雷电灾害对气象观测设备的影响及其防御策略

摘 要：随着科技的不断进步，气象观测设备也不断更新，设备的运行环境变得越来越复杂，雷电灾害对气象观测设备的影响也越来越严重。为减少雷电灾害对气象观测设备的影响，保证气象观测数据的准确性和连续性，深入分析了气象观测设备受到雷电灾害影响的原因，并提出了针对性的防御策略，以期更好地保护气象观测设备。

关键词：雷电灾害；气象观测设备；防雷装置；雷电防护

中图分类号：P429 文献标志码：B 文章编号：2095–3305（2024）10–0-03

雷电灾害是气象观测设备最大的威胁，每年都会发生因雷电引起的数据传输中断事件，导致无法连续记录气象观测数据，给气象资料的完整性造成较大影响。我国每年有大量气象观测设备遭受雷击破坏，损失严重。造成气象观测设备损坏的原因有多种，雷电灾害是其中的主要因素。在实际工作中，雷击造成气象观测设备损坏的事故时有发生。因此，必须分析雷击对气象观测设备的危害程度和雷电灾害对气象观测设备的影响，并提出有效的防御策略，以减少或避免事故的发生。

1 雷电入侵气象站观测系统的主要途径

1.1 直击雷入侵

直击雷是一种在带电云团与地表特定区域之间产生的异常剧烈的闪电现象。由于气象站电子元器件所处环境复杂，且自身较为脆弱，极易受到闪电击中。一旦发生雷电灾害，这将对其仪器设备造成严重损害，极端情况下甚至会导致数据丢失，使得气象台数据无法正常传输，从而给气象台带来巨大的经济损失[1]。

1.2 感应雷入侵

气象台在雷电天气中若遭受雷击，可能导致过电压现象，并通过电缆传输至观测区或电脑控制室。因此，受到雷电灾害的影响，气象台各种设备，如采集器、计算机和传感器等均可能受到损伤。在极端情况下，通信电缆的绝缘层可能受损，雷击过程中产生的瞬间高电压可通过通信电缆传导至值班人员，从而增加气象站观测工作的难度。

2 雷电灾害对气象观测设备的影响

2.1 采集器主板损坏

在遭遇雷暴天气时，气象站收集器主板若遭受雷击，其内部的半导体元件将受到破坏，进而导致主板烧焦。通常情况下，若一个设备，如收集器的电源部分和通信部分受到雷电破坏，其他设备也可能受损，严重时甚至会对采集终端造成损伤。

2.2 传感器损坏

气象观测设备是气象预报和气候变化研究的基础，而传感器则是气象观测设备的核心部件。在雷雨天气下，气象台的风速、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。这种情况不仅会影响气象观测数据的准确性，还会导致气象预报不准确，给农业生产、交通运输、国防建设等领域埋下极大的隐患。

3 气象观测设备遭受雷击的因素

3.1 采集设备防雷设计不科学

在常规气象台站设施中，防雷系统是必不可少的安全措施。实践表明，部分台站的防雷系统设计存在不足，导致雷电灾害的风险增加。例如，在采集设备的防雷保护方面，设备制造商通常会采用双层保护策略，以防止外部过大电流侵入。第一层保护位于信号入口处，通常包括电容保护装置和电流保护装置；第二层保护则由无线电频率过滤器和保护中继构成。在两层保护的联合作用下，信号被传输至收集器。但由于气体放电管位于信号通路收集电极的前端，因此在电路中经常承受冲击。

为了有效实现二次防护，通常需要适当增大变阻器的尺寸，以加快反应速度。部分制造商生产的收集装置对避雷元件缺乏清晰的标识，导致天气监测装置更容易被雷电损害。

此外，避雷器地线的接线方式也存在不合理情况，部分设备的避雷板接地端缺乏明显标识，施工单位在安装过程中难以正确将接地线与固定螺钉连接，进而影响接地保护的效果。一旦遭受雷击，此类设计缺陷可能会对仪器设备造成严重损害。

