化工园区区域雷电预警系统研发框架的形成与实现

金乐 周卫华 吴昊 杨春生 王媛媛 未小文

摘 要：该文根据化工园区实施雷电提前主动防护的应用需求，结合IEC 62793-2016标准的有关内容，梳理总结了针对化工园区等雷电高危高敏感单位的新型全电子式远近程一体化区域雷电预警系统的研发路径及解决方法，从而为在应急管理及安全生产领域构建以主动式預防为先导的雷电防护新体系，提供了必要的技术支撑和成果保障。

关键词：化工园区；区域雷电预警系统；雷电侦测探头；全电子式；远近程一体化

中图分类号：TP31 文献标志码：A

0 前言

随着科学技术的发展，特别是电子计算机和微电子设备的广泛应用以及计算机网络的普及，雷电造成的灾害程度和范围日益扩大，对各行各业都造成了显著的破坏，经济社会及生态环境损失急剧增加。雷电已被联合国国际减灾委员会确定为对人类造成最严重危害的十大自然灾害之一，并被国际电工委员会（IEC）确定为“电子化时代的一大公害”。我国也是世界上雷暴日数最多的国家，根据气象部门的统计资料，近年来我国的雷电灾害呈增多趋势，已成为危害程度仅次于暴雨洪涝、气象地质灾害的第三大气象灾害。

随着我国经济和社会的高速发展，各地都规划了石油化工产业集聚的化工园区，园区内的企业不同程度上都涉及“两重点一重大”的范畴，随着园区内企业生产、储存、运输危险化学品的品种和数量的日渐增多，其“大而全”的集中式运营模式使化工园区成了一个个潜在的高危区域。这些区域内危险化工工艺复杂、危险化学品类杂量大、重大危险源星罗棋布，其中不乏易燃易爆、有毒有害甚至放射性物质，一旦遭受雷电灾害，就有可能引发起火爆炸、泄漏扩散及次生灾害，从而造成重大的生命财产损失及生态环境破坏，对社会造成的重大影响更是难以估量。因此，在采取传统的雷电保护手段的基础上，采用适合化工园区应用需求的、针对小范围地域的综合雷电预警系统（以下简称区域雷电预警系统），辅之以根据用户特点量身定制并持续完善的雷电防护预防性措施，有助于提前大幅度减弱化工园区的雷电风险后果。

1 合理确定区域雷电预警系统的监测区域

随着雷电灾害的不断增加，人们越来越认识到防雷的重要性，并且在实践中，采用了诸如接闪器（俗称避雷针）、电涌保护器（SPD）、接地装置等常规的雷电保护系统（LPS）。LPS遵循的是为雷电流提供快速可靠泄放通道的原理，在雷电来临之后才触发其事后被动保护功能，属于雷电的被动式预防。然而，在很多情况下即使设置了最齐备的LPS，依然有大量的雷电损失产生。为此，IEC基于欧盟EN 50536—2013标准制订颁布了《IEC 62793—2016 雷电防护-雷电预警系统》标准（以下简称IEC标准），为雷电的主动式预防（即事前主动防护）提供了参考指南。

IEC标准将一个雷电活动周期依次分为初始、成长、成熟、消散4个阶段，并列出了不同雷电侦测原理（分为A、B、C、D 4类）可探测的不同雷电活动阶段及典型探测距离（从20 km到上千千米）。

对于一个具体用户而言，应根据其目标区域（需要进行雷电防护的区域）的范围，合理确定监测区域（雷电侦测探头单点部署所能探测的区域）或覆盖区域（雷电侦测探头组网部署所能探测的区域）的范围，确保后者能完全覆盖并合理地大于前者。若后者过小，则易造成雷电提前预警的时间过晚甚至出现监测盲区，影响预防性措施的及时展开，进而影响雷电防护效果；若后者过大，则会增加用户的购置成本，并造成雷电提前预警的时间过早，从而导致用户隐形成本的攀升及应急资源的空耗。

对化工园区这样的高危区域而言，雷电预警的提前时间控制在30 min左右是适宜的，能足以保证相关雷电防护预防性措施的充分展开。在时速100 km以上的狂风、暴风或台风风况下，30 min内的雷云飘移距离为50 km以上。另据不完全统计，截至2017年底，全国重点化工园区和以石油和化工为主导产业的园区共有601家，2018年全国主要化工园区约有635家。这些化工园区占地一般为数十平方千米以上，跨度有的可达数十千米。因此，区域雷电预警系统的合理监测区域（或覆盖区域）就应在100 km的直径范围内，根据化工园区的实际情况，按宜大不宜小的原则进行适当确定。

区域雷电预警有别于气象雷电预报。后者属于大范围地域的雷电预报，是针对诸如县、市、省乃至全国等大级别区域的大时间跨度（提前2 h～24 h）的预报，很大程度上是一种概率性质的预报，难以满足一个具体用户在雷电预警的准确性和时间性上的要求，对具体用户的雷电防护不具有针对性和指导性，仅能起到辅助参考作用。

2 合理设计区域雷电预警系统的侦测探头

2.1 化工园区雷电侦测探头的需求特性

雷电侦测探头作为区域雷电预警系统的“耳目”，其性能直接关系到能否满足用户对于预警准确性、时间性和可靠性的要求。根据化工园区的地理环境特点及安全管理需要，将其对雷电侦测探头的应用需求进行逐一梳理，形成对应的设计思路，并提炼出相应的技术特性（见表1）。

