李伟明 黄照亮 郑丽颖
珠海市公共气象服务中心 广东珠海 519000
摘要：随着科学技术的飞速发展，气象观测的也逐步实现自动化。随着自动化改造进程的推进，气象观测领域的电子元器件、敏感设备等显著增加。部分电子产品无法彻底绝缘、部分电子产品无法承受过高的电流或电压，这些电子产品都容易与雷电现象相互感应，所以气象观测场需要做好防雷设计。本文对观测场雷电安全防护设计与施工中的问题进行分析后，提出解决改进方案，以供参考。
关键词：气象观测场；防雷设计；施工；问题
引 言
气象观测场都有防雷设施，但遭雷击的事件时有发生，造成资料的缺失和工作的被动。目前，随着观测设备的自动化，雷击对气象观测设备的影响随之增大。出现此现象的原因是多方面的。一方面,因气象观测需要，观测场一般设置在空旷的高地，易受雷击；另一方面，部分原有旧观测场建设时防雷设施存在不足，且未根据最新防雷规范进行防雷设施升级改造。这里有必要就目前气象观测场尚存在的相关防雷问题进行探讨。[1]
1 气象观测场防雷设计的原理
随着自动化改造进程的推进，气象观测领域的电子元器件、敏感设备等显著增加。部分电子产品无法彻底绝缘、部分电子产品无法承受过高的电流或电压，这些电子产品容易与雷电现象相互感应，如果一旦受到雷击，这些设备将会受到严重的损害，甚至，这些电子产品与雷电相互感应产生的闪电感应将会给现场值班人员的生命带来严重的威胁。为了减少气象观测场的电子产品受到雷电的干扰的风险，气象观测场要做好防雷设计工作，同时要通过良好的施工管理使防雷设计能够落实到位。
要做好防雷设计与施工管理工作，首先要针对雷电带来的安全问题进行详细分析，以便了解需要做好哪些方面的防雷措施；其次要根据气象观测场的需要安装好防雷装置；最后要通过适当的管理让防雷设计能完全实现。
2 气象观测场防雷存在的主要问题
2.1 防雷设施未能满足目前防雷规范的要求
目前，大部分观测场仍重点建设外部防雷设施，许多地方只注重直击雷的防护和安装SPD（浪涌保护器，下同），或虽然采取了一定的内部防雷措施，但是没有综合防雷的理念，比如对屏蔽，合理布线都没有足够地重视，无法满足现行防雷规范的各项要求。发生雷击事故后要侧重于从防直击雷的接地电阻上找原因。[2]
2.2 观测场的客观环境很难适应防雷规范的要求
关于气象台（站）的防雷，参见《气象台（站）防雷技术规范QX4-2015》的规定：
（1）建筑物屋面上安装的设备宜利用建筑物原有的接闪器进行直击雷防护,当设备不处于接闪器保护范围内时,应架设接闪杆。当建筑物屋顶上的永久金属构件满足接闪器要求时,可作为接闪器；
（2）在建筑物地下室或地面层处，建筑物金属体、金属装置、建筑物内电气和电子系统、进出建筑物的金属管线应与接地装置做防雷等电位连接。
其次由于观测场所处地理环境的影响，特别是山上土壤电阻率通常比较大，受雷击时，电流不能迅速导入地表。此外，观测场与值班室大多不属于同一地网，两者之一遭受雷击时，其接地网将产生一定的电位差，雷电流通过埋地的电缆连接线侵入到另一方，导致仪器或者电脑的损坏。此外，一般观测场的风向风速杆高度在10～12m，处于观测场最高处，因而通常在风向杆的顶端安装接闪杆作为接闪装置。由于目前自动化仪器的普及使观测场内线路越来越多，尤其是当采集器安装在风杆下的机箱内时，很难保证风向杆的引下线与线路之间的距离能够满足《建筑物防雷设计规范》（GB50057-2010）中的间隔距离要求。按照二类设计标准即Sa3≥0.06kclx（Sa3：空气中间隔距离；kc：分流系数；lx：引下线计算点到连接点的长度，连接点即金属物或电气电子系统线路与防雷装置之间直接或通过电涌保护器相连之点），此处为单根引下线，即kc=1，设lx=12m，则Sa3最小为0.72m。因此当风杆上的接闪杆接闪时，雷电流可能会击穿周围的空气对穿入机箱的线路产生反击，从而破坏采集器。[3]
2.3 电源、信号线路防雷存在隐患
2.3.1 电源SPD安装不当
受部分观测场现场条件制约，一般后加装的SPD安装上都存在一定的问题，如两端接线过长、接线与端子接触不良、接地线接地不良等，导致SPD两端电压降变大从而破坏设备。此外，由于没有遵循综合防雷的理念，往往在SPD配合上没有采取任何措施，误以为只要安装SPD就能起到防护作用了。[4]
2.3.2 信号线路的防雷产品不配套
目前，防雷产品已比较成熟，SPD对设备的防护有一定的功效，但是观测仪器的信号线并没有配套的防雷产品，自动站数据采集器遭到雷击破坏的情况也很多见，尤其是如今自动气象站的大范围普及和使用，单一的风杆上接闪杆和电源SPD是无法满足防护要求的。
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2.4 电源SPD的选型问题
《建筑物防雷设计规范》GB50057－2010、《建筑物电子信息系统防雷技术规范》GB50343－2012、《自动气象站场室防雷技术规范》QX4－2015这四本规范都对低压配电系统SPD的选取进行了规定，导致设计者在规范选用时无所适从。