3.2 设备厂家安装指导不到位

当前，我国气象观测装备配置的主要负责群体为气象保障领域的专业人员。然而，他们在防雷技术方面的认知存在不足，导致气象台站在防雷设备的部署方面未能形成统一标准。具体表现为防雷材料厚度参差不齐、铺设方式多样化。同时，针对不同类型的气象监测设备，如温湿度监测模块和数据采集器等，其接地保护方案也各不相同，缺乏统一规范。

3.3 防雷措施落实不到位

3.3.1 防直击雷装置部署不合理

部分气象观测站点在防雷击设施的设置上出现偏差。具体而言，由于屋顶避雷设施部署不足，避雷设备覆盖区域不均衡。同时，雷达站两侧缺乏均衡布置的避雷针进行防护，且避雷针的位置接近雷达天线，导致雷电灾害的频繁发生，严重影响了避雷设施的防护效果。

3.3.2 信号线路和电力线路屏蔽措施不到位

某些气象观测站点在信号线和电源线的防护措施上存在不足。这些站点将信号线和电源线直接连接至金属框架，尽管信号线表面具备一定程度的防护，但未能有效隔离强烈的电磁干扰（EMI）信号。由此导致信号线上的电压超过其收集部件所能承受的范围，从而在雷击时对气象监测设备造成损害。

3.3.3 气象观测设备的防雷保护线过长

部分气象站使用的避雷线长度明显超出规范，未能满足防雷标准设定的要求。此外，架空导线的规格和接地系统的电阻值未达到国家防雷规定的标准。在雷电交加的环境中，这些不足之处可能导致气象设施无法得到有效防护，进而损坏气象测量设备。

4 气象观测设备防御雷电灾害的有效策略

4.1 完善防雷减灾基础设施

气象观测设备的防雷减灾工作是我国气象事业发展的一项重要任务，它关乎气象观测数据的准确性和气象灾害预警的及时性。因此，该工作具有长期性和复杂性，需要在我国气象部门的统一领导下，全社会共同参与和努力[2]。

首先，设立防雷减灾机构。相关部门应在此基础上制定一套完整的工作计划，明确工作目标、任务和措施，为防雷减灾工作提供清晰的指导。同时，完善防雷减灾基础设施，包括防雷设备、防雷接地系统、防雷预警系统等，以确保气象观测设备在雷电天气条件下能够正常运行。

其次，提升气象观测设备的防雷减灾能力。这需要科研机构、设备制造商和气象部门共同努力，研发和推广新型防雷技术，提升设备的防雷性能。同时，加强对防雷知识的普及和培训，增强气象工作人员的防雷意识和技能，确保在雷电天气条件下能够及时、有效地采取防雷措施。

最后，在实际工作中，要定期对防雷减灾基础设施进行检测和维护。相关部门应制定检测计划，定期检查防雷设备，发现问题及时处理。针对陈旧、破损的防雷设备，应及时更新、更换，确保防雷减灾基础设施的正常运行。

4.2 注重雷电灾害的前期防护

雷电灾害是一种自然灾害，对人类生活和生产造成严重威胁，尤其是在气象观测领域，确保设备的安全运行至关重要。针对气象观测设备的雷电防护，需要遵循一定的步骤和方法，以最大限度地降低雷电灾害的风险。

首先，充分了解气象观测设备。包括设备的结构、功能、工作原理等方面，以便为后续的雷电防护提供依据。了解设备的特点和需求，有助于为其制定合适的防护措施。

其次，根据气象观测设备所处的环境，结合实际情况，确定其是否处于雷电防护范围。环境的评估主要包括以下几个方面：当地的气候条件、地形地貌、建筑物和树木等因素。这些因素都会影响雷电灾害的发生与传播，因此，在评估过程中需要全面考量。如果气象观测设备处于雷击范围，则防雷装置的安装就显得尤为重要。应将防雷装置安装在设备的最顶端，有效引导雷电电流流入地面，降低设备受损的风险。同时，还需要加强避雷装置的连接，以确保其在雷电冲击时能够发挥预期的防护作用。

