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1.雷电预警在爆炸品生产企业中的工程应用 ∗
作者：刘杰;郭军成;胡秋红;王光明;熊引
作者单位：
关键词：爆炸品;雷电灾害;雷电预警;主动防雷技术
［摘 要］ 以爆炸品生产企业雷电环境和雷电预警系统的应用为研究对象，分析了项目 １０ ｋｍ 半径范围内的雷电 环境、已建设雷电预警系统的有效性和所发生雷电灾害的损失类型，探讨了提升雷电预警系统准确率的方法以及 如何利用雷电预警信号进行微电子设备的主动防雷。 研究的爆炸品生产企业处于雷电灾害频发区域，雷电主要集 中发生时段为每年的 ３ ～ ９ 月，雷电日分布在 １６ 时至次日 ８ 时，地闪强度主要集中在 １２０ ｋＡ 以内，闪电电涌侵入、 闪电静电感应和雷击电磁脉冲造成电气及电子设备多次损坏。 研究发现，对项目划定目标区域、预警区域和警示 区域，综合利用多元化气象资料和融合雷电预警方法，可提高雷电预警的准确率；利用雷电预警信号自动断开与恢 复供电线路，采取线路物理隔离措施增强微电子设备对雷电灾害的防御能力，可减少雷电灾害损失。
０ 引言
雷电灾害是对爆炸品生产影响极大的自然灾 害，闪电伴随的机械效应、热效应和电磁感应等会对 地面物体造成损坏。 爆炸品生产企业一旦发生重大 雷电灾害，将对人员、环境和经济等造成不可估量的 损失。 目前，各国的主流防雷技术包括建设接闪、避 雷器、屏蔽和等电位连接等措施，形成了直击雷、闪 电电涌侵入、闪电静电感应和雷击电磁脉冲综合被动防雷系统，有效提高了防雷水平［１］ 。 同时，这些 被动防雷措施也存在一定的安全隐患，当闪电放电 过程中初始形成的长连续电流和随后产生的回击电 流共同作用、或者长连续电流过程被初始连续电流 脉冲叠加时，通过电涌保护器（ＳＰＤ）的能量会迅速 增加，额定流量的 ＳＰＤ 容易损坏［２⁃６］ 。 为解决这些 问题，一些学者提出：在雷暴到来之前，为受保护设 施提供准确、及时的雷电预警信息，并采取自动或人 为主观能动的主动防雷措施，可以有效避免或减少 雷电造成的损失［７⁃９］ 。
本研究中，爆炸品生产企业处于雷电易发区域， 生产区、总库区存在易燃、易爆风险。 经过 １０ 余年 的发展，生产过程已实现了连续化和自动化。 对生 产过程的集中控制、监视和管理等应用了大量的电 子信息系统。 因此，对闪电电涌侵入、闪电静电感应 和雷击电磁脉冲防御措施的有效性提出更高的要 求。 该厂区于 ２０１８ 年建设了雷电预警系统，并制定 了相应的雷电预警应急措施，在一定程度上避免了 重大雷电灾害事故的发生，但因雷电造成电子设备 损坏的事故还时有发生。
通过对本爆炸品生产企业所在区域半径 １０ ｋｍ 范围内的雷电环境和所采用的雷电预警措施有效性 进行分析，探讨了如何提高雷电预警的有效性及工 程应用。
１ 项目区域雷电环境分析
为了明确研究项目采用雷电预警系统的必要 性，分析所在区域发生雷电灾害的原因，研究雷电预 警在该项目中的工程应用。 以安顺久联民爆有限责 任公司雷电预警系统为例，研究数据包括：项目位置 半径 ｒ ＝ １０ ｋｍ 范围近 ５ ａ（２０１８⁃０６—２０２３⁃０６）的闪 电数据，来源于中国气象大数据天擎系统；大气电场 数据，来源于研究项目本地安装的大气电场仪同期 数据；雷电预警事件，来源于研究项目已建设的雷电 预警系统；雷电灾害事件，为研究项目实际发生的雷 电灾害。
