自动气象站风向杆作防雷接闪器的利弊分析

摘 要本文依据《建筑物防雷设计规范》GB50057-94（2000版），分析利用风向杆作为自动气象站防雷接闪器的利弊，探讨自动气象站正确的雷电防护措施，目的是减少或避免雷电灾害造成的人员伤亡和设备损失。

关键词自动气象站；防雷；利弊分析

中图分类号TM文献标识码A文章编号1673-9671-(2011)092-0113-01

现代科学技术突飞猛进的跨越，促进了各项事业的快速发展。气象要素的探测采集，也由现在的自动观测代替了过去传统的人工观测。为了尽快掌握各地气象要素，各市、县又建立了许多6要素、4要素自动观测站。由于自动气象站大都以风向杆作为防雷接闪器，保护周围设备避免遭雷击。虽然节约了一些成本，但也带来了一定的防雷隐患。一旦遭雷击，损失面会更大。为了科学防护雷电灾害，有效保护人员和设备财产安全，探讨如下。

雷云对地放电，能够对地面上的建筑物和设施构成严重危害，其危害主要分为两类：直接危害和间接危害。直接危害主要表现为雷电引起的热效应、机械效应和冲击波等；间接危害主要表现为雷电引起的静电感应、电磁感应和暂态过电压等。雷云对地放电时，强大的雷电流从雷击点注入被击物体，其热效应可使雷击点周围局部金属熔化，当雷电击中草堆和树木时，能将草堆和树枝引燃；当雷电击中输电线路时，可将其熔断。这些都属热效应，如果防护不当，就会酿成火灾，带来更大的损失和灾难。雷电机械效应所产生的破坏作用主要表现为两种形式：电动力和内压力。由于雷电流幅值很高，作用时间很短，击中树木或建筑构件时，在其内部瞬时产生大量热量，在短时间内热量来不及散发出去，致使物体内部的水分被大量蒸发成水蒸气，并迅速膨胀，产生巨大的爆炸力。雷电的静电感应和电磁感应作用均属于雷电的间接危害。当空间有带电的雷云出现时，雷云下的地面及建筑物等，都因静电感应而带上相反的电荷。从雷云的出现到发生雷击（主放电）所需时间相对于主放电过程的时间要长得多，雷云下的地面及建筑物等有充分的时间累积大量电荷。当雷击发生后，局部地区的感应电荷不能在同样短的时间内消失，形成局部高电压。这种由静电感应产生的过电压对接地不良的电气系统有很强破坏作用。建筑物内通常敷设着各种电源线、信号线和金属管道（如：供水管、供热管和供气管等），这些线路和管道常常会在建筑物内的不同空间构成环路。当建筑物遭受雷击时，雷电流沿建筑物防雷装置中各分支导体入地，流过分支导体的雷电流会在建筑物内部空间产生暂态脉冲电磁场，脉冲电磁场交链不同空间的导体回路，会在这些回路中感应出过电压和过电流，导致设备接口损坏。雷电流产生的暂态脉冲电磁场不仅能在建筑物内的导体回路中感应过电压和过电流，而且也能在建筑物之间的通信线路中感应出过电压和过电流。但是，这些电子设备普遍存在着绝缘强度低、过电压和过电流耐受能力差、对电磁干扰敏感等弱点，一旦建筑物受到直接雷击或其附近区域发生雷击，雷电过电压、过电流和脉冲电磁场会通过供电线、通信线、接收天线、金属管道和空间辐射等途径侵入建筑物内，威胁室内电子设备的正常工作和安全运行。如防护不当，这些雷害轻则使电子设备误动作，重则造成电子设备永久性损坏，严重时还可能造成人员伤亡。

1自动气象站风向杆作防雷接闪器的有利方面

根据《建筑物防雷设计规范》GB50057-94（2000版），按照滚球法计算，如果自动气象站风向杆能作为直击雷防护的接闪器，这无疑能节省成本支出，节约安装费用。

2自动气象站风向杆作防雷接闪器的弊端

1）风向杆的高度不够，保护半径较小，不能完全保护周围的设备（包括建筑物）。

2）风向杆与周围的设备没有足够的安全距离。《建筑物防雷设计规范》GB50057-94（2000版）规定：“为了防止雷电流流过防雷装置时产生的高电位对附近金属物或电气线路的反击，四周设备（包括：人和建筑物）应有一定的安全距离”具体来说，就是雷电流在接闪器和引下线上所产生的电压降对地形成冲击过电压，向附近物体放电形成冲击。最小安全距离（二类防雷建筑物）必须符合S=0.3Rc（Ri+0.1Lx）：

其中：Rc-分流系数；

   Ri-引下线的冲击接地电阻，取10Ω；

   Lx-引下线计算点到地面的长度，10m。

   计算得S=3.3m。

由于自动气象站受场地限制，风向杆与数据箱、太阳能板、雨量计等设备距离较近，而且上述设备的灵敏度高、耐压程度较低，往往造成反击损坏设备。风向杆一旦遭受雷击，强大的雷电流会使风向杆周围空间产生空间雷击电磁脉冲，所产生的电场和磁场能耦合到电气或电子系统中，从而产生破坏性的冲击电流或电压。这种空间磁场通过传导和数据箱、太阳能板、雨量计等设备的金属部件电磁感应及各种耦合，造成雷电感应事故的发生。

3）风向杆下面的数据箱有电源线和数据线引出，容易通过导线将强大的雷电流引入室内，损害计算机及其他配电设备。我们知道风向杆下面的数据箱有电源线和数据线，它们与室内的计算机网络、配电设施相连接。如果风向杆遭雷击，必然使数据箱感应过电压、过电流，并产生瞬态磁场脉冲。这种磁场脉冲通过电源线和数据线干扰所形成的回路，毁坏回路中的电气及电子设备。如果风向杆受到避雷针的保护，就不会遭受大于预计雷电流的直击雷，风向杆下面的数据箱基本不会有雷电感应，因此不可能将雷电流通过电源线及数据线等感应到其他地方（设备），能够有效的防治雷电感应。

4）对气象观测人员的人身安全也有影响。风向杆作避雷针，除了不利于防直击雷，还容易造成反击，即接触电压和跨步电压。在地面上离设备水平距离为0.8m处与沿设备外壳，构架或墙壁垂直1.8m处两点间的电位差，称为接触电势；绝缘损坏后能同时出击的部分之间出现的电压或者人体接触该两点时所承受的电压，称为接触电压。地面上水平距离为0.8m的两点间的电位差，称为跨步电势；人体两脚接触该两点时所承受的电压，称为跨步电压。观测员观测的时间性很强，即使打雷都要按时巡视仪器和准时观测。万一观测员在打雷时正好在接地体附近行走，两脚接触的电压超过最大接触电压和跨步电压，会威胁人身安全。

综上所述，用自动气象站风向杆代作防雷接闪器的弊端较多，不安全。如若一定要用自动气象站风向杆代作防雷接闪器，应按照《建筑物防雷设计规范》GB50057-94（2000版）规定要求，做好接地、以及观测场设备的等电位联结，以免遭受雷击危害时适得其反，对观测场设备、观测人员产生危害。

参考文献

[1]陈渭民.雷电学原理[M].北京:气象出版社,2003.

[2]川濑太郎.赵丽艳,等译.接地技术与接地系统[M].北京:科学出版社,2001.

[3] GB50057-94建筑物防雷设计规范[S].