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气象观测设备雷电灾害防御关键技术应用研究

发表时间：2020/8/19 来源：《基层建设》2020年第10期作者：黄嘉稳

[导读] 摘要：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。

        中山市气象公共安全技术支持中心 528400
        摘要：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。
        关键词：气象观测设备；雷电灾害防御；关键技术
        引言：近几年来，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。因此，近年来气象观测环境和探测设备的防雷工作引起了气象部门的高度重视，本文通过对多起气象观测设备雷击灾害事件的调查、分析和鉴定，开展了气象观测设备雷电灾害防御关键技术研究，取得了一些应用研究成果，并在指导整改的实践中取得良好的实效。
        1、雷击的危害及形式
        在气象观测过程中，为了获得确切数据，常将观测设备建在相对空旷且较高的场地，这大大增加了受到雷击伤害的可能性。雷击危害给气象观测设备带来了巨大的经济损失，为了避免这些损失的产生，需要对雷击做好有效的防御措施。我们应该对雷击危害进行了解和认识，明确雷击的危害和形式，如此才能更好地寻求解决雷击危害的方法。
        1.1 直击雷危害
        在雷电危害中，直击雷的危害最为常见，其危害方式非常简单，就是雷电直接击中气象观测设备，导致设备被强电流损坏。由于设备被击毁，气象观测无法正常进行，带来了严重的经济损失。
        1.2 间接雷危害
        间接雷危害就是雷电二次作用，即气象观测设备在正常运作下会产生大量的静电，由于雷电的产生，导致设备和雷电之间发生静电感应，形成巨大的电流。设备运行过程中无法承受如此大的电流，会直接被电流烧毁。
        1.3 线路连接危害
        在气象观测时，并不是所有设备都建立在室外，一些特别精密的仪器会存放在观测站室内。这些设备通过线路同外界的金属管道或高架铁塔相连。在做气象数据采集时，设备运行本身会产生大量电流，此时雷电击中金属管道或高架铁塔，雷电会顺着线路直接进入室内，雷电的高压和设备产生的高压相冲突，将设备损坏。
        2、气象观测设备雷击原因分析
        通过对大量气象观测设备雷击灾害现场的堪察分析，发现雷击原因主要有以下几方面。
        2.1 观测设备的防雷设计不科学
        通过对气象观测设备进行勘测，发现观测设备的防雷安全设计不到位，特别是采集器，存在防雷上的缺陷。采集器上设置了防护闪电电涌危害的三段保护，分别是过电流和电涌保护器、中继和RF过滤、精细箍位保护。虽然这种保护有一定的防雷功能，但信号通道采集器上使用了气体放电管，反应时间较长，会承受大的电流，需要增加压敏电阻进行保护。防雷板上的防雷元件会呈现无状态显示标识状态，导致防雷元件被损毁后无法及时发现和更换。

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        2.2 厂家在设备安装上技术指导不够
        通常气象观测设备安装人员多为气象部门大探中心或保障中心人员，对设备的防雷安全工作原理和安装注意事项不够了解，因缺乏厂家的现场指导，在防雷装置安装上较为混乱，表现为：（1）防雷保护接地材料粗细不一，安装方法各异；（2）采集器、防雷板、温湿模块等各种设备保护接地安装位置各不相同；（3）线缆屏蔽处理措施也各不相同。
        2.3 防雷设备安装不到位
        在对气象观测设备进行安装时，由于对设备的防雷原理和相关注意事项不够明确，设备的安装不够到位，经常出现采集器、防雷板等设备的保护接地不同，防雷保护接地材料不一致，线缆屏蔽处理方式不同等情况。一些气象观测站没有按照标准按照防直击雷设备，或安装方式不正确，都无法形成防雷作用，反而容易导致雷电事故的发生。气象观测站在接线时，没有按照标准方法，将电源线、信号线、馈线等胡乱布设，甚至直接接入室内，很容易因雷击导致电流直接侵入室内，将气象观测设备损坏。对于电源线、信号线等应采取屏蔽手段，外侧用绝缘装置进行屏蔽，不能直接接入室内，也不可绑在金属钢架上。否则会因雷击产生的感应雷电流对采集器等设备造成破坏。
        3、气象观测设备防雷安全关键技术要求
        3.1 规范安装直击雷防护措施
        规范安装气象观测场所与探测设备的防直击雷措施是首要任务。气象观测环境及观测设备应按照《建筑物防雷设计规范》（GB50057-2010）规定的第二类防雷建筑物设计安装直击雷防护措施，对于雷电环境恶劣，频频发生雷击损毁气象观测设备的台站，可考虑按照第一类防雷建筑物要求采取独立的防直击雷装置，将防直击雷接地装置与防闪电感应接地装置分开设置，降低雷击损坏设备的概率。另外，观测场内的防雷接地装置应根据探测设备布局进行布设，接地电阻值一般要求不大于 4Ω，应敷设成网格型接地体，能有效防止跨步对人员的危害，同时也能为设备安装 M 型网形结构等电位连接提供条件。观测场为边长 25m 的正方形场所，其最高物体为观测场东北角的风塔，高度约为 11m，为充分利用现有条件，其直击雷防护可通过安装在风塔上的接闪杆来实现，接闪杆通过绝缘材料安装在风塔上，使整个观测场内的所有气象设备基本处于风塔接闪杆有效保护范围内，接闪杆引下线采用多股铜芯线的屏蔽电缆，其截面积应不小于 50 mm 2 ，并沿风塔外边沿敷设入地，当接闪杆可采用独立接地网，该地网与观测设备的保护接地网间距符合《建筑物防雷设计规范》（GB50057-2010）S e1 的要求且不小于 3m 时，两地网最好各自独立设置；当受条件限制需共用地网时，接闪杆引下线入地点附近应设置不少于一根垂直接地体，并与观测场地网作可靠电气连接，连接点与其他设备接地点之间的距离宜大于10m。
        3.2 做好气象观测设备的等电位连接
        气象观测设备的等电位连接至关重要，按照《建筑物防雷设计规范》（GB50057-2010）及《建筑物电子信息系统防雷技术规范》（GB 50343-2012）等防雷技术规范要求，应将所有气象观测设备应就近与等电位连接网络或接地体连接，一般气象观测设备可采用 S 型等电位连接方式，对于频率为MHz 级的气象观测设备应采用 M 型等电位连接，通过两根接地线连接到等电位连接网络或接地体中去，等电位连接线的长度不宜大于 0.5m，其长度相差宜为 20%，等电位连接线采用铜芯线时其截面积不应小于 6mm 2 。
        3.3规范安装气象观测设备的保护接地
        对各类气象观测设备应采取可靠的保护接地措施，尤其是防雷板、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是非常重要的，经与北京某气象观测设备公司技术人员探讨，建议将防雷板中部位置处的孔洞采用不小于 2.5mm 2 的铜芯线接地，将采集器 VDC 端口的 G 接口处采用不小于 2.5mm 2 的铜芯线接地。为避免风塔接闪后通过地网泄放雷电流时对附近接地保护设备产生干扰，要求风塔防雷引下线接地点与观测场地网上其他接地保护设备之间的距离应不小于 10m。
        参考文献:
        [1]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检疫总局.建筑物防雷设计规范：GB50057-2010[M].北京:中国计划出版社，2010.
        [2]肖稳安.雷电和防护及防雷工程管理[M].北京:气象出版社,2009.