近 ５ ａ 来，本爆炸品生产企业所在区域 １０ ｋｍ 半径范围共发生地闪次数 Ｎ ＝ ３ ５８７，强度主要集中 在 １２０ ｋＡ 以内，占比达 ９８． ３％ ，最大闪电强度超过 ２００ ｋＡ（图 １）。 一年中的闪电活动主要发生在 ３ ～ ９ 月，月平均曲线为单峰曲线，占比 ９８． ８％ ；其中，６ 月 最频繁（图 ２）。 符合汛期内高温天数多、热力不稳 定条件加强、近地面层对流活动加剧等特点， 易于 雷暴发生［１０］ 。 一天中的闪电主要发生时段为 １６ 时 至次日 ８ 时，占比９６． ３３％ ，符合贵州省夜雨多发的 实际情况（图 ３）。
为了更好地表征研究项目所在区域的地闪情 况，计算 ５ ａ 内地闪密度
按贵州省雷电易发区划图，本爆炸品生产企业 所在区域半径 １０ ｋｍ 范围内为雷电易发区［１１］ 。
２ 已建设雷电预警系统的有效性分析
２． １ 基于大气电场变化的雷电预警
在爆炸品生产企业所在区域安装场磨大气电场 仪。 电场监测范围为 － ３００ ～ ＋ ３００ ｋＶ／ ｍ，电场分 辨率 ＜ ５ Ｖ／ ｍ，灵敏度 ＜ １０ Ｖ／ ｍ，响应时间 １ ｓ。 通 过大气电场仪监测雷暴生命周期中的 ４ 个阶段：初 始阶段、成长阶段、成熟阶段和耗散阶段。 采用阈值 法，理论上可以提前 １５～３０ ｍｉｎ 进行雷电预警［１２⁃１３］ 。 考虑到地形因素，设定探测半径为 １０ ｋｍ，三级预警 的阈值为 ２、 ４ ｋＶ／ ｍ 和 ６ ｋＶ／ ｍ。 当大气电场强度 达到阈值时，发布或解除雷电预警。
２． ２ 对应雷电预警应急措施
雷电预警级别表示闪电发生概率，根据预警级 别采取相应的应急措施，有助于预防或减小雷电灾 害损失。 当发布三级预警时，建议持续关注雷暴天 气过程，直至解除雷电预警；发布二级预警时，建议 停止作业，断开敏感设备或使用内部电源供电，危险 物品和人员需要撤离到防雷安全区域，直到解除雷 电预警；发布一级预警时，建议立即停止作业，断开 敏感设备或使用内部电源供电，禁止人员和危险物 品停留在暴露区域，直至解除雷电预警。
２． ３ 对不同半径范围内发生闪电的预测准确率
大气电场数据是根据电场强度变化预计闪电的 发生，表现为位置的不确定性。 闪电定位数据是闪 电发生后记录的实际数据，表现为已知确定性。 利 用贵州省闪电定位数据，以雷电预警监测设备为中 心，１、 ３、 ５ ｋｍ 和 １０ ｋｍ 为半径，选取相应范围内近 ５ ａ 的闪电资料，相应范围内的地闪次数见表 １。
按雷电预警系统的预警提前量，闪电发生前 １ ｈ 内触发雷电预警，则此次闪电被成功预测，否则为漏 警。 以此为标准，计算雷电预警系统的准确率
式中：Ｐ 为雷电预警系统准确率；ＮＣ 为不同半径范 围内成功预测的闪电次数；ＮＭ 为不同半径范围内未 预测到的闪电次数。
经计算，雷电预警系统对 １ ～ １０ ｋｍ 范围的闪电 预警准确率如图 ４ 所示。 从图 ４ 可见，雷电预警系 统的准确率较低。
３ 雷电预警系统的优化措施
本爆炸品生产企业区域为雷电易发区域，且已 经发生多次雷电灾害。 以上分析可知，项目中采用 的雷电预警系统有助于减少或减轻雷电灾害带来的 损失，但该系统预测准确率较低。 雷暴天气一般伴 随有其他强对流天气过程。 因此，采用大气电场仪、 闪电定位仪和多普勒雷达进行综合雷电探测措施， 根据三级预警模式建立不同的预警区域，利用多源 气象资料和预警方法建立综合雷电预警模型。
