端的1级浪涌保护，因此往往应承受一定的浪涌电流。在这种情况下，通常需适量加大压敏电阻，以实现二次保护，进而促进响应速度的加快。

其次，一些制造商的集电器在防雷部件上没有清晰的状态标记，使得气象观测设备遭受雷击损坏。

最后，防雷板的接地端子设计不合理。一些设备的防雷板的接地端子缺乏显著的标识，导致安装人员无法准确将接地线与固定螺栓相连接，造成接地保护不够合理[7]。若被闪电击中，容易导致设备出现损坏。

3.2 设备厂家安装指导不到位

气象观测设备部署人员大部分是气象保障工作人员，他们对设备的防雷技术方面的知识缺乏充分的了解。由于厂家的现场指导不到位，导致气象台站防雷装置的部署不规范，例如：防雷接地材料的厚度不同，部署方式不同；气象探测设备的温湿度模块、采集器等装置的接地保护方式存在差异。

3.3 防雷措施落实不力

某些地区的一些气象站对气象观测设备雷电防护方面落实不力，在气象观测设备部署前没有认真分析探讨，未进行气象观测设备防雷设计规范性论证，导致防雷措施不规范，使得气象台站存在雷击风险[8]。

3.3.1 防直击雷装置部署不合理 有些气象站在建设直击雷防护装置时不合理。屋顶防雷装置不充足导致防雷装置所处区域不合理。雷达站两侧缺乏对称安装避雷针的保护，加之避雷针离雷达天线太近，导致气象观测设备经常发生雷击问题，不能提供有较好的保护效果。

3.3.2 信号线路和电力线路屏蔽措施不到位 一些气象台站没有采取金属屏蔽措施保护信号线路和电力线路。他们将信号线、电源线与金属钢架直接连接，尽管信号线本身存在电缆屏蔽层，但不能完全屏蔽强电磁干扰信号。这将会形成高于信号线中采集组件可以承受的电压，导致感应雷电流出现，进而损坏气象观测设备[9]。

3.3.3 气象观测设备的防雷保护线过长 有些气象台站按照的防雷线路太长，不符合防雷标准要求。此外，使用的避雷线直径过小，接地电阻过高，均与防雷规范不相符。若出现雷电天气，无法对气象设备起到保护作用，使得气象观测仪器受损。

4 雷电灾害防御对策

4.1 直击雷防御对策

在雷电防御过程中，有必要采取有效的技术措施防止直接雷击气象观测设备。在具体实施中，严格遵守《建筑防雷设计规范》（GB 50057—2010）对二级防雷建筑的要求，对气象站观测场以及观测仪器设备进行雷电防护[10]。若气象观测仪器设备部署在雷电高发区，气象观测设备被雷击的概率高，则可按照第一类防雷的要求采取直击雷防护措施。防雷接地需要选择直接防雷接地和雷电感应接地，以最大限度地降低设备的雷电安全隐患。气象观测场地的防雷接地装置应与探测设备的布置相结合，促使接地电阻不超过4 Ω[11]。为了防止跨步电压对气象观测设备造成不良影响，需要部署网格型接地电极。对于观测点的直击雷防护而言，避雷针往往在风塔上直接部署。避雷针可使用绝缘材质，以确保气象观测现场的所有探测仪器都在避雷针的保护范围内。避雷针的引下线可以是多条铜芯导线的屏蔽电缆，截面积≤50 mm2，沿风塔外缘敷设并进入地面。如果使用独立的接地网当作避雷针，那么应该确保接地网与观测设备的保护接地网之间的距离达到3 m以上，同时需要进行单独敷设；如果使用共享接地网，那么应该在避雷针引下线进入的地方部署垂直接地体，同时应该与观测现场网络进行紧密连接。

4.2 保护接地对策

气象观测设备的保护接地应采取有效措施，尤其是高度集成的数据采集和处理仪器装置，如防雷板、数据采集器、智能温湿度模块等，部署科学的接地保护措施十分关键。通常情况下，在气象观测设备中间位置的孔处，可选择横截面积≤2.5 mm2的铜芯导线进行接地处理，在采集器电极接地端子的接口区域，通常也需选择横截面积≤2.5 mm2的铜芯导线做接地处理。为防止塔架雷电放电后对接地保护设备造成不良影响，风塔防雷引下线的接地点与气象观测站网中其他接地保护装置的距离应达到10 m以上。进入气象台业务值班室或气象观测设备的信号线、电力线应采用金属管屏蔽后接地[12]。屏蔽管的连接位置需要桥接且接地，以避免气象观测设备被雷电冲击损坏。

