雷電預警在爆炸品生產(chǎn)企業(yè)中的工程應用

［摘 要］ 以爆炸品生產(chǎn)企業(yè)雷電環(huán)境和雷電預警系統(tǒng)的應用為研究對象，分析了項目10 km半徑范圍內(nèi)的雷電環(huán)境、已建設雷電預警系統(tǒng)的有效性和所發(fā)生雷電災害的損失類型，探討了提升雷電預警系統(tǒng)準確率的方法以及如何利用雷電預警信號進行微電子設備的主動防雷。研究的爆炸品生產(chǎn)企業(yè)處于雷電災害頻發(fā)區(qū)域，雷電主要集中發(fā)生時段為每年的3～9月，雷電日分布在16時至次日8時，地閃強度主要集中在120 kA以內(nèi)，閃電電涌侵入、閃電靜電感應和雷擊電磁脈沖造成電氣及電子設備多次損壞。研究發(fā)現(xiàn)，對項目劃定目標區(qū)域、預警區(qū)域和警示區(qū)域，綜合利用多元化氣象資料和融合雷電預警方法，可提高雷電預警的準確率；利用雷電預警信號自動斷開與恢復供電線路，采取線路物理隔離措施增強微電子設備對雷電災害的防御能力，可減少雷電災害損失。

［關(guān)鍵詞］ 爆炸品；雷電災害；雷電預警；主動防雷技術(shù)

［分類號］ TQ560.8；X932

Engineering Application of Lightning Warning System in Explosive Production Enterprises

LIU Jie①， GUO Juncheng②， HU Qiuhong②， WANG Guangming①， XIONG Yin②

① Jiulian Civil Explosive Co.， Ltd.， Anshun City （Guizhou Anshun， 561000）

② Anshun Meteorological Bureau， Guizhou Province （Guizhou Anshun， 561000）

［ＡＢＳＴＲＡＣＴ］ Lightning environment within a 10 km radius of an explosive production enterprise， effectiveness of established lightning warning systems， and the types of losses caused by lightning disasters were analyzed. Methods to improve the accuracy of lightning warning systems， and the use of lightning warning signals for active lightning protection of microelectronic devices were discussed. The Explosive production enterprise is located in areas prone to lightning strikes， and lightning disasters occur frequently. The main period of concentrated occurrence of lightning is from March to September every year. The daily lightning distribution is from 1600 to 800 the next day. The ground flash intensity is mainly concentrated within 120 kA.

Lightning surges invading， lightning electrostatic induction， and lightning electromagnetic pulses" could cause multiple damages to electrical and electronic equipments. It has found that delineating target areas， warning areas， and warning areas， comprehensively utilizing multi-source meteorological data， and integrating lightning warning methods can improve the accuracy of lightning warning. The use of lightning warning signals to automatically disconnect and restore power lines， and the adoption of physical isolation measures to enhance the defense capability of microelectronic devices against lightning disasters， can reduce losses caused by lightning disasters.

［KEYWORDS］ explosive material; lightning hazard; lightning warning; active lightning protection technology

0 引言

雷電災害是對爆炸品生產(chǎn)影響極大的自然災害，閃電伴隨的機械效應、熱效應和電磁感應等會對地面物體造成損壞。爆炸品生產(chǎn)企業(yè)一旦發(fā)生重大雷電災害，將對人員、環(huán)境和經(jīng)濟等造成不可估量的損失。目前，各國的主流防雷技術(shù)包括建設接閃、避雷器、屏蔽和等電位連接等措施，形成了直擊雷、閃電電涌侵入、閃電靜電感應和雷擊電磁脈沖綜合被動防雷系統(tǒng)，有效提高了防雷水平［1］。同時，這些被動防雷措施也存在一定的安全隱患，當閃電放電過程中初始形成的長連續(xù)電流和隨后產(chǎn)生的回擊電流共同作用、或者長連續(xù)電流過程被初始連續(xù)電流脈沖疊加時，通過電涌保護器（SPD）的能量會迅速增加，額定流量的SPD容易損壞［2-6］。為解決這些問題，一些學者提出：在雷暴到來之前，為受保護設施提供準確、及時的雷電預警信息，并采取自動或人為主觀能動的主動防雷措施，可以有效避免或減少雷電造成的損失［7-9］。