最后，针对非雷击影响范围内的气象观测设备，同样不能忽视其安全性。尽管雷电灾害的风险相对较低，但需要根据实际情况评估是否需要实施避雷防护。包括但不限于评估设备所处环境、设备重要性等因素，综合考量后作出相应决策[3]。

4.3 加强气象观测设备的接地工作

气象观测设备的接地是防止雷击灾害的有效手段，也是保障设备安全运行的重要手段。气象观测设备的接地工作应按照相应的技术要求进行，确保接地电阻值满足相关要求，并且确保接地装置和被保护对象之间具有良好的电气连接，避免因连接不牢固而出现雷击故障。因此，在安装气象观测设备时，应注意其接地电阻值应＜4 Ω。为确保接地效果，气象观测设备在安装时应严格按照相关规范进行施工，并对其进行接地测试，确保接地电阻值＜1 Ω。除了接地电阻值的要求，气象观测设备的接地工作还需要注意以下几个方面。

首先，接地装置的材料应具备良好的导电性能，一般使用铜、铝、钢等金属材料制作。其次，接地装置的安装位置应考虑地质条件、气象环境等因素，以确保接地效果稳定、可靠。最后，接地装置的安装应符合安全要求，防止人员触电事故的发生。此外，为了确保气象观测设备的接地效果，定期进行接地测试，及时发现和处理接地故障。在接地测试过程中，应使用专业的测试仪器，按照相关规范进行测试，确保测试结果的准确性和可靠性。如果发现接地电阻值不符合要求，应及时采取措施进行处理，以保证气象观测设备的正常运行和防雷安全[4]。

4.4 增强工作人员的雷电防护意识

雷电防护工作在气象观测领域具有重要意义，为了确保气象观测设备的安全运行，需要从多个方面加强防护。

首先，对工作人员进行教育和培训，使他们充分认识到雷电灾害的严重性。利用理论学习与实践操作相结合的方式，让工作人员了解雷电的特性、雷电防护的基本原理和应对雷电灾害的方法。

其次，建立健全的雷电防护管理制度，确保工作人员在实际工作中能够按照要求进行规范操作，包括雷电预警机制、应急预案、设备检查与维护等方面的规范。同时，加强与其他部门的合作，共同应对雷电灾害。例如，与气象部门密切配合，提前发布雷电预警信息；与电力部门协作，确保供电系统的稳定运行；与通信部门携手，保障通信网络的顺畅。

最后，加强雷电防护知识的普及与宣传。通过各种渠道，让广大群众了解雷电灾害的危害，掌握基本的防雷措施。

4.5 直击雷防御

在雷电防御工作中，必须对雷电防御装置进行防护。在实际操作过程中，必须按照《建筑防雷设计规范》（GB 50057—2010）中规定的二级雷电防御建筑物，加强对气象台站和观测装置的雷击保护。如果在闪电频发地区布设了气象观测装置，且对其发生雷击的可能性较大，应按一级雷电防御规定加强雷电防御保护。为了减少对装置的雷击危害，在雷电防御设计中，应选用直雷接地或雷击诱导接地方式。气象台站的雷电防御、接地设施要与监测仪器的布局有机结合，使其接地阻抗＜4 Ω。

为了避免对气象观测设备造成冲击，应在地面布置网格状接地极。针对地面直击雷的防范，通常将避雷针设置在风力铁塔上。避雷针可采用隔离材料，确保气象站内的所有监测设备均处于避雷针的覆盖范围。避雷针的引出线为多根铜绞线，其截面不小于

50 mm2，沿风力铁塔外缘布置并接入地下。若使用隔离接地网作为避雷针，需要保证接地网与观测装置的保护地线间距＞3 m，并分别进行铺设。若采用共用地线，垂直地线应被设于避雷针引线入口处，并与观测网紧密连接。

