吴川国家气象观测场防雷设施整改后效果研究

吴川国家气象观测场防雷设施整改后效果研究

骆培绘 ,赖石发

吴川市突发事件预警信息发布中心，广东吴川  524500

摘要：所有地面气象观测场都设置在开放的空间里，在开放空间中所有类型的金属物体都是独立的。随着科学技术水平的快速增强，各种现代化的观测仪器设备在气象观测中得到了广泛应用，大气探测的准确度和自动化水平不断增强。受到地面气象观测场安装位置和自身构造的原因，其在运行过程中很容易遭受雷击，不利于观测工作的顺利开展。本文结合气象观测场内的仪器设备遭受雷击的原因，重点分析了地面气象观测场雷电防御设施整改前后仪器设备遭受雷击损坏的问题，并给出了相关的防护措施，以降低雷电对地面气象自动气象站的危害，使其可以正常、稳定的运行。

关键词：气象观测场；气象自动站；气象仪器；雷电防御；

1 绪论

1.1气象观测场防雷设施整改后效果研究背景

随着现代化气象建设工作的不断推进，自动气象站在大气探测地基系统中发挥着重要作用，地面气象观测场的自动气象站属于自动化观测设备，主要包括采集器、传感器、数据通讯设备、供电系统、主控计算机、打印机等几部分组成，具有科学性和高精确性等特征，是气象部门开展精细化预报的关键。其中，传感器、采集器处于室外观测场LPZ0B防雷区内，具有现代电子设备普遍存在的共同弱点，即绝缘强度低、过电压耐压承受能力差，对电磁干扰极为敏感，是整个自动气象站观测系统雷电安全防护的重中之重[1]。再加上地面气象观测场自动气象站主要安装空旷区域，使得雷击危险系数大幅度增加，为了降低雷电对自动气象站的危害，确保其可以安全稳定的运行，做好自动气象站防雷工作刻不容缓。

1.2气象观测场防雷设施整改后效果研究目的与意义

吴川市气象局在2015年就对其地面气象观测场的防雷设施的升级改造，原有的防雷设施有很多不足，同现代化的地面气象观测场自动气象站防雷要求间还有一定差距存在。经过对地面气象观测场自动气象站防雷保护进行完善，本文结合自动气象站遭受雷击的原因，重点分析了地面气象观测场雷电防御设施整改前后仪器设备遭受雷击损坏的问题，并给出了相关的防护措施，以降低雷电对地面气象自动气象站的危害，使其可以正常、稳定的运行，为地面气象自动气象站雷电防御设施设计和施工提供参考。

1.3气象观测场防雷设施整改后气象观测仪器正常运行现况

吴川气象局在2015年对观测场防雷系统进行改进，将观测场的接地系统与独立接闪杆接地系统分开，保持合理的安全距离；对风向、风速信号线等进行合理布线，进一步完善屏蔽措施，保持屏蔽层的连续性，做好屏蔽接地；在电源系统增设匹配的浪涌保护器，以加强电源线路过电压防护。气象观测场的防雷设施的升级改造到现在，气象仪器设备没有因雷击造成损坏。

2  气象观测场防雷设施整改基本理论与方法

2.1 气象观测场防雷设施设计的基本原理

吴川气象观测场防雷设计的要求，应根据吴川当的地理地质特点、气候环境等因素和雷电活动的规律，结合吴川市气象观测站的性能特点进行综合、系统的设计和保护。重点要考虑气象观测场的直击雷、感应雷等防雷设施，吴川市观测场的综合防雷设施应做好电位连接、屏蔽、合理布线、电涌保护器和共用接地系统等有效防护。

2.2 气象观测场防雷设施外部防雷装置

外部防雷装置有4大措施，分别为接地装置、引下线、接闪器、屏蔽。

观测场为边长25m的正方形，其最高物体为观测场南侧的风塔[2]。为充分利用现有条件，其直击雷防护主要通过安装独立接闪杆来实现。独立接闪杆的保护范围是依据《建筑物防雷设计规范》GB50057-2010附录D中计算独立接闪杆的保护半径，得到保护观测场的安全范围。

观测场独立接闪杆整改措施为：一、增加地极。采用水平接地体和垂直接地体相结合在铺设方式，埋设深度不小于0.8m的人工水平接地体，并沿着水平接地体铺设长度为2.5m的人工垂直接地体，按照独立接闪杆三个不同的方向，增加长度为20m的人工接地体，如图1所示。二、垂直于护栏向外移到距离护栏为3.2m的位置。三、增加原来接闪杆的高度。现独立接闪杆的高为23m,确保整个观测场仪器都在其保护范围内，如图2所示。