本研究中，爆炸品生產(chǎn)企業(yè)處于雷電易發(fā)區(qū)域，生產(chǎn)區(qū)、總庫區(qū)存在易燃、易爆風險。經(jīng)過10余年的發(fā)展，生產(chǎn)過程已實現(xiàn)了連續(xù)化和自動化。對生產(chǎn)過程的集中控制、監(jiān)視和管理等應用了大量的電子信息系統(tǒng)。因此，對閃電電涌侵入、閃電靜電感應和雷擊電磁脈沖防御措施的有效性提出更高的要求。該廠區(qū)于2018年建設了雷電預警系統(tǒng)，并制定了相應的雷電預警應急措施，在一定程度上避免了重大雷電災害事故的發(fā)生，但因雷電造成電子設備損壞的事故還時有發(fā)生。

通過對本爆炸品生產(chǎn)企業(yè)所在區(qū)域半徑10 km范圍內(nèi)的雷電環(huán)境和所采用的雷電預警措施有效性進行分析，探討了如何提高雷電預警的有效性及工程應用。

1 項目區(qū)域雷電環(huán)境分析

為了明確研究項目采用雷電預警系統(tǒng)的必要性，分析所在區(qū)域發(fā)生雷電災害的原因，研究雷電預警在該項目中的工程應用。以安順久聯(lián)民爆有限責任公司雷電預警系統(tǒng)為例，研究數(shù)據(jù)包括：項目位置半徑r=10 km范圍近5 a（2018-06—2023-06）的閃電數(shù)據(jù)，來源于中國氣象大數(shù)據(jù)天擎系統(tǒng)；大氣電場數(shù)據(jù)，來源于研究項目本地安裝的大氣電場儀同期數(shù)據(jù)；雷電預警事件，來源于研究項目已建設的雷電預警系統(tǒng)；雷電災害事件，為研究項目實際發(fā)生的雷電災害。

近5 a來，本爆炸品生產(chǎn)企業(yè)所在區(qū)域10 km半徑范圍共發(fā)生地閃次數(shù)N＝3 587，強度主要集中在120 kA以內(nèi)，占比達98.3%，最大閃電強度超過200 kA（圖1）。一年中的閃電活動主要發(fā)生在3～9月，月平均曲線為單峰曲線，占比98.8%；其中，6月最頻繁（圖2）。符合汛期內(nèi)高溫天數(shù)多、熱力不穩(wěn)定條件加強、近地面層對流活動加劇等特點， 易于雷暴發(fā)生［10］。一天中的閃電主要發(fā)生時段為16時至次日8時，占比96.33%，符合貴州省夜雨多發(fā)的實際情況（圖3）。

為了更好地表征研究項目所在區(qū)域的地閃情況，計算5 a內(nèi)地閃密度NG=Naπr2=3 5875×3.14×102=2.28次/（a·km2）。（1）

按貴州省雷電易發(fā)區(qū)劃圖，本爆炸品生產(chǎn)企業(yè)所在區(qū)域半徑10 km范圍內(nèi)為雷電易發(fā)區(qū)［11］。

2 已建設雷電預警系統(tǒng)的有效性分析

2.1 基于大氣電場變化的雷電預警

在爆炸品生產(chǎn)企業(yè)所在區(qū)域安裝場磨大氣電場儀。電場監(jiān)測范圍為-300～+300 kV/m，電場分辨率lt;5 V/m，靈敏度lt;10 V/m，響應時間1 s。通過大氣電場儀監(jiān)測雷暴生命周期中的4個階段：初始階段、成長階段、成熟階段和耗散階段。采用閾值法，理論上可以提前

15 30 min進行雷電預警［12-13］。考慮到地形因素，設定探測半徑為10 km，三級預警的閾值為2、 4 kV/m和6 kV/m。當大氣電場強度達到閾值時，發(fā)布或解除雷電預警。

