自动气象站雷电环境及暂态电位分布的研究

孙自胜 岳国海 程虎 江亮

摘 要：自动气象站的普及既提高了观测效率又节约了大量人力，但由于自动气象站观测需要建设在空旷的野外，在雷雨季节极易遭受雷击，雷击过电压经常导致观测场内仪器发生损坏。该研究选取霍山县城关自动气象观测站作为研究对象，利用安徽省ADTD闪电定位数据，分析和统计了其周围的雷电环境特征，再结合自动气象站周围的土壤特性，建立了其地网模型，对其暂态地电位进行仿真。结果表明，无防护措施时，地面跨步电压的极值为457.59V。研究结果可为后续自动气象站的建设和雷电防护提供参考。

关键词：自动气象站;直击雷;土壤模型;暂态地电位

中图分类号 P415.1+2 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2022）08-0181-04

Research on Lightning Environment and Transient Potential Distribution of Automatic Weather Station

SUN Zisheng1   YUE Guohai2   CHENG Hu1   JIANG Liang1

（1Lu'an Meteorological Bureau， Lu'an 237000， China; 2Shucheng Meteorological Bureau， Shucheng 231300， China）

Abstract： The popularization of automatic weather stations not only improves the efficiency of observations， but also saves a lot of manpower. However， because automatic weather stations need to be built in the open field for observation， they are vulnerable to lightning strikes during the thunderstorm season. Lightning overvoltages often lead to instruments in the observation field damage has occurred. This paper selects the Huoshan County Chengguan Automatic Meteorological Observation Station for related research， using the ADTD lightning location data of Anhui Province to analyze and count the characteristics of the lightning environment around it. Combined with the characteristics of the soil around the automatic weather station， the ground network model was established， and its transient ground potential was simulated， and the extreme value of ground step voltage is 457.59V without protective measures， which provides a reference for the subsequent construction of the automatic weather station and lightning protection.

Key words： Automatic weather station; Direct lightning strike; Soil model; Transient ground potential

隨着电路集成化水平不断提高，微电子器件的电磁脉冲耐受能力却不断降低。20世纪60年代电子管的耐受能量为0.1～10J，而目前大规模集成电路的耐受能量仅为10-8～10-6J，相差有7个数量级。随着区域预报准确性的要求不断提高，多要素自动气象站的数量也在不断增加，气象仪器的精确度要求也越来越高，而耐受过电压能力却出现大幅下降。另一方面，由于气象站的选址规定，需要建在空旷、无高大建（构）筑物遮挡的地方，这也为直击雷的发生提供了有利条件。目前国内有些学者对此进行了研究。林苗青等[1]分析了自动气象站的组织构成、雷电过电压强度以及入侵途径。徐丹等[2]对农村区域自动气象站的防雷措施进行了探讨及分析。郑西等[3]对山区自动气象站遭受雷击特点进行了探讨分析。张东明等[4]针对自动气象站防雷技术对农业的影响进行了探讨和分析。但以上学者主要从理论分析或从雷击现场反演雷电袭击的途径，为考虑自动气象站周围的闪电环境的影响，笔者提出以自动气象站周围的雷电环境为背景，结合对现场土壤环境的勘测，建立相关地网模型，仿真得出雷击暂态过电压分布情况，为后续自动气象站的建设和雷电防护提供参考。

1 自动气象站周围闪电特征

霍山县自动气象站位于县城城关，近些年在雷雨季节经常遭受雷击，对气象数据的正常传播和附近的居民生活带来了较大隐患。利用2006—2020年安徽省气象局闪电监测资料，统计分析自动气象站周围的地闪密度、闪电监测、雷电流特征及雷电主次导方向闪电参数分布变化。图1显示了以自动气象站为中心向外5km为半径的周边地闪次数，数值为6.13次/km2.a，对比周围数值，可知自动气象站区域内地闪密度最大，这与实际观测到的雷电概率一致。由图2可知，标的物所在地半径5km范围内以负地闪为主，正地闪为辅。数据显示，在半径5km范围内，平均年总闪电次数为5581次，标的物附近负闪电集中，平均年负地闪次数达到了5302次，大约占总地闪的95%，正地闪只有5%，这与实际自然界观察的结果一致，正地闪出现的频次很少。

