四川省宜宾市防雷中心 四川省 宜宾市 644000
摘要：自动气象观测站（图1）遭受雷击事故，根据雷击现场勘察报告，依据防雷规范，对遭受雷击事故原因进行综合分析。查清原因对症采取整改措施。整改后，经过雷雨季节考验，自动气象站工作正常，整改措施效果良好。分析结果对所有自动气象站的雷电防护整改提供了宝贵的经验。
关键词：自动气象站；遭受雷击；原因分析；整改措施；效果良好
前言
宜宾某自动气象站（图1）2011-2012年间，2年连续遭受雷击，造成设备损坏，自动站瘫痪，导致数据缺失，严重影响了自动站的正常工作和作用的发挥。
根据现场勘察报告，雷击损坏的设备有：2012年7月21日该站遭受雷击，造成数据采集器主板损坏和值班室内电脑与采集器的接口损坏。
2012年9月11日，该站又遭受雷击，造成值班室电脑数据接口、主板损坏。
雷击造成设备损坏，导致自动气象观测站瘫痪。 经过次整改，措施有力，直至现今没有再发生雷击事故。宜宾多数自动气象观测站面临搬迁，为最大限度减小类似雷击事故再次发生，提供宝贵经验。
宜宾市地处四川盆地向云贵高原的过渡地带，该区域山高谷深，沟壑纵横，气候多变，气象灾害频繁，具有多发性和突发性的特点。据历史气象资料记载，该区域年平均雷暴日数在40.2天，雷暴极值达57天，按照国家防雷规范划分的标准，该区域属于多雷区。据不完全统计，仅2011-2012年2年全市发生雷电灾害事故200余起，造成5人死亡，经济损失上千万元。
图1 自动气象观测站外景
1．自动气象观测站 遭受雷击事故原因分析
1.1 防直击雷避雷针保护范围审核
（1）自动气象观测站防直击雷措施
自动气象观测站观测场是16X16m的，被保护物比较零散，避雷针高度 18米，避雷针安装在16m正方形的一条边的中央位置，自动气象观测站接地电阻经测试为1Ω，接地良好。
（2）避雷针保护范围的核对
根据参考质料[1]建筑物的防雷分类3.之3.0.3条,应按自动气象观测站应按第二类设计。
自动气象观测站应按第二类设计， 滚球半径为45m，被保护物高度比观测人员身高稍高些2 m为宜， 根据图1避雷针位子估算被保护的最远距离为 Re=√162+ 82 =32（m），用避雷针保护范围计算软件计算结果如图2 所示。避雷针高度超过滚球半径，被保护物不在避雷针的保护范围内。
图2 用计算软件设计避雷针保护范围图
1. 2 电源SPD 能量不配合的原因
电源SPD与被保护设备的能量配合的原则是：各级电源SPD的电压保护水平应始终小于被保护设备耐冲击过电压额定值。设备耐冲击过电压额定值在参考资料[2] 中给出,见表1。
表1 配电线路各种设备耐冲击过电压额定值
根据被保护设备所处界面位置和设备耐冲击过电压额定值选择电源SPD，使其电压保护水平小于被保护设备耐冲击过电压额定值，在电压保护水平方面上就实现了电源SPD与被保护设备的能量配合。
目前，用得较多的第一级开关型电源SPD的着火电压（10/350μs、1kV/μs）为2.5 kV；用于二级限压型SPD（8/20μs、20kA）的残压为1.5 kV；用于三级限压型SPD（8/20μs、5KA）的残压为1.2 kV，各级的限制电压均低于相应位置被保护设备的耐冲击过电压，实现了逐级防护的能量配合。特别值得注意的是：必须满足多级电源SPD之间的能量配合距离规定，第一级至第二级之间距离大于10m，第二级至第三级之间距离大于5m。
自动气象观测站现场只在测报室楼层电源进线处装有1级SPD（通流量40KA），测报室内电源进线处装有1级SPD（通流量20KA）。不符合规范规定三级防护，也没有达到多级电源SPD之间能量配合的要求。
在不满足多级电源SPD之间距离要求时，应该按照资料[2] 5.4.3之6条规定采用具有能量自动配合的电子触发型SPD实现能量自动配合。电子触发能量自动配合的三组合电源SPD不需要退耦元件，也不需要线线路的自然阻抗实现能量配合。
图3 电子触发能量自动配合的三组合电源SPD
可见，供电系统设计很不规范。电源SPD没有能量配合，不满足从末级到第一级的配合条件，电源SPD就不能正常启动。雷电感应瞬间强大雷电流侵入设备，是设备损坏又一原因。
1.3传输线的布线不规范的原因
根据现场勘测报告,2012年7月21日该站遭受雷击，造成数据采集器主板损坏和值班室内电脑与采集器的接口损坏。
2012年9月11日，该站又遭受雷击，造成值班室电脑数据接口、主板损坏。