2.2 對應雷電預警應急措施

雷電預警級別表示閃電發(fā)生概率，根據(jù)預警級別采取相應的應急措施，有助于預防或減小雷電災害損失。當發(fā)布三級預警時，建議持續(xù)關(guān)注雷暴天氣過程，直至解除雷電預警；發(fā)布二級預警時，建議停止作業(yè)，斷開敏感設備或使用內(nèi)部電源供電，危險物品和人員需要撤離到防雷安全區(qū)域，直到解除雷電預警；發(fā)布一級預警時，建議立即停止作業(yè)，斷開敏感設備或使用內(nèi)部電源供電，禁止人員和危險物品停留在暴露區(qū)域，直至解除雷電預警。

2.3 對不同半徑范圍內(nèi)發(fā)生閃電的預測準確率

大氣電場數(shù)據(jù)是根據(jù)電場強度變化預計閃電的發(fā)生，表現(xiàn)為位置的不確定性。閃電定位數(shù)據(jù)是閃電發(fā)生后記錄的實際數(shù)據(jù)，表現(xiàn)為已知確定性。利用貴州省閃電定位數(shù)據(jù)，以雷電預警監(jiān)測設備為中心，1、 3、 5 km和10 km為半徑，選取相應范圍內(nèi)近5 a的閃電資料，相應范圍內(nèi)的地閃次數(shù)見表1。

按雷電預警系統(tǒng)的預警提前量，閃電發(fā)生前1 h內(nèi)觸發(fā)雷電預警，則此次閃電被成功預測，否則為漏警。以此為標準，計算雷電預警系統(tǒng)的準確率

P=NCNC+NM。（2）

式中：P為雷電預警系統(tǒng)準確率;NC為不同半徑范圍內(nèi)成功預測的閃電次數(shù);NM為不同半徑范圍內(nèi)未預測到的閃電次數(shù)。

經(jīng)計算，雷電預警系統(tǒng)對1～10 km范圍的閃電預警準確率如圖4所示。從圖4可見，雷電預警系統(tǒng)的準確率較低。

3 雷電預警系統(tǒng)的優(yōu)化措施

本爆炸品生產(chǎn)企業(yè)區(qū)域為雷電易發(fā)區(qū)域，且已經(jīng)發(fā)生多次雷電災害。以上分析可知，項目中采用的雷電預警系統(tǒng)有助于減少或減輕雷電災害帶來的損失，但該系統(tǒng)預測準確率較低。雷暴天氣一般伴隨有其他強對流天氣過程。因此，采用大氣電場儀、閃電定位儀和多普勒雷達進行綜合雷電探測措施，根據(jù)三級預警模式建立不同的預警區(qū)域，利用多源氣象資料和預警方法建立綜合雷電預警模型。

3.1 多源氣象資料和融合預警方法

本項目雷電預警系統(tǒng)采用的監(jiān)測設施主要是大氣電場儀，缺點是探測范圍較小，且沒有方向性，導致雷電預警系統(tǒng)準確率較低。綜合利用閃電定位資料、大氣電場資料和雷達資料，開展雷電預警，會極大提高雷電預警的準確率［14］。

大氣電場儀優(yōu)點在于短時臨近預警效果較好，常用的雷電預警方法包括閾值法、電場極性反轉(zhuǎn)法和電場跳變法等（圖5）。閾值法就是分級設定閾值E1、E2、E3，當范圍內(nèi)電場強度達閾值時，便發(fā)布相應等級的預警。設定本項目雷電預警系統(tǒng)三級、二級和一級預警的閾值為2、 4 kV/m和6 kV/m。極性反轉(zhuǎn)法就是電場極性反轉(zhuǎn)且幅值超過2.5 kV/m時產(chǎn)生雷電預警。電場跳變法就是當電場強度絕對值超過晴天大氣電場臨界值（本項目設定為2 kV/m），且出現(xiàn)相連2個時刻的電場變化率大于50%時產(chǎn)生雷電預警，數(shù)據(jù)時間間隔約為1 s。當數(shù)據(jù)間隔超過3 min時，認為數(shù)據(jù)不可用。