３． １ 多源气象资料和融合预警方法
本项目雷电预警系统采用的监测设施主要是大 气电场仪，缺点是探测范围较小，且没有方向性，导 致雷电预警系统准确率较低。 综合利用闪电定位资 料、大气电场资料和雷达资料，开展雷电预警，会极 大提高雷电预警的准确率［１４］ 。
大气电场仪优点在于短时临近预警效果较好， 常用的雷电预警方法包括阈值法、电场极性反转法 和电场跳变法等（图 ５）。 阈值法就是分级设定阈值 Ｅ１ 、Ｅ２ 、Ｅ３ ，当范围内电场强度达阈值时，便发布相应 等级的预警。 设定本项目雷电预警系统三级、二级 和一级预警的阈值为 ２、 ４ ｋＶ／ ｍ 和 ６ ｋＶ／ ｍ。 极性 反转法就是电场极性反转且幅值超过 ２． ５ ｋＶ／ ｍ 时 产生雷电预警。 电场跳变法就是当电场强度绝对值 超过晴天大气电场临界值（ 本项目设定为 ２ ｋＶ／ ｍ），且出现相连 ２ 个时刻的电场变化率大于 ５０％ 时 产生雷电预警，数据时间间隔约为 １ ｓ。 当数据间隔 超过 ３ ｍｉｎ 时，认为数据不可用。
本项目中同时采用３种预警方法。阈值法的一 级预警、电场极性反转法和电场跳变法遵循预警优先原则，分别得到是否产生雷电预警的结果，产生记 为 １，不产生为 ０。 图 ５ 中，ＮＦ 为预警空报次数；Ｆ 为预警空报率；Ｍ 为预警漏报率；ＴＳ 为预警评分；Ｓ 为综合预警结果；ｋ 为 ３ 种雷电预警方法顺序；ｉ 为 阈值法的三级阈值；Ｃ 为是否产生雷电预警的结果。
３． ２ 预报区域及综合雷电预警优化措施
分析本爆炸品生产企业发生的雷电灾害可知， 造成企业雷电灾害的主要原因是闪电电涌沿电源线 路侵入和闪电静电感应，而电源线路由直线距离 ８ ｋｍ 处的变电站架空引来。 该区域内的雷电对本爆 炸品生产企业的安全影响极大。 因此，设定雷电预 警系统目标区域半径为 １０ ｋｍ。 从保障安全的角度 考虑，需要设定预警区域和警示区域作为目标区域 的辅助［１５］ 。 设定半径 １０ ～ ２０ ｋｍ 为预警区域，半径 ２０ ～ ３０ ｋｍ 为警示区域。
结合预报区域、多源气象资料和雷电预警方法， 建立三级精细化雷电预警模式。 本爆炸品生产企业 区域大气电场触发三级预警时、或警示区域有闪电 发生且雷达回波向预警区域移动时，发布雷电三级 预警，起警示作用；大气电场触发二级预警时、预警 区域有闪电且雷达回波向目标区域移动时、预警区 域有闪电且项目位置大气电场触发一级预警时，发 布雷电二级预警并启动雷电预警应急响应；大气电 场触发一级预警时、项目目标区域有闪电发生时、预 警区域有闪电发生且雷达回波向目标区域移动时、 项目位置大气电场触发雷电预警时，发布雷电一级 预警。 此时，启动雷电预警应急响应，目标区域内禁 止生产和户外活动。 当大气电场不满足触发雷电预 警条件、目标区域和辅助区域均无闪电发生、雷达回 波在警示区域外时，解除雷电预警。
４ 雷电预警的工程应用
４． １ 基于雷电预警的主动防雷技术
利用雷电预警信号，实现自动切断闪电电涌或 雷击电磁脉冲沿电源线路侵入设备的耦合途径，从 而使电源线路在 ＬＰＺ０（防雷保护 ０ 区） 和 ＬＰＺ１ 形 成物理隔离［１６］ ，如图 ６ 所示。 发布雷电预警时，控 制设备发出指令，电操机构切断市电，此时设备由室 内备用电源供电。 当解除雷电预警后，控制设备发 送解除预警指令，电操机构自动合闸恢复市电供电， 有效躲避一次雷暴过程。
