四、雷電預(yù)警裝置的應(yīng)用

4.1 雷電預(yù)警裝置與傳統(tǒng)被動(dòng)防雷的比較

隨著雷電災(zāi)害的不斷增加，越來(lái)越多的單位，集體以及各類組織開(kāi)始意識(shí)到雷電保護(hù)的重要性，并且在實(shí)際應(yīng)用中，采用了完善的雷電保護(hù)措施，如，避雷針，接地系統(tǒng)和浪涌保護(hù)系統(tǒng)。然而，在很多情況下，以上所述的傳統(tǒng)被動(dòng)式雷電保護(hù)即使設(shè)計(jì)的再標(biāo)準(zhǔn)，也無(wú)法做到最全面的保護(hù)，每年依然有大量的雷電災(zāi)害損失產(chǎn)生。甚至，在一些特殊場(chǎng)合，無(wú)法采用傳統(tǒng)被動(dòng)式的雷電保護(hù)（例如，大面積的戶外活動(dòng)場(chǎng)所）。

因此，出于對(duì)重點(diǎn)單位，部門的防護(hù)等級(jí)提升的需求，在最新的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 38121-2019《雷電防護(hù) 雷暴預(yù)警系統(tǒng)》中提出了一個(gè)全新的概念 – 預(yù)防性保護(hù)：即，提前探測(cè)雷電的活動(dòng)趨勢(shì)，在精確的時(shí)間范圍內(nèi)，對(duì)特定的區(qū)域提供雷電預(yù)警信息，以便提前采取雷電災(zāi)害應(yīng)急預(yù)案，從而便于用戶提高防護(hù)等級(jí)，減少財(cái)產(chǎn)，人身安全的損失，提升管理水平。

需要注意的是，雷電預(yù)防性保護(hù)并不是用來(lái)替代傳統(tǒng)被動(dòng)式雷電保護(hù)，而是一種提升保護(hù)等級(jí)的補(bǔ)充措施，尤其適合景區(qū)，石油石化，電力，通信，交通等對(duì)防護(hù)等級(jí)要求較高的場(chǎng)所。

4.2 雷電的形成與雷電探測(cè)裝置的分類

在正常的天氣條件下，大氣中的正，負(fù)電荷處于平衡的狀態(tài)。此時(shí)，相對(duì)于大氣以及地面上的物體，大地?fù)碛懈嗟呢?fù)電荷。然而，當(dāng)一個(gè)雷電風(fēng)暴開(kāi)始形成時(shí)，電荷將發(fā)生極化，該極化分為三個(gè)部分：云端頂部的正電荷，中間部分負(fù)電荷區(qū)（ -10 至 -20℃），以及在冰點(diǎn)附近的一小部分正電荷。

由于云的較低部分充滿了負(fù)電荷，從而引起大地以及地面上物體充滿了正電荷，從而在大氣中產(chǎn)生可達(dá)數(shù)萬(wàn)伏的電場(chǎng)。從可觀測(cè)和測(cè)量的角度，雷電的形成分為以下四個(gè)步驟：

階段一：電荷的分化和積累階段。在此階段能夠探測(cè)到大氣電場(chǎng)的上升，但一般并沒(méi)有成熟的雷電形成。

階段二：云間放電過(guò)程。在此階段，由于電荷的分化和積累達(dá)到一定程度，最先在云內(nèi)或云間產(chǎn)生了放電活動(dòng)。此時(shí)，可以聽(tīng)到雷聲，或看到云內(nèi)的閃電。

階段三：云與地放電過(guò)程。在此階段，一個(gè)成熟的雷電活動(dòng)已經(jīng)形成，大量的云閃與地閃正在發(fā)生。

階段四：消散過(guò)程。由于放電結(jié)束，云層中的電荷重新趨于平衡，大氣電場(chǎng)也隨之下降至平衡狀態(tài)，一般小于300v/m。

綜觀，在所有的階段中，大氣電場(chǎng)的上升是雷電形成的主要表征之一。尤其在雷電活動(dòng)還沒(méi)有產(chǎn)生時(shí)，大氣電場(chǎng)是目前本地唯一可以觀測(cè)到的與雷電形成有直接聯(lián)系的物理數(shù)據(jù)。一般來(lái)說(shuō)，一個(gè)在形成中的雷云會(huì)對(duì)半徑10~20km范圍內(nèi)的大氣電場(chǎng)產(chǎn)生影響。因此建立本地雷電預(yù)警系統(tǒng)，大氣電場(chǎng)探測(cè)儀是必不可少的儀器。