图1 吴川市气象观测站独立接闪杆防雷布局平面图图2 吴川市气象观测站独立接闪杆保护范围平面图

2.3 气象观测场防雷设施内部防雷装置

内部防雷装置有4大措施，分别为等电位连接、屏蔽、合理布线、浪涌保护器。

2.3.1等电位连接

等电位连接方式采用S型等电位连接[3]。观测场的金属管、金属线槽、屏蔽线缆、机柜、线架、防静电接地、交流接地、设备供电直流接地、浪涌保护器应以最短距离做好S型等电位连接；观测场金属护栏应做好等电位连接，各种等电位接地端子导体截面积应符合规范要求。

2.3.2 屏蔽

通过独立接闪杆对观测场内设备实施直击雷防护措施后，观测场内的所有设备均处于LPZ0B雷电防护区，由于本区内屏蔽是减少电磁干扰的基本措施，仪器设备使用带有屏蔽层的电缆,并套金属线槽埋地敷设,金属管和数据传输线的外屏蔽层在进入电缆沟处应就近接入观测场内接地网连接,金属线槽前后两端应连接贯通。金属围栏、风塔、百叶箱支架、采集器

、雨量器等金属外壳应就近与观测场接地网连接。的电磁场强度没有得到衰减，为防止观测场及附近地闪出现时，雷电产生的脉冲电磁场从空中直接辐射入观测场内电子设备，所以还要采取雷击电磁脉冲防护措施。

2.3.3合理布线

有效布置线路,能更好地起到防雷保护作用。布线的整改措施一是光纤网络系统置换了原来的双绞线数据线，换成光纤传输，同时光纤两端接地。二是配电系统架空线换成电缆套金属管埋地，电缆两端接地屏蔽进入配电房,并增加了电源配电箱,线路统一套管进入配电箱。

2.3.4电涌保护器

电力线路引入的雷击过电压很容易造成电器设备损坏，良好的电源防护是防雷必要的基础,保护电器设备不受因雷电电磁场在电源传输线路发生静电感应、电磁感应所产生的过电压的损坏,并实现等电位连接,并联安装于配电系统的输入端。吴川市气象观测场平均年雷暴日为70.3d/a，防雷等级为一级,应按第二类防雷建筑物要求安装三级SPD进行保护。在变压器低压前端安装了第一级Ⅰ级试验浪涌保护器（SPD）,在配电房总配电箱安装了第二级Ⅱ试验浪涌保护器（SPD）,在观测场配电箱前端安装了第三级Ⅲ试验浪涌保护器（SPD）。

3 气象观测场防雷设施整改后效果研究应用

3.1 自动气象站遭受雷击的原因

吴川市位于广东省西南部，临近南海，全市地势北高南低，缓缓向海倾斜，没有明显山脉，地形包括低丘、平原、台地和沙土四类，属于亚热带季风气候，高温多雨，气象灾害频繁出现，其中雷电灾害更加严重，吴川市雷电灾害主要在每年的4~9月份较为集中，尤以7月份出现频率最高，属于雷电多发区域，做好雷电灾害防御显得极其重要。在使用新型自动气象站以来，在原有防雷基础上对防雷系统进行改建，使得部分防雷设施保护不到位，增加了雷击概率。若是自动气象站遭受雷击，在对相关仪器设备造成损坏的同时，还会影响其的正常、稳定运行。

3.2自动气象站雷电防御存在的问题

3.2.1独立接闪杆保护范围不合格

在自动气象站建设之初，应积极组织有关专家严格观察和研究自动气象站的周围布局，确保安装的独立接闪杆在合理保护范围内。但是在实际建设中，由于地方的限制，未根据实际要求，缩小了避雷保护区范围，很容易引发严重后果。对于独立接闪杆来说，其保护范围在预防雷击中发挥着十分重要的作用，可有效保护自动气象站安全，避免遭受直接雷击，进而确保观测仪器设备持续稳定运行。

3.2.2缺少金属护栏接地

对于金属制作的护栏来说缺少接地处理，再加上一部分线路未敷设金属槽或作穿钢管处理后仍旧裸露在外面，进一步增加了雷击潜在风险。

3.2.3独立接闪杆与风传感器铁塔混合安装

在建设自动气象站时，未认识到独立接闪杆与风向传感器混合安装的危害，存在个别区域气象自动站独立接闪杆与风向传感器混合安装的情况。通常情况下，会在自动气象站最高的风塔位置处安装风向传感器，此时的风塔如同一根独立接闪杆，一旦遭受雷击，很容易将风向传感器损坏，影响自动气象站的正常运行。

