區(qū)域自動氣象站雷電防護研究

田春生

摘要 在現(xiàn)代社會中，氣象觀測對各行各業(yè)都有重要影響，自動氣象站也在氣象觀測中揮著越來越重要的作用。然而，由于其設備構造和位置的特殊性，自動氣象站易受雷擊，從而影響氣象數(shù)據(jù)的準確性和穩(wěn)定性?；诖耍治隽藘?nèi)蒙古地區(qū)雷電災害，探討了自動氣象站設備的雷電入侵途徑，并從設備結構與引雷保護、內(nèi)部電子設備的防雷設計、維護與定期檢測、人員培訓和防雷意識增強，以及雷電監(jiān)測系統(tǒng)的應用4個角度提出了提高自動氣象站防雷能力的建議。

關鍵詞 自動氣象站；雷電防護；氣象數(shù)據(jù)

中圖分類號：P415.12 文獻標識碼：B 文章編號：2095–3305（2023）09–0-03

作為一種自然災害，雷電災害經(jīng)常對區(qū)域自動氣象站造成嚴重的影響。在雷電活躍的地區(qū)，自動氣象站不僅需要具備高精度的數(shù)據(jù)采集功能，還必須具備強大的雷電防護能力，以確保設備的穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)的可靠性。針對內(nèi)蒙古地區(qū)的雷電災害特點，研究自動氣象站設備可能遭受的不同雷電入侵途徑，并探討相應的防護策略，為區(qū)域自動氣象站的雷電防護提供有益的參考。

1 內(nèi)蒙古地區(qū)雷電災害

雷電是一種短暫的閃電和雷鳴的天氣現(xiàn)象，常伴隨著電磁脈沖、電流沖擊等現(xiàn)象。內(nèi)蒙古地區(qū)以其廣袤的草原和特殊的氣候條件而聞名，形成了適合雷電發(fā)生的環(huán)境，使得該地區(qū)經(jīng)常受到雷電災害的威脅。廣闊的草原為雷電提供了充足的放電路徑，多變的天氣條件使得雷電活動更加活躍。該地區(qū)雷電災害具有發(fā)生頻率高、強度大、分布范圍廣的特點，不僅威脅著人類的生命安全，還會損壞當?shù)氐母黝愒O備和基礎設施。

作為關鍵的氣象數(shù)據(jù)采集工具，自動氣象站在氣象觀測和預測中扮演著不可或缺的角色。然而，惡劣的雷電條件對其正常運行和數(shù)據(jù)采集提出了巨大挑戰(zhàn)。雷電不僅能直接影響設備的穩(wěn)定性，還可能導致數(shù)據(jù)的丟失或失真。在雷電的頻繁威脅下，相關部門必須采取有效的防護措施，以確保自動氣象站不僅能夠在極端天氣中正常運行，還能夠提供高質(zhì)量的氣象數(shù)據(jù)，以支持氣象預測和災害防范工作。

2 自動氣象站設備的雷電入侵途徑

2.1 直接雷擊

自動氣象站是收集和傳遞氣象信息的關鍵觀測裝置，常被安裝在露天環(huán)境中。然而，其較高的位置和獨特的構造特點使其成為雷電的易感目標[1]。

在雷電活動期間，當大氣中的正負電荷分布不均，形成電場差，以及地面上的物體和建筑物具有不同的電位時，電荷之間的電壓差可能會達到極高的程度。當電壓差超過空氣絕緣能力時，就會形成閃電放電。這樣的閃電放電可能直接擊中自動氣象站，尤其是因處于開放區(qū)域且相對突出位置的自動氣象站。一旦閃電直接擊中自動氣象站，雷電電流會沿著設備內(nèi)部的導電路徑傳遞，導致設備內(nèi)部電子元件和電路受到電流的沖擊和破壞[2]。電流的高能量特性可能引發(fā)設備故障，甚至徹底損壞設備，影響氣象數(shù)據(jù)的采集和傳輸。

2.2 感應雷擊

感應雷擊是指自動氣象站并未遭受直接雷擊，其設備內(nèi)的電子元件仍可能因附近閃電放電所產(chǎn)生的電磁輻射而受到影響。當雷電放電產(chǎn)生時，會在空氣中產(chǎn)生電磁輻射波，這些波能夠在一定距離范圍內(nèi)傳播。當這些電磁輻射波接觸到自動氣象站內(nèi)的電子元件時，會在元件內(nèi)產(chǎn)生感應電流[3]。這些感應電流可能會導致設備內(nèi)部元件的電壓迅速升高，超出設備的工作范圍，進而引發(fā)故障甚至永久性損害。電子元件內(nèi)部的微小結構和電路也可能因此受損，影響設備的性能和數(shù)據(jù)的準確性。