4.3 等电位连接对策

气象观测站等电位连接的对策涉及以下3点：

第一，观测场内的传感器、百叶窗等设备设施需要采用25 mm×4 mm防腐镀锌扁钢与附近的接地装置来焊接。

第二，为防范跨步电压，需要选取5 m×5 m网状接地装置对观测场地面做电位均衡处理；为了将风塔作为避雷针以获得更好的雷电流泄放效果，一般需在2个风塔之间部署1 m×1 m的网状接地装置连接到步进电压电网，以构成统一的闭环[13-14]。

第三，观测现场还应选用25 mm金属护栏×4 mm防腐镀锌扁钢焊接，并与接地装置保持连接。

4.4 供电系统防雷对策

在雷暴天气下，气象站观测设备的供电系统遭遇雷击的概率较大，工作人员应采取有效的雷电防御技术措施。对于室外观测场所，变压器的工作接地以及保护接地十分必要。规范供配电设备的工作接地和保护接地，电阻值要求＜4 Ω[14-17]。在供配电系统中，应根据具体情况部署浪涌防护器（SPD）。为了进一步提高雷电防御效果，通常可选择多级SPD保护措施[4]。对于室外布线，需要直接将其埋在地下。在步入室内前，电缆的金属护套、钢管应连接至等电位联结带或防雷接地装置上；若电源线属于架空的，有必要将电源线部署在进入房间的地方。通过钢管将居民转换成金属铠装或护套电缆，然后将其埋入地下[18-20]。值得注意的是，要想始终保障气象观测仪器设备的稳定运行，应严格把控好气象观测设备供电质量。若气象站由市政电力直接供电，则应该经常检查供电系统的运行质量。若电源电压不稳定，极有可能会使得气象观测设备受损，需要安装电压调节器；若气象站的零接地电压过高，则应该对主配电箱重复进行接地处理，且需对线路进行合理部署。

4.5 信号线路防雷对策

气象台站信号传输线部署在室外专用信号机的1号信号机和2号信号机中，L盒在观察区内。6个气象信号（风速、风向、雨量、湿度、雷电、大雾）是通过这2条专线（1号信号机和2号信号机）连接和收集的。集电极接口电路起到抵抗感应雷击的作用，避免长信号电缆造成的雷击损坏或干扰。因此，工作人员不需要在遥测信号电缆的入口处安装信号SPD。为保证信号箱良好接地，必须将观测场与信号箱接地网牢固连接。信号1和信号2传输线需要选择金属槽屏蔽，一般可选用100 mm×50 mm的金属凹槽。在部署期间，应按照自动电缆槽设置，要求的尺寸通常为500 mm×400 mm。为了防止设备出现损坏并保证接地有效，金属线槽的第一端需要连接至观测现场网络，最后一端与值班室入口位置的工作现场网络进行连接，保证两端接地牢固，可以较好地减少雷电波沿遥测信号线的侵入，从而更好地将电压幅度限制在收集器接口电路的允许区间内，防止设备的可靠接地受到不良影响[21-23]。此外，为了防止雨水和老鼠的入侵，有必要覆盖电缆沟。在正常情况下，数据线通常从气象台站风传感器引出，应从风杆内部引入电缆沟，防止信号线被雷击。

5 结束语

随着气象事业的不断发展进步，气象台站观测设备应用越来越广泛，这些电子设备遭受雷击的概率较高，轻则导致设备受损，重则导致整个气象观测系统瘫痪，给国家造成不同程度的损失。因此，为了能够大幅降低雷电灾害对气象观测设备的危害，相关人员需要加强气象观测设备的雷电防护工作，结合雷电灾害对气象观测设备的影响和雷击原因，积极采取可靠的雷电灾害防御对策，不断提高气象台站防雷水平，保障气象观测业务的安全、有序开展。