笔者通过分析认为，在正常情况下，上述后两本规范规定的参数高于前两本规范的要求，也即行业标准高于国家标准。例如在只有电源线和信号线分别穿钢管进入观测室内的情况下，根据《建筑物防雷设计规范》GB50057－2010计算电源线（三相）上的雷电流为3．75kA（计算过程为0．3×150kA／2／2／3），明显低于后两本规范规定的参数值。在此情况下，应采用行业标准。然而，上述两本行业规范对气象站场室低压配电系统SPD选取的规定也略有不同，笔者认为《自动气象站场室防雷技术规范》QX30－2004规定的参数相对合理，可按照此规范的要求进行选取。这里需要特别指出的是，在LPZ0区与LPZ1区的分界面上，最好选用Ⅰ级分类试验产品，重点关注最大冲击电流（Iimp）这个参数；在LPZ1区与LPZ2区及后续防雷区的分界面上，宜选用限压型或复合型SPD，重点关注标称放电电流（In）和有效电压保护水平（UP／f）这两个参数。[5]
3 气象观测场站防雷安全对策
3.1 直击雷防护
气象观测场位于空旷的地带，场内的仪器设备突出，特别是10m以上高度的自动站风杆和人工风杆，很容易遭受到直接雷闪击。而风杆受损会导致室外设备受到毁灭性的损害，因此要保证全观测场内的设备仪器均处于接闪杆的有效覆盖范围内；将接闪杆内线沿风杆顶部引导线接入地网，引线需加以电子屏蔽保护措施，并保证导线与绝缘等级较高的电子绝缘点和风杆之间具有有效绝缘，并且芯线内部的多股缠绕铜线及其截面积应满足相关技术指标要求；当出现风杆无拉线的情况时，导线可通过风杆径直表面接入地网，并在导线接地处周围设置数枚垂直接地体，作为观测场地网的安全电气连接体，其连接点与其它仪器在观测场地接地点的距离应大于10m。
3.2 感应雷的防护对策
感应雷是指雷云对地放电过程中，放电通道周围空间的电磁场发生急剧变化，在附近导体上产生感应过电压。感应雷的引入通道主要包括电源系统引入、通信信号线系统引入、前向通道引入等，其中电源系统对感应雷的引入概率最大，因此对气象观测场站感应雷的防护也是极其必要的。感应雷的防护装置主要包括等电位连接系统、屏蔽系统、布线系统、浪涌保护器等，一般在电源线路上安装电涌保护器对电源线路进行保护，且为保障防护的安全性和可靠性，一般要安装三级电涌保护器，第一级安装在总开关位置，第二级安装在分配开关位置，第三级安装在用电设备直接连接的开关位置，以提高防护的全面性和可靠性。
3.3 信号线路的防雷对策
在气象观测站防雷对策中，和电源线路防护措施一样，信号线路防护措施也要采取多级式防护。这之中也要用到电涌保护器，将其安装在各级信号线路的防雷区，安装过程中要注意电涌保护器的选型问题，适合的型号才能发挥最好的作用，例如可在室外气象观测站的信号采集互联网线路上安装信号避雷装置。另外需要注意的是，气象观测站中各设施设备的电源线路和信号线路数量繁多，因此交叉现象是不可避免的。在防雷设施实施时，要避免两者信号源相互干扰，实现电磁兼容，必须将两者的间距进行精确计算将其控制在合适范围之内。[6]
3.4 接地防雷对策
接地是气象观测站重要的防雷措施之一，通常接地保护分为独立接地和联合接地两种。就目前我国气象观测站的实际情况，独立接地措施已经不再适用于观测站电子信息设备的防雷措施中，因此在进行接地保护时应最大限度地将单独接地摒弃，选用联合接地的方式。另外，接地措施单方面的使用并不能达到全面效果，还要根据实际情况与其他防雷技术相结合，对气象观测站全面防护，保障气象观测站的安全。
3.5 雷击电子脉冲防护
对自动气象站来说，雷击电磁脉冲主要通过与自动气象站设备连接的电源线、信号线路等侵入各种设备，通过风杆上避雷针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雷电防护区，但是由于区内的电磁场强度仍然保持在高强度状态，还需要采取雷击电子脉冲防护措施以减少电磁场的辐射从而保证自动观测系统的稳定运行。屏蔽是减少电磁干扰的基本措施。因此风向、风速数据收集线应使用带屏蔽层的电缆经金属风杆内敷设，收集线的外屏蔽层首末两端与风杆做可靠的电气连接，风杆电气连接观测场地网。当数据传输线无法敷设在金属风杆内或采用金属塔作为支撑物时，应将数据收集线穿金属管垂直敷设，金属管首尾应电气贯通，金属塔要做好与观测场地网的连接。观测场的设备电源线路、数据收集线路应使用带屏蔽层的电缆，并穿金属管埋地敷设，金属管和数据传输线的外屏蔽层应就近连接于电缆沟处或外转接盒处。当金属套管的长度超过2倍土壤电阻率时，应增加其他接地位点。
4 结束语
综上所述，由于多方面的原因，目前部分气象观测场的雷电防护装置存在着一定的问题，存在着雷击事故的隐患。在此呼吁各级气象主管机构充分重视气象观测场的雷电防护问题，进行认真地分析，并对存在的问题进行科学合理的整改，以减少气象观测场的雷击事故。
参考文献
[1]浅谈地面气象观测场防雷保护措施[J]. 白剑虹.??科技经济导刊.?2018(07)
[2]雷达站综合防雷保护探讨[J].颜如德,林巧灵,郑慧丹.??农业灾害研究.?2020（02）
[3]自动气象站存在的雷击安全隐患及防雷保护措施[J].阿迪力·阿布力克木.??农村实用技术.?2020（03）
[4]自动气象站遭受雷击的原因分析及防雷保护措施[J].王媛,田人妃,邓如露,张涛.??农家参谋.?2020（04）
[5]农村雷击事故多发原因及防雷保护对策[J].孙希山.??现代农业科技.?2017（17）