自動氣象站作為現(xiàn)代氣象觀測的重要設備，其穩(wěn)定性和準確性對氣象數(shù)據(jù)的獲取至關重要。在雷電活動頻繁的地區(qū)，尤其需要重視感應雷擊的影響。通過合理的設備設計和防護措施，減輕感應雷擊對自動氣象站的影響，提高設備的穩(wěn)定性和可靠性，保障氣象數(shù)據(jù)的準確采集。

2.3 電氣連接通路

自動氣象站包括眾多電氣連接通路，如電纜、線路等，雷電電流可以通過這些通路入侵設備內(nèi)部，引發(fā)故障或損壞，從而影響設備的性能和數(shù)據(jù)采集。

在雷電活動期間，大氣中形成的強大電場和電流不僅可能通過空氣傳導，還可以通過電氣連接通路進行傳輸。電纜和線路等導體可能充當雷電電流的傳輸路徑，將雷電的能量引導至設備內(nèi)部[4]。在這種情況下，雷電電流會在電氣連接通路中傳遞，導致通路內(nèi)部產(chǎn)生過高的電壓，損壞通路內(nèi)的電子元件和設備。

此外，電氣連接通路在雷電活動中還可能產(chǎn)生電磁感應。當雷電在附近放電時，會產(chǎn)生強烈的電磁場。這個電磁場能夠穿透導體，包括電纜和線路，產(chǎn)生感應電流。這些感應電流可能在電氣連接通路內(nèi)產(chǎn)生干擾，影響設備的正常工作。例如：感應電流可能在信號傳輸中引起干擾，造成數(shù)據(jù)傳輸錯誤或丟失。

2.4 引雷保護不足

自動氣象站的穩(wěn)定運行與氣象數(shù)據(jù)的準確采集密切相關，而雷電的威脅往往會影響其性能。若自動氣象站周圍沒有足夠有效的引雷保護系統(tǒng)，會導致雷電放電無法被引導至地面，設備受雷擊的風險增加。

接閃針、接閃網(wǎng)等雷電防護裝置的缺乏或不合理設置，可能使雷電直接影響設備，帶來不可忽視的損害和風險[5]。雷電防護系統(tǒng)的作用在于將雷電放電的能量引導至安全的地面，從而減輕雷電對設備和人身的影響。然而，如果自動氣象站周圍缺乏避雷設施，雷電在產(chǎn)生時可能會直接擊中設備，導致設備受損甚至無法正常工作。

接閃針是一種常見的雷電防護裝置，它能夠有效地吸引雷電放電，將其引導至地下，避免對設備造成直接影響。接閃網(wǎng)則可以在更大范圍內(nèi)分散雷電電荷，降低雷電放電的概率[6]。然而，若雷電防護裝置的設置不合理，如位置不當或數(shù)量不足，仍會導致雷電在設備附近產(chǎn)生放電，危害設備的安全和性能。

3 提高自動氣象站防雷能力的措施

3.1 設備結構與引雷保護的改進

在確保自動氣象站正常運行的同時，提高其防雷能力尤為重要。為了實現(xiàn)這一目標，相關部門可以從設備結構與引雷保護方面進行改進，以有效減少雷電對設備的威脅。自動氣象站的布置和構造會直接影響其受雷擊的風險。將更高效的雷電防護系統(tǒng)納入設備結構，是提高防雷能力的關鍵。

首先，合理布置接閃針、接閃網(wǎng)等設施，能夠明顯地降低雷電直接擊中設備的概率。作為主要的引雷裝置，接閃針可以有效吸引雷電，將其引導至地下，從而避免雷電對設備產(chǎn)生直接影響。接閃網(wǎng)則可以在更大范圍內(nèi)分散雷電電荷，降低雷電放電的可能性。

