气象观测设备雷电灾害防御关键技术应用研究

气象观测设备雷电灾害防御关键技术应用研究

1陶宇2,李思明3,刘晓野,4,许双5,杨勇

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摘要：随着气象观测技术的快速发展，气象观测设备集成度与科技水平越来越高，越来越精密，这些精密的气象采集、处理设备被广泛应用，也产生了一个棘手的安全问题，就是因其防抗雷电电磁脉冲和雷电感应过电流、过电压能力很弱，加上防雷措施不够完善等原因，导致气象观测设备频频遭受雷击，给气象观测业务的正常开展带来严重威胁，同时也影响了气象预测、预报工作。

关键词：气象观测设备；雷击原因；雷电灾害；防御技术

       引言

       在科技高速发展的时代，地面气象观测业务已经走向了自动化操作模式，各类现代化气象观测设备应用广泛，在给地面气象测报业务带来极大便利的同时，也对气象台站设备系统的安全要求更高。因为气象台站观测设备防抗雷电电磁脉冲以及雷电感应过电流的能力较为薄弱，一旦气象台站防雷措施不到位，势必会使得气象观测设备因为雷击而受到不同程度的损坏，从而对气象观测数据的正常采集以及传输造成不利影响。因此，加强气象台站的防雷工作就显得尤为重要。       

1 气象观测设备遭受雷击原因
       1.1采集器防雷缺乏科学、合理性
      （1）为避免闪电电涌沿着电源通道入侵到采集器内，造成采集器损坏，在出场前生产厂家就为采集器电源部分提供了三段保护，具有一定的防雷作用。信号通道的各个传感器信号经过多通道防雷板后进入到数据采集中心，采集器在信号通道上主要选用气体放电管，由于反应时间较长，应将其选择在线路输入端，作为一级浪涌保护器承受的浪涌电流较大，应适当增加压敏电阻作为二级保护器件，确保在一定时间范围内更快响应。
     （2）台站内防雷板中的防雷元件大都是气体放电管，无明显的状态标识，雷击很容易造成防雷元件损坏或出现故障问题，不易被工作人员察觉。
     （3）防雷板接地端子设计缺乏合理性水平且无标识，工作人员很容易将接地线误接到防雷板固定螺栓孔上，使得采集器防雷板接地端子缺少安全保护接地措施，很容易遭受雷击而损坏。
       1.2 厂家在设备安装上技术指导不够
       通常情况下，安装气象观测设备的人员大都是气象探测中心或气象保障中心的工作人员，由于缺乏厂家现场指导，对观测防雷安全工作原理和安装事项了解不全面，在安装防雷装置上较为混乱。主要表现形式是：防雷保护接地材料粗细不均，安装方式不一；各种观测设备的保护接地安装不合规范；线缆屏蔽措施处理不到位等。
       1.3防雷安全措施安装不规范、不到位
      （1）防直击雷装置安装不规范
       台站内的气象观测值班室等建（构）筑物的防直击雷装置安装不规范，主要表现在屋面未安装接闪装置或者防雷接闪装置缺乏科学合理性，很容易遭受雷击。
      （2）线路直接架空引入值班室
       台站业务值班室外的电源线、信号线等线缆布设较为杂乱，且线路直接或架空引入值班室内较为常见，这样很容易造成闪电电涌沿着线缆进入到值班室内，进而对气象观测设备造成损坏。
      （3）风杆上接闪杆引下线与风向、风速信号线布线不规范
       部分自动气象站在布设风向、风速信号线时考虑到美观问题，直接将其与风杆上的接闪杆、引下线且在风杆金属管内并行引下，同规范要求不符。由于风向风速信号线选用的是屏蔽层电缆，屏蔽层很难将接闪杆接闪后的雷击电磁脉冲完全屏蔽，风向风速信号线上的感应电压较大，影响了采集器的正常工作，进而造成采集数据中断。
       2气象观测设备雷电灾害防御关键技术
       2.1规范安装直击雷防护装置
       为了避免气象观测设备遭受直接雷击，做好气象观测场地和探测设备的防直击雷措施十分重要。应严格按照《建筑物防雷设计规范》（GB50057-2010）规定的第二类防雷建筑物要求，做好气象观测场和观测设备的直击雷防护。若台站经常出现雷击损坏气象观测设备的事件，可以按照第一类防雷建筑物要求做好直击雷防护，分开设置防直击雷接地和防闪电感应接地，最大限度的降低或避免雷电对观测设备的危害。应根据探测设备布局对观测场内的防雷接地装置进行布设，保证接地电阻值不超过4Ω。为了防止跨步电压造成的危害，应敷设网格型接地体，在条件允许的情况下在观测设备上安装M型网型结构，为等电位连接提供便利。
       对于观测场的直击雷防护，可以直接在风塔上安装接闪杆。接闪杆可以利用绝缘材料安装在风塔上，确保观测场内的所有气象设备都在接闪杆的保护范围内。接闪杆引下线可以选用多股铜芯线的屏蔽电缆，横截面积不小于50mm2，沿着风塔外沿敷设入地，若接闪杆选用独立接地网，应保证接地网与观测设备保护接地网之间的距离在3m以上，且独立设置；若选用共用接地网，应在接闪杆引下线入地点附近设置超过1根的垂直接地体，同时还要与观测场地网之间进行电气连接，应保证连接点与设备接地点间的距离超过10m。