本項目中同時采用3種預警方法。閾值法的一級預警、電場極性反轉(zhuǎn)法和電場跳變法遵循預警優(yōu)先原則，分別得到是否產(chǎn)生雷電預警的結(jié)果，產(chǎn)生記為1，不產(chǎn)生為0。圖5中，NF為預警空報次數(shù)；F為預警空報率；M為預警漏報率；TS為預警評分；S為綜合預警結(jié)果；k為3種雷電預警方法順序；i為閾值法的三級閾值；C為是否產(chǎn)生雷電預警的結(jié)果。

3.2 預報區(qū)域及綜合雷電預警優(yōu)化措施

分析本爆炸品生產(chǎn)企業(yè)發(fā)生的雷電災害可知，造成企業(yè)雷電災害的主要原因是閃電電涌沿電源線路侵入和閃電靜電感應，而電源線路由直線距離8 km處的變電站架空引來。該區(qū)域內(nèi)的雷電對本爆炸品生產(chǎn)企業(yè)的安全影響極大。因此，設定雷電預警系統(tǒng)目標區(qū)域半徑為10 km。從保障安全的角度考慮，需要設定預警區(qū)域和警示區(qū)域作為目標區(qū)域的輔助［15］。設定半徑10～20 km為預警區(qū)域，半徑20～30 km為警示區(qū)域。

結(jié)合預報區(qū)域、多源氣象資料和雷電預警方法，建立三級精細化雷電預警模式。本爆炸品生產(chǎn)企業(yè)區(qū)域大氣電場觸發(fā)三級預警時、或警示區(qū)域有閃電發(fā)生且雷達回波向預警區(qū)域移動時，發(fā)布雷電三級預警，起警示作用；大氣電場觸發(fā)二級預警時、預警區(qū)域有閃電且雷達回波向目標區(qū)域移動時、預警區(qū)域有閃電且項目位置大氣電場觸發(fā)一級預警時，發(fā)布雷電二級預警并啟動雷電預警應急響應；大氣電場觸發(fā)一級預警時、項目目標區(qū)域有閃電發(fā)生時、預警區(qū)域有閃電發(fā)生且雷達回波向目標區(qū)域移動時、項目位置大氣電場觸發(fā)雷電預警時，發(fā)布雷電一級預警。此時，啟動雷電預警應急響應，目標區(qū)域內(nèi)禁止生產(chǎn)和戶外活動。當大氣電場不滿足觸發(fā)雷電預警條件、目標區(qū)域和輔助區(qū)域均無閃電發(fā)生、雷達回波在警示區(qū)域外時，解除雷電預警。

4 雷電預警的工程應用

4.1 基于雷電預警的主動防雷技術(shù)

利用雷電預警信號，實現(xiàn)自動切斷閃電電涌或雷擊電磁脈沖沿電源線路侵入設備的耦合途徑，從而使電源線路在LPZ0（防雷保護0區(qū)）和LPZ1形成物理隔離［16］，如圖6所示。發(fā)布雷電預警時，控制設備發(fā)出指令，電操機構(gòu)切斷市電，此時設備由室內(nèi)備用電源供電。當解除雷電預警后，控制設備發(fā)送解除預警指令，電操機構(gòu)自動合閘恢復市電供電，有效躲避一次雷暴過程。

可靠性措施包括2個方面。一是采用雙備用電源，比如同時采用不間斷電源（UPS）和發(fā)電機作為備用電源。電源線路主動防雷技術(shù)控制單元具有監(jiān)測UPS功能，當監(jiān)測到UPS電量低于30%時，可自動啟動發(fā)電機充電。二是備用電源與保護設備最好位于同一空間內(nèi)，當不在同一空間時，2個空間的連接線路需要采取屏蔽措施，使2個空間為同一LPZ區(qū)域。