其次，為了實現(xiàn)更高效的引雷保護，相關部門需要根據(jù)自動氣象站所處的站點特點進行個性化設置。地理環(huán)境、氣象條件等因素都會影響雷電的頻率和分布，在設置雷電防護裝置時，應綜合考慮這些因素，將接閃針和接閃網(wǎng)等裝置精準地安置在最有可能遭受雷擊的位置。這種定制化的引雷保護系統(tǒng)可以最大限度地降低雷電風險，保障自動氣象站的安全運行。

最后，在自動氣象站的建設和維護過程中，相關部門還應充分考慮周邊環(huán)境的變化。如果周圍建筑物、植被等發(fā)生變化，可能會影響雷電的傳播路徑，從而影響引雷保護的效果。因此，定期檢查雷電防護裝置的工作狀態(tài)，并根據(jù)需要進行調(diào)整和維修，是確保防雷持續(xù)有效的重要措施。

3.2 內(nèi)部電子設備的防雷設計

自動氣象站內(nèi)部的電子設備對雷電電磁場的敏感性使其易受雷擊影響。為了提高設備的防雷能力，應從內(nèi)部電子設備的角度進行防雷設計，采取一系列措施減輕雷電對設備的不良影響。

首先，電磁屏蔽技術的應用。自動氣象站內(nèi)的電子元件容易受到外界電磁輻射的影響，而合適的電磁屏蔽材料和構造能夠有效隔絕外界電磁波，減少其對設備內(nèi)部電子元件的干擾。通過在關鍵元件周圍設置電磁屏蔽，可以有效減少感應電流的產(chǎn)生，從而降低雷電引發(fā)故障的風險[7]。

其次，適當?shù)碾姎饨拥乇Ｗo。通過良好的接地設計，可以將雷電電流迅速引導至地面，從而減輕其對設備的影響。合適的接地系統(tǒng)能夠有效減少設備內(nèi)部電壓的變化，防止電子元件因電壓過高而損壞。在進行電氣接地時，相關部門需要確保接地系統(tǒng)的質(zhì)量和穩(wěn)定性，應該選擇合適的接地材料和連接方式，保障電流迅速流向地面，而不產(chǎn)生危險的電位差。此外，定期檢查和維護接地系統(tǒng)，確保其暢通無阻，也是防雷措施的重要一環(huán)。

最后，綜合設計與實施。防雷設計應綜合考慮電子元件的布局、連接和防護。從電路設計的角度，可以采用抑制電磁干擾的電路方案，減輕外界電磁輻射的影響。此外，選擇抗擊電流沖擊的元件，以增強設備的耐雷擊性[8]。

3.3 維護與定期檢測

設備的防雷能力不僅僅依賴于初期的設計和建設，定期的維護與檢測也至關重要。加強設備的維護和定期檢測，能夠保證防雷系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，從而有效防止雷電對設備造成影響。

第一，定期檢查避雷系統(tǒng)的工作狀態(tài)。雷電防護系統(tǒng)是自動氣象站防雷能力的核心。定期檢查接閃針、接閃網(wǎng)等設施是否正常工作，是否受損或堵塞；接閃針是否正常垂直于地面，接閃網(wǎng)是否完好并能夠有效分散雷電電荷，這些都會直接影響雷電防護系統(tǒng)的性能。如有異常情況，應及時進行修復和替換，以確保雷電防護系統(tǒng)能夠持續(xù)有效地引導雷電[9]。

第二，檢測電氣連接的完好性。設備內(nèi)部的電氣連接通路在防雷能力中起著重要作用。不合格的電氣連接可能導致雷電電流無法迅速引導至地面，增加設備受雷擊的風險。定期檢測電纜、線路等連接是否完好，是否存在斷裂、松動等情況，及時發(fā)現(xiàn)問題并進行修復，保證設備的防雷功能正常發(fā)揮。

第三，定期維護電氣接地系統(tǒng)。定期維護接地系統(tǒng)，保障接地材料和連接處的質(zhì)量，以確保電流能夠迅速流向地面。檢查接地材料是否腐蝕、損壞或松動，如果有問題，及時進行修復。同時，定期測量接地電阻，確保其在合理范圍內(nèi)，保障接地系統(tǒng)的有效性[10]。

第四，建立維護記錄和預警機制。建立維護記錄和預警機制，追蹤設備的維護情況和狀態(tài)變化。一旦發(fā)現(xiàn)問題，可以迅速采取措施進行修復，防止問題進一步擴大。