       2.2规范安装供配电系统防雷措施
       台站内的供配电系统遭受雷击的概率较大，对于安装在室外的探测场所，做好变压器的工作接地、保护接地等极其重要，应对供配电设备的工作接地和保护接地进行规范，接地电阻值不大于4 Ω，应与接闪装置间保持安全距离。做好供配系统电涌保护器的安装，为了提升防雷效果，选用多级浪涌保护。对于室外的配线线路应直接埋地敷设，在进入室内前应将电缆的金属外皮、钢管接到等电位连接带或防闪电感应的接地装置上；若电源线是架空引入的，应在入户处转换成金属铠装电缆或护套电缆穿过钢管后埋地引入，应保证埋地长度在2m以上 。为了确保地面测报工作的顺利开展，气象观测设备对供电质量提出了较高的要求，若台站是市电直接供电，需要工作人员经常对供电质量和稳定性水平进行检查，若市电电压不稳定，很容易造成气象观测设备损坏，可以安装稳压装置；若台站零地电压偏高，应在总配电箱处做好重复接地操作，并做好布线。
       2.3规范安装气象观测设备保护接地
       应做好气象观测设备的保护接地，特别是防雷板、数据采集器、智能温湿模块等集成度较高的数据采集、处理设备等，规范安装保护接地措施十分重要，可以在防雷板中间位置的孔洞处选用横截面积不小于2.5mm2的铜芯线进行接地操作，在采集器VDC端口的G接口处选用横截面不小于2.5mm2的铜芯线作为接地。为了防止风塔接闪后泄放雷电流影响接地保护设备，应确保风塔防雷引下线接地点与观测场地网其他接地保护设备间的距离在10m以上。
       2.4线缆屏蔽与接地
       对于进入到业务值班室或气象观测设备的电源线、信号线等应穿金属管屏蔽后接地引入，屏蔽管连接处应做好跨接和接地，避免观测设备遭受闪电电涌侵入而损坏。
       结束语
       随着科技的快速发展，在气象观测领域研发出了越来越多的设备，这些设备被应用于气象的观测、采集和处理等多个方面。由于气象观测设备多建得高高的，很容易在阴雨天引发雷电的打击，并且设备本身对雷电产生的电压、电流等承受能力较弱，容易因雷击事故而损毁，不仅造成了经济损失，也影响了气象观测的正常执行。为此，需要对气象观测设备做好雷电防御工作，采用有效的雷电灾害防御技术，让气象观测设备能够经受雷电的打击，顺利开展气象观测任务。

参考文献：
 [1]潘田凤,李荣迪.自动气象站应该注意的一些防雷问题[J].气象研究与应用,2016,37(4).
 [2]李衣长,张泉锋,龚伟,等.气象观测设备雷电灾害防御关键技术应用研究[J].海峡科学,2017(6).