另一方面，當(dāng)雷電活動(dòng)已經(jīng)發(fā)生時(shí)，無(wú)論是云間放電還是云對(duì)地放電，都會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的空間電磁場(chǎng)，這種電磁場(chǎng)可以在較遠(yuǎn)的距離被探測(cè)到。一般云間放電過(guò)程可在32km范圍內(nèi)被探測(cè)到，而云對(duì)地放電最大可在60km范圍內(nèi)被探測(cè)到。

依據(jù)不同的探測(cè)方式，雷電探測(cè)設(shè)備一般分為以下三類：

1類探測(cè)儀（場(chǎng)強(qiáng)測(cè)量法FSM）: 該類儀器可以探測(cè)到整個(gè)雷電過(guò)程。由于探測(cè)范圍主要在10~20km半徑范圍內(nèi)，因此一般被稱為本地雷電探測(cè)裝置。

2類探測(cè)儀（磁定向法MDF）: 該類設(shè)備能夠探測(cè)到雷電形成的第二及第三階段變化。云間放電會(huì)釋放出非常高頻的電磁波，一般為100mhz，該設(shè)備的有效率為80%以上，所在區(qū)域的不確定性小于5km。由于該類探測(cè)儀器可以在本地的大氣電場(chǎng)受到影響之前就探測(cè)到遠(yuǎn)程的雷云活動(dòng)，因此一般被稱為遠(yuǎn)程雷電探測(cè)裝置。

3類探測(cè)儀（射頻信號(hào)強(qiáng)度測(cè)量法RFM）: 該類設(shè)備能探測(cè)到雷電形成的第三階段。探測(cè)距離約100km，一般都是氣象愛(ài)好者使用。

綜上所述，1類探測(cè)儀對(duì)于本地形成的雷電活動(dòng)有很好的提前效應(yīng)，但是對(duì)于遠(yuǎn)程已經(jīng)形成的雷電無(wú)法及時(shí)預(yù)知；2類探測(cè)儀對(duì)于本地的雷電活動(dòng)探測(cè)的提前性不足，但是卻能在更大范圍內(nèi)預(yù)判遠(yuǎn)處雷電活動(dòng)的方向和趨勢(shì)。因此，采用1+2類的探測(cè)方式能夠最為全面的對(duì)雷電活動(dòng)進(jìn)行預(yù)判，從而真正實(shí)現(xiàn)雷電預(yù)警的保護(hù)作用。

4.3 重點(diǎn)場(chǎng)所雷電預(yù)警系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

依據(jù)最新頒布的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 38121-2019 《雷電防護(hù) 雷暴預(yù)警系統(tǒng)》，在關(guān)于雷電預(yù)警的標(biāo)準(zhǔn)定義中，提出了一個(gè)場(chǎng)所是否需要采用雷電預(yù)警系統(tǒng)，應(yīng)首先經(jīng)過(guò)雷電風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)估的概念。一般包括三個(gè)步驟：

a) 危險(xiǎn)情況識(shí)別；

b) 損失類型確定；

c) 風(fēng)險(xiǎn)控制：應(yīng)確認(rèn)雷電預(yù)警系統(tǒng)提供的信息是否有助于采取降低風(fēng)險(xiǎn)的臨時(shí)預(yù)防措施。如沒(méi)有，則該雷電預(yù)警系統(tǒng)是無(wú)用的。如有，則每一種危險(xiǎn)情況和損失類型確定了雷電預(yù)警系統(tǒng)是否合適。鑒于有多種不同解決方案，最終應(yīng)選擇最安全的方案。

4.3.1 重點(diǎn)場(chǎng)所雷電預(yù)警必要性評(píng)估

針對(duì)重點(diǎn)場(chǎng)所有可能因雷電產(chǎn)生的危害，可按照以下表格按步驟進(jìn)行雷電風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)分析：

關(guān)于人員損失的風(fēng)險(xiǎn)分析：從表1可以看出，針對(duì)人身安全，重點(diǎn)場(chǎng)所屬于A級(jí)風(fēng)險(xiǎn)。

表格1 – 關(guān)于人員保護(hù)的雷電風(fēng)險(xiǎn)分類 – 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

關(guān)于物品損失的風(fēng)險(xiǎn)分析：從表2可以看出，針對(duì)物品的保護(hù)，重點(diǎn)場(chǎng)所屬于A級(jí)風(fēng)險(xiǎn)。

表格2 – 關(guān)于物品損失的風(fēng)險(xiǎn)分類 – 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估