3.3自动气象站雷电防护措施

3.3.1设置独立接闪杆

为了确保自动气象站及其周围的观测仪器设备在独立接闪杆保护范围内，需做好自动气象站独立接闪杆的安装，同时还要与周围建筑间保持一定距离。这种设置不仅可以防止避雷接闪情况，还能对雷电流进行单独抵抗，将雷电流造成的危害降到最低。针对独立接闪杆的设置，需提前做好风塔观测位置的分析，确保独立接闪杆与风塔间的距离在3m以上。独立接闪杆安装时需将观测内各个观测设备的维护工作做好，使其在合理范围内；若是独立接闪杆保护范围内不包括观测场边缘设备，可以单独增设独立接闪杆，需避开电源传输线路以对独立接闪杆进行安装，还要综合考虑电缆铺设情况。吴川市黄坡镇上垌村循环养殖科技有限公司区域气象自动站和吴川市樟铺镇低岭村吴川第一职业高级中学区域气象自动站就是独立接闪杆与风向传感器混合安装，经常遭受雷击损坏，经过对其升级改造，在风塔间的距离3.5m的地方安装了高为18m的独立接闪杆，后期仪器设备运行正常，没有因为雷击造成仪器设备损坏。

3.3.2合理设置引下线与信号线

自动气象站中包括多种不同类型的传感器，由于传感器属于精密型仪器，很容易遭受雷电侵袭而出现损毁。应严格根据自动气象站防雷规定要求将传感器信号输出电缆放到PVC套管中或者接地金属管内，禁止直接裸露在外面。除此之外，还要对自动气象站传感器的独立接闪杆引线、信号线、电源线等进行穿金属引入，使用科学有效的方法布设接地电网，以保证接地网不共线，电路平稳通畅，防止遭受雷击。吴川市塘缀镇山瑶村区域气象自动站得到很好的应用。

3.3.3做好屏蔽措施

由于自动气象站观测场内的电场具有高强度特征，应做好风向风速数据线的屏蔽，将导线外层两端及风杆进行电气连接，而风杆和自动气象站观测场中的地网进行有效连接。若是不能在金属风杆内布设数据导线，或者是选择金属塔作为支撑物，应对数据导线透过金属管进行垂直布设。导线外层金属塔和金属套管应进行电气连接，保证金属套管电气流的稳定性，需将金属塔与自动气象站观测场的共用电网进行连接。做好自动气象站供电系统以通讯系统的屏蔽防护，应根据就近原则将金属管道与距离最近的电缆沟或外转接盒进行连接，始终确保自动气象站可以正常稳定的运行。

3.3.4安装浪涌保护器

气象自动站中的供电方式选择的是TT制式和架空引入。为了提升雷电防护措施，可在总配电箱出安装Ⅰ级试验浪涌保护器（SPD），将其作为一级防护，自动站数据采集器的入线端安装Ⅱ试验浪涌保护器（SPD），将其作为二级防护，且一级和二级浪涌保护器间的距离需超过5m以上。针对数据采集相内所有设备机壳和浪涌保护器来说，需将其的接地和等电位连接工作做好；可以将气象自动站所有接地选择一组接地装置，并在接地装置前端串联20A大小的动力型开关。

4 结论

综上所述，自动气象站防雷是一项综合性、系统化的工程，对技术方面的要求较高。对于自动气象站工作人员来说，为了对雷击进行有效防御，需要不断明确自动气象站雷电防御存在的问题，并在此基础对台站雷电防护措施进行灵活应用，将自动气象站雷击危害降到最低，进一步促进气象观测工作可以顺利开展。

参考文献

[1]中国气象局.自动站站场室防雷技术规范QX30-2004[S].北京:气象出版社,2005.

[2]中国气象局.地面气象观测规范QX/T45-2007[S].北京:气象出版社,2007.

[3]中华人民共和国住房和城乡建设部,中华人民共和国国家质量监督检验疫总局建筑物电子信息系统防雷技术规范GB50343-2012[S].北京:中国建筑工业出版社,2012.

[4]黄燕娣，梁坚运，骆培绘，詹宇宁.浅析吴川市气象观测场防雷设施整改方案[J].广东气象.2016：38

[5]陈玉生,范雪琴,李鑫,等.浅析自动气象站场地防雷问题与防护对策[J].信息通信,2014(6).

[6]李锐锋.自动气象站防雷存在的问题及对策研究[J].城市建设理论研究 ( 电子版 ),2017,(09):288.

[7]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(04):115-116+114.

作者简介：骆培绘（1989.12）男，汉族，工程师，广东省湛江市吴川人，本科学历，主要从事防雷工程施工与管理工作。