可靠性措施包括２个方面。一是采用双备用电 源，比如同时采用不间断电源（ＵＰＳ）和发电机作为备用电源。 电源线路主动防雷技术控制单元具有监 测 ＵＰＳ 功能，当监测到 ＵＰＳ 电量低于 ３０％ 时，可自 动启动发电机充电。 二是备用电源与保护设备最好 位于同一空间内，当不在同一空间时，２ 个空间的连 接线路需要采取屏蔽措施，使 ２ 个空间为同一 ＬＰＺ 区域。
４． ２ 主动防雷技术的应用
本爆炸品生产企业建成投产后，建筑物未发生 雷电直击灾害，但闪电电涌侵入、闪电静电感应和雷 击电磁脉冲造成电子设备多次损坏，包括机房信息 系统、室外安防系统和地磅传感器等电子设施。 ２０２３ 年 ６ 月 ３ 日上午，本爆炸品生产企业所在区域 有雷暴天气过程，造成配电间低压柜跳闸，库区监控 几十个中转箱内的电源适配器和光电转换模块等设 备损坏。经查贵州省闪电定位系统，上午５ 点５ ３ 分 ，距本爆炸品生产企业所在区域约５． ３ ｋｍ（ 图７ 中对应绿色的点在距离坐标轴上体现的距离）处发 生闪电，闪电为负地闪，强度为１８． ２９ ｋＡ，此时项目 位置处出现大气电场极性反转。本次雷暴过程中， 经电源线路引入雷击电磁脉冲和闪电静电感应，造 成多种电子设备损坏。如图７所示，区域内从５点 开 始电场强度持续波动，雷电预警系统提前３０ ｍｉｎ发布了雷电预警信息，但还是发生了雷击事故。 主 要原因是采取雷电预警应急措施不及时。 鉴于此， 对重要的微电子设备采取基于雷电预警的主动防雷 技术。
在中心机房和库区总值班室安装基于雷电预警 的主动防雷装置。 当发布一级雷电预警时，生产区 应关闭电源，停止生产作业，人员保持停留在 ＬＰＺ１ 及以上的区域，直至解除雷电预警；库区应停止装卸 作业，所有人员和车辆必须撤出库区且停留在 ＬＰＺ１ 及以上的区域，车辆应与闪电静电感应接地系统进 行电气连接，直至解除雷电预警。 发布二级和三级 雷电预警时，除了可采取一级雷电预警的应急措施 外，中心机房和值班室的主动防雷装置会立即切断 市电，由备用电源供电，ＬＰＺ１ 及以上区域内的设备 与外面的线路形成物理隔离，从而有效保护设备不 会因电源线路的闪电电涌侵入和雷击电磁脉冲而损 坏；解除雷电预警后，自动合闸恢复市电供电。
５ 结论
以爆炸品生产企业雷电环境和雷电预警系统的 应用为研究对象，分析了本爆炸品生产企业所在区 域 １０ ｋｍ 半径范围内的雷电环境，对雷电预警系统 的有效性和雷电灾害的损失类型进行探讨，并开展 了雷电预警系统工程应用研究，得出以下结论：
１） 本爆炸品生产企业所在区域为雷电易发区 域，雷电主要集中发生时段为每年的 ３ ～ ９ 月，雷电 日分布在 １６ 时至次日 ８ 时，地闪强度主要集中在 １２０ ｋＡ 以内。
２） 本爆炸品生产企业使用雷电预警系统的准 确率较低，对项目位置 １、 ３、 ５ ｋｍ 和 １０ ｋｍ 半径范 围内发生闪电的预测准确率仅为 ８０． ０％ 、７０． ２％ 、 ６９． ６％ 和 ６９． ５％ ，且缺乏工程应用。
３） 本爆炸品生产企业使用的雷电预警系统对 闪电电涌侵入、闪电静电感应和雷击电磁脉冲预警 预防不足，是造成电气及电子设备损坏的主要原因。
４）划定目标区域、预警区域和警示区域，综合 利用多元化气象资料和融合雷电预警方法，可提高 雷电预警的准确率。 加强雷电预警的工程应用，利 用雷电预警信号实施主动防雷，可以提高雷电的有 效防御和减少雷电灾害损失。