4.6 供电系统防雷

在雷暴环境下，气象台站的电力供应系统面临较大的雷击风险，因此，必须实施有效的防雷措施。户外观测点需要同时做好工作接地和防护接地。供电、配电装置的工作接地和防护接地应遵循相关规定，其阻值应低于4 Ω。根据不同环境条件，在供电和分配系统中配置合适的电涌保护器。为提升防雷性能，通常采用多段式SPD进行防护。户外线路应直接埋入地下。在进入室内前，需要将金属外壳和钢管与等电熔连接或避雷设备连接。若为高架电缆，应在室内入口处布置电缆。住宅用钢管应转换为金属外壳或护套，并埋入土壤。值得注意的是，确保天气观测仪器始终正常工作和电源品质至关重要。若台站采用室内电源供电，应定期开展供电工作。电压不稳定容易导致天气监测设备损坏，因此，必须安装调压器。当气象台出现零电位超标时，应反复对主配电盒进行接地，并适当布线。

4.7 信号线路防雷

气象站的信号线路布置在1、2号信号机上，这些特殊信号机位于户外，L箱则设在观察区。2条信号线路（分别连接1号信号机和2号信号机）与6种天气信号（风速、风向、降雨、湿度、闪电、大雾）相连，并进行数据采集。收集界面经过特殊设计，具备抵御雷电的能力，以防对长距离信号线产生的雷电破坏和相互干扰。因此，现场工作人员无需在远距离传输线的进口处加装信号SPD。

为确保信号盒具有优良的接地性能，需要将观测场地与信号箱地网紧密连接。针对信号1和信号2的传输线路，应选用1种金属槽进行遮护，通常可采用尺寸为100 mm×50 mm的金属槽。在布线过程中，需要根据所需安装的线缆类型，灵活调整自动插槽的大小，一般为500 mm×400 mm。为防止设备受损、确保接地有效性，金属槽的一端需与观测现场网相连，另一端则与值班室门口处的工作现场网相连，确保两端均稳固。这能有效防止雷电对遥测信号线的入侵，将电压幅值约束在采集器界面电路的允许范围内，避免对设备的安全接地产生不利影响。同时，为防止雨淋或鼠类侵入，必须铺设电线沟渠。通常情况下，观测设备的数据线路是从气象站风速变送器引出的。为避免线路遭受雷电侵袭，应将线路从风柱内侧引至电缆沟。

5 结束语

气象观测设备在运行过程中面临雷电灾害的严重威胁。为确保设备的安全与稳定运行，相关单位必须加强对雷电灾害的防范工作，采取有效措施降低雷电灾害发生概率。同时，加强设备的日常管理和维护工作，建立健全雷电灾害应急处理机制，以应对突发情况。此外，推动雷电灾害防御技术的研发和创新，不断提升设备的防雷能力，这也是保障气象观测工作顺利进行的关键。唯有如此，才能为气象观测设备提供稳定可靠的工作环境，为气象事业的持续发展提供坚实保障。

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参考文献

[1] 郑栋栋，黄志成，陈斌源.面向电源安全的气象观测场设备雷电防护措施设计[J].电子设计工程，2022，30（16）：176-180.

[2] 李锦顺，刘洋，张劲.探析气象观测设备雷电灾害防御关键技术的应用[J].农业技术与装备，2021（10）：143-144.

[3] 吴生灿.探讨气象观测设备雷电灾害防御关键技术的应用[J].农业灾害研究，2020，10（6）：72-73，76.

[4] 路云涯，杨莉.气象观测设备雷电灾害防御关键技术的应用价值研究[J].中国高新科技，2020（22）：137-138.

收稿日期：2024-07-11

作者简介：赵文哲（1984—），男，内蒙古赤峰人，工程师，研究方向为气象雷电防御。