采集器的接口损坏、电脑数据接口、主板损坏，原因是接地线和风向风速数据线都是经过风杆钢管内部引到地面，避雷针接地线穿出钢管后直接接到了环形地网上面，钢管也有一根接地线直接接到地网上面。资料[2]中5.3.4—4表5.3.4—1明确规定电子信息信号电缆与其他管线的距离。而自动气象观测站的接地线和风向风速数据线都是经过风杆钢管内部、避雷针接地线也在管内，避雷针接地、风杆接地、采集器接地，三者共用穿同一钢管后接地。
1.4．热崩溃使设备毁坏
防直击雷与防雷电感应共用接地是采集器的接口损坏、电脑数据接口、主板损坏的又一个原因。
防直击雷设施与防雷电感应设施共用接地装置，雷闪时，出现直击雷设施接地的瞬间高电位，通过防雷电感应设施接地线侵入设备，雷电的能量在设备接地点处转换成热能释放。高热量将地线烧断，将设备的元器件被热量毁坏，使设备损坏。这种现象，参考资料[3]称之谓“热崩溃”。
2.整改措施
2.1电源供电线路实施三级防护
在大楼总配电房处加装第一级雷电通流量为100KA的三相电源避雷器，风杆设备处安装第二级防反馈通流量为20KA单项电源避雷器；在室外设备电源取电处安装第三级防反馈通流量为50KA的单相电源避雷器。
2.2信号系统防护
避雷针保护范围不够，导致自动气象观测站区域内设备（包括各种馈线）遭受直击雷。自动气象观测站设备损坏，其中另一原因是雷电波侵入。参考资料[3]3.2.7雷电波侵入是由于避雷针保护范围不够，雷电流直接沿着电源馈线和信号线侵入损坏设备。
在设备的所有外信号线上分别安装相应信号避雷器，以防雷电感应和雷电流侵入损坏集器主板、采集器的接口、电脑数据接口、主板等。在室外设备出线、室内设备进线处安装一级信号避雷器，风向风速等进采集器主板处安装相应的信号避雷器（12只）。
2.3合理布线并采取电磁屏蔽
按资料[2]中5.3.4—4表5.3.4—1规定将电子信息信号电缆与其他管线的距离满足规范要求。而自动气象观测站的接地线和风向风速数据线穿过风杆钢管内部引出接地，实现了合理布线。
雷电电磁干扰通过传导、电磁辐射和感应耦合三种方式对电源及邻近用电仪器设备损伤。整改中解决电磁干扰主要方法就是对被干扰的线路进行屏蔽。采用资料[3]中5..5.3-4“系统的户外供电线路、视频信号线路、控制信号线路、应有金属屏蔽层并穿钢管埋地敷设，屏蔽层及金属管两端应接地”。实现电场磁场完善屏蔽措施，利用反向磁通抵消瞬间雷闪产生的电磁场的方法实现完善电场磁场屏蔽，如图4所示。
图4 磁通抵消屏蔽结构
雷电闪击瞬间，在磁场作用下，线缆屏蔽层和金属屏蔽管两端连通同时接地构成的屏蔽结构，在形成的闭合回路中产生的感生磁通方向与闪击瞬间磁通方向相反相互抵消，起到屏蔽磁场的作用。同时，
也能屏蔽电场。
采集器的接口损坏、电脑数据接口、主板损坏，原因是接地线和风向风速数据线都是经过风杆钢管内部引到地面，同时将钢管接地实现了
为了减小因雷击对电源线和信号线感应雷电流以及对电子设备的相互电磁干扰，这次整改对线路进行重新布置并采用金属桥架和金属软管相结合的方式进行屏蔽处理，并做可靠接地和等电位连接。
3.整改效果
该自动气象观测站经过整改后，电源供电线路实施三级防护、电源SPD能量配合、信号系统防护、合理布线并采取电磁屏蔽等起到良好防护作用。经过雷雨天气至今没有再出现雷击事故，电磁屏蔽及布线在此工程中起到至关重要的作用。
整改效果对所有自动气象站的雷电防护整改提供了宝贵的经验。
结束语
自动气象观测站两次遭受雷击其主要原因是在电源馈电线路和信号传输线上雷电感应产生电流使数据采集器主板损坏和值班室内电脑、采集器的接口损坏、电脑数据接口和主板损坏。整改采用屏蔽措施，效果良好。
另一原因是由于防直击雷避雷针保护范围不够，雷电波沿着馈线直接侵入SPD承受不起雷电流直接侵入；防雷电感应的电源SPD能量不配合；布线不规范是设备损坏的主要原因。
宜宾多数自动气象观测站面临搬迁，自动气象站具有地理环境特殊，电源、信号线路多的特点，为最大限度减小类似安全事故再次发生，应把防雷工程防护措施设计完善，做好雷电感应防护。
参考资料：
[1]《建筑物防雷设计规范》GB50057-2010
[2]《建筑物电子信息系统防雷技术规范》GB50343-2012
[3]《信息系统雷电防护术语》GB/T19633-2005
论文作者:周鹏,肖智丹
论文发表刊物:《基层建设》2018年第12期
论文发表时间:2018/6/13
标签：观测站论文; 避雷针论文; 雷电论文; 电源论文; 设备论文; 气象论文; 屏蔽论文; 《基层建设》2018年第12期论文;