由圖3可知，该区域雷电流幅值分布呈现“中间大，两头小”的趋势，小雷电流幅值区间为10.1～15.8kA（所占比例5.87%），大雷电流幅值区间为大于100kA（所占比例11.57%），位于中间部分的雷电流幅值区间为15.8～50.8kA及50.8～100kA（所占比例分别为44.42%、21.01%，累计比例65.43%）。从雷电流幅值分布得知，今后主要拦截幅值区间为15.8～100kA中段雷电流，这对后续安装浪涌有一定的指导性作用[4-6]。由图4可知，通过闪电定位仪数据统计分析，该自动气象站有来自各个方向的雷电，但是在西南和东北2个方向较多，东南方向较少。这表明在设置接闪杆时应兼顾覆盖保护范围和方位的选择，雷暴过境时应提高警惕，减小或避免生命和财产损失。

通过上述分析可知，气象观测站所在区域范围的雷电流强度属于中等水平，但是气象观测站的地闪密度在研究范围数值最大，因此可以从直击雷和感应2个方面进行雷电防护。直击雷可采用独立接闪杆和设置均压环的方法，确保该观测站能够在接闪杆保护范围以内;均压环的设置可以使雷电流及时泄入大地，同时避免反击的发生。另一方面，由于现代智能化气象仪器朝着微型化、精准化的方向发展，致使其耐受外界过电压能力不断减弱，因此防止电涌侵入仪器也是防雷的重要组成部分[7-9]。为了安全起见，以雷电流幅值的最大值100kA作为浪涌防护的临界值。

2 暂态地电位仿真

随着目前雷电理论的不断完善和成熟，闪电产生的新机理也在不断被提出，比如土壤电阻率、接闪器尖端形状以及当地的气候等因素。根据现场的土壤勘测，采用文纳四极法对自动气象站周围的土壤电阻率进行测量，分别取间1～5m进行多次测量求平均值，形成拟合曲线（图5），利用CDEGS拟合土壤电阻率与深度的关系，形成土壤电阻率的3层结构，其与厚度分布情况如表1所示。

基于对该自动气象站的勘测和设计情况，选取环形结构地网作为为地网模型[10]。外环为15m的环形接地体，与水平接地体连接。水平接地体交叉处采用2.5m角钢连接（图6）。为了便于计算统计，对地网模型进行1～40编号。结合上述闪电参数分析，得知自动气象站周围的雷电流平均幅值为100kA，以此作为自动气象站仿真的激励源。雷电波采用2.6/50μs波形，通过正向傅里叶变化将时域转化为频域（图7），结合上述参数利用CDEGS软件对自动气象站的二维、三维跨步电压进行仿真[11-12]。由图8可知，自动气象站的二维跨步电压向四周呈辐射状分布，由径向向外增大趋势，内部中心处最先跨步电压为47.85V，而外围无防护措施时跨步电压在极值457.59V。由图9的三维跨步电压仿真可以看出，该三维跨步电压分布呈“漏斗”形状，中间低、外围高的分布规律。因此自动气象站的前期施工既需要根据图纸设计要求，也要根据现场的雷电环境，因地制宜选择防雷施工方案[13-15]。

3 小结

通过对自动气象站周围雷电环境分析以及地网跨步电压的仿真，可知自动气象站的地闪密度为6.13次/km2.a，属于高风险区;附近主要以负地闪为主，正地闪数量极少;有来自各个方向的雷电发生，但是西南和东北方向偏多;建立环形结构作为该自动气象站的地网模型，仿真得出外围无防护措施时跨步电压在极值457.59V，后续施工时应增加相应的防跨步电压措施。

参考文献

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（责编：徐世红）