4.2 主動防雷技術(shù)的應用

本爆炸品生產(chǎn)企業(yè)建成投產(chǎn)后，建筑物未發(fā)生雷電直擊災害，但閃電電涌侵入、閃電靜電感應和雷擊電磁脈沖造成電子設備多次損壞，包括機房信息系統(tǒng)、室外安防系統(tǒng)和地磅傳感器等電子設施。2023年6月3日上午，本爆炸品生產(chǎn)企業(yè)所在區(qū)域有雷暴天氣過程，造成配電間低壓柜跳閘，庫區(qū)監(jiān)控幾十個中轉(zhuǎn)箱內(nèi)的電源適配器和光電轉(zhuǎn)換模塊等設備損壞。經(jīng)查貴州省閃電定位系統(tǒng)，上午5點53分，距本爆炸品生產(chǎn)企業(yè)所在區(qū)域約5.3 km（圖7中對應綠色的點在距離坐標軸上體現(xiàn)的距離）處發(fā)生閃電，閃電為負地閃，強度為18.29 kA，此時項目位置處出現(xiàn)大氣電場極性反轉(zhuǎn)。本次雷暴過程中，經(jīng)電源線路引入雷擊電磁脈沖和閃電靜電感應，造成多種電子設備損壞。如圖7所示，區(qū)域內(nèi)從5點開始電場強度持續(xù)波動，雷電預警系統(tǒng)提前30 min發(fā)布了雷電預警信息，但還是發(fā)生了雷擊事故。主要原因是采取雷電預警應急措施不及時。鑒于此，對重要的微電子設備采取基于雷電預警的主動防雷技術(shù)。

在中心機房和庫區(qū)總值班室安裝基于雷電預警的主動防雷裝置。當發(fā)布一級雷電預警時，生產(chǎn)區(qū)應關(guān)閉電源，停止生產(chǎn)作業(yè)，人員保持停留在LPZ1及以上的區(qū)域，直至解除雷電預警；庫區(qū)應停止裝卸作業(yè)，所有人員和車輛必須撤出庫區(qū)且停留在LPZ1及以上的區(qū)域，車輛應與閃電靜電感應接地系統(tǒng)進行電氣連接，直至解除雷電預警。發(fā)布二級和三級雷電預警時，除了可采取一級雷電預警的應急措施外，中心機房和值班室的主動防雷裝置會立即切斷市電，由備用電源供電，LPZ1及以上區(qū)域內(nèi)的設備與外面的線路形成物理隔離，從而有效保護設備不會因電源線路的閃電電涌侵入和雷擊電磁脈沖而損壞;解除雷電預警后，自動合閘恢復市電供電。

5 結(jié)論

以爆炸品生產(chǎn)企業(yè)雷電環(huán)境和雷電預警系統(tǒng)的應用為研究對象，分析了本爆炸品生產(chǎn)企業(yè)所在區(qū)域10 km半徑范圍內(nèi)的雷電環(huán)境，對雷電預警系統(tǒng)的有效性和雷電災害的損失類型進行探討，并開展了雷電預警系統(tǒng)工程應用研究，得出以下結(jié)論：

1） 本爆炸品生產(chǎn)企業(yè)所在區(qū)域為雷電易發(fā)區(qū)域，雷電主要集中發(fā)生時段為每年的3～9月，雷電日分布在16時至次日8時，地閃強度主要集中在120 kA以內(nèi)。

2） 本爆炸品生產(chǎn)企業(yè)使用雷電預警系統(tǒng)的準確率較低，對項目位置1、 3、 5 km和10 km半徑范圍內(nèi)發(fā)生閃電的預測準確率僅為80.0%、70.2%、69.6%和69.5%，且缺乏工程應用。

3） 本爆炸品生產(chǎn)企業(yè)使用的雷電預警系統(tǒng)對閃電電涌侵入、閃電靜電感應和雷擊電磁脈沖預警預防不足，是造成電氣及電子設備損壞的主要原因。

4）劃定目標區(qū)域、預警區(qū)域和警示區(qū)域，綜合利用多元化氣象資料和融合雷電預警方法，可提高雷電預警的準確率。加強雷電預警的工程應用，利用雷電預警信號實施主動防雷，可以提高雷電的有效防御和減少雷電災害損失。

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