3.4 人員培訓和防雷意識增強

在提高自動氣象站的防雷能力方面，通過增強工作人員的防雷意識，培訓其了解防雷措施和應急處理程序，能夠有效增強整個團隊在雷電活動期間的安全防護能力。

第一，增強防雷意識。工作人員應該充分認識到雷電對自動氣象站造成的潛在危害。理解雷電的基本特點和影響，可以幫助他們更好地識別雷電威脅，及時采取措施保護設備。通過定期的安全培訓和教育，讓工作人員了解雷電相關知識，增強防雷意識，從而減少因雷電引發(fā)的安全風險[11]。

第二，培訓防雷措施和應急處理程序。工作人員需要清楚了解自動氣象站的防雷措施和應急處理程序。培訓內(nèi)容應包括雷電防護裝置的使用方法、雷電防護系統(tǒng)的工作原理，以及雷電來臨時需要采取的緊急措施，如暫時關閉設備、遠離高處等。掌握這些知識和技能，能夠在雷電活動期間迅速采取行動，保護設備和自身安全。

第三，制定安全操作規(guī)程。制定明確的安全操作規(guī)程是提高防雷能力的重要步驟。這些規(guī)程包括在雷電來臨時的行為準則、設備關閉程序等。工作人員應該熟悉并嚴格遵守這些規(guī)程，以降低雷電帶來的潛在風險[12]。

第四，定期演練和實踐。定期進行防雷演練和實踐，工作人員能夠在緊急情況下迅速反應，實際操作避雷設施，熟悉應急處理流程，提高應對能力。

3.5 雷電監(jiān)測系統(tǒng)的應用

引入雷電監(jiān)測系統(tǒng)是提高自動氣象站防雷能力的創(chuàng)新措施。這一系統(tǒng)能夠為設備提供及時的雷電活動信息，幫助預測雷電風險并在可能的雷電事件發(fā)生前采取適當預防措施[13]。這一應用不僅有助于保護自動氣象站免受雷電影響，還能增強數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定性和可靠性。

雷電監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)測和記錄周圍地區(qū)的雷電活動情況，包括雷電頻率、位置和強度等。通過實時獲取這些信息，自動氣象站可以更準確地評估周圍雷電風險，為后續(xù)防護措施的制定提供基礎數(shù)據(jù)。

基于雷電監(jiān)測數(shù)據(jù)，可以預測雷電活動的趨勢和可能發(fā)生的時間。一旦監(jiān)測到雷電風險逐漸升高，自動氣象站可以采取預防措施，如暫時關閉設備、斷開電源、遠離高處等。這些措施可以在雷電來臨前充分準備，最大限度地保護設備和人員的安全。

雷電活動可能導致設備故障或數(shù)據(jù)采集中斷，進而影響氣象數(shù)據(jù)的準確性。通過應用雷電監(jiān)測系統(tǒng)，自動氣象站可以根據(jù)雷電風險情況調(diào)整工作模式，暫停數(shù)據(jù)采集等操作，以避免雷電活動對數(shù)據(jù)采集產(chǎn)生干擾，保證數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定性和可靠性[14]。

4 結束語

通過分析內(nèi)蒙古地區(qū)雷電的形成和特點，揭示了自動氣象站易受雷擊的原因。在現(xiàn)有防雷措施的基礎上，提出了進一步提高防雷能力的建議。提高自動氣象站的防雷能力，不僅可以保障氣象觀測的準確性和穩(wěn)定性，還能延長設備的使用壽命，為氣象觀測提供寶貴的氣象數(shù)據(jù)。

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Research on Lightning Protection for Regional Automatic Meteorological Stations

Tian Chun-sheng （Meteorological Bureau of Alxa League， Inner Mongolia Autonomous Region， Alxa League， Inner Mongolia 750300）

Abstract In modern society， meteorological observation has a significant impact on various industries， and automatic weather stations are also playing an increasingly important role in meteorological observation. However， due to the unique structure and location of its equipment， automatic weather stations are susceptible to lightning strikes， which affects the accuracy and stability of meteorological data. Based on this， the characteristics of lightning disasters in Inner Mongolia were analyzed， and the lightning intrusion pathways of automatic weather station equipment were explored. Suggestions were proposed to improve the lightning protection ability of automatic weather stations from four perspectives： equipment structure and lightning protection， lightning protection design of internal electronic equipment， maintenance and regular testing， personnel training and awareness enhancement， and the application of lightning monitoring systems.

Key words Automatic weather station; Lightning protection; Meteorological Data