2.2 全电子式的雷电侦测探头

IEC标准中所列的4类雷电侦测原理中，仅有A类的FSM（大气静电场强度测量法）可通过对雷云起电过程的侦测实现对雷电活动全部4个阶段的探测，其探测距离可达20 km，因此尤其适用于本地雷电侦测探头，以监测本地上空附近生成的雷电活动。

目前市场上主流的大气静电场强度测量仪（简称场强仪）均采用机械场磨式原理， 其传感装置主要由定片（感应片）、动片（接地屏蔽片）、直流电机、前置放大器、同步信号发生器等组成。当其工作时，电机需要带动裸露在大气中的动片全天不间断地高速旋转来实现测量。若遇电机故障、部件受蚀、沙尘卡轴、染污失准等情形，则需要停机进行返修换件或定期清洗，在强污染环境下更需要频繁清洗，因此维护成本极大，难以保证全天候、不间断的正常工作。

鉴于机械式场强仪存在的缺陷，采用全电子式场强仪应是今后的潮流。全电子式场强仪是基于电荷感应原理，采用专用电子传感器进行感应电场的测量，并通过电场微分结合门限阈值等算法进行信号处理，从而消除干扰，提高预警的准确性。它低功耗、免维护、长寿命、智能化，可以在密闭的IP67保护外壳里长期稳定运行，有效克服了传统场强仪的所有缺陷，因此完全适合化工园区使用。

2.3 远近程一体化的雷电侦测探头

由上可知，FSM原理的探测范围尚不足以覆盖前述化工园区数十千米直径范围的合理区域。对此存在2种解决方案：一是将FSM侦测探头进行组网部署，使组网后的探测区域完全覆盖化工园区，这就需要对探头布点预先进行选址规划，合理规避不符合安装要求的选点，避免增加用户相应的购置安装成本；二是在设备成本增加有限的前提下，就地加装采用不同侦测原理，适合探测远程雷电活动的远程侦测探头。显然，将本地侦测探头与远程侦测探头相结合的方案，从使用、安装、成本、管理等方面都对用户更为有利。

IEC标准中所列的4类雷电侦测原理中，先天就是全电子式的B类侦测原理，通过对雷电的击穿及先导过程的侦测，实现对雷电活动的后3个阶段的探测，其探测距离可达上百千米，因此尤其适用于远程雷电侦测探头，以监测远程上空已经发生的雷电活动。

由此，基于全电子式架构，将远近程雷电侦测探头合二为一的一体化方案应运而生。为了消除两者之间可能存在的相互影响，不降低各自的准确性和可靠性，最终确定一体化探头采用葫芦形的上下双腔室结构，既新颖美观，又便于在腔室之间采取有效地隔离措施，以保证两者正常工作时的相对独立性。远近程一体化的雷电侦测探头提高了系统的集成度，进一步减少了用户的购置、安装及管理成本。

综上，全电子式远近程一体化的雷电侦测探头，由于其在技术上具备一体化、耐环境、全天候、免维护、自适应、无干扰、不间断、零损耗等诸多特性，完全满足化工园区用户的应用需求，使之能以最少的选址占地、最少的安装施工、最少的成本费用实现对化工园区合理区域内雷电活动的全面实时监测。

3 合理搭建区域雷电预警系统的系统架构

区域雷电预警系统由一体化侦测探头、数据接口单元、数据库服务器、管理系统软件、雷电防护预防性措施定制模块及相关网络设备组成，分为传感层、控制层、管理层三级架构，如图1所示。各部分的实现功能如下：

一体化侦测探头（CDS）：对监测区域的远近程雷电活动进行实时监测。

数据接口单元（DIU）：实时获取与其连接的各探头的运行信息，并对信息进行就地处理、存储及转发，根据预设条件控制就地联动设备的启停。

数据库服务器（DBS）：汇总与其联网的各DIU的运行信息，对所获信息进行分类存储、综合处理，并充当系统的服务器平台。

管理系统软件（MSS）：具备雷电实时监测及分级预警发布、预警事件及历史数据查询、图表生成打印、数据统计分析、雷击事故的信息维护及对象管理等功能，并结合用户所在区域的GIS（地理信息系统），使界面更加直观友好。

雷电防护预防性措施定制模块（PAM）：作为MSS的嵌入式模块。用户可根据本单位的具体情况及特点，组织相关专业人员参照MSS内置的雷电防护预防性措施通用参考模板，进行编辑修改完善，形成适合于该单位实际的分门分类分级的雷电防护预防性措施，以便在预警出现时下达针对性指令并予以实施。

考虑到化工园区用户访问系统的动态性、随机性、分散性的特点，在系统架构设计时确定采用B/S结构，而非C/S结构。在被合法授权的前提下，不同用户可在不同地点、不同时间以浏览器方式登录系统界面。此外，系统还应支持与第三方管理平台的互联互通。

4 合理保障区域雷电预警系统的信息安全

区域雷电预警系统作为重要的安全生产装备，应重视其运行过程中的数据安全及网络安全，因此要对其安全架构进行合理设计，防止因非法入侵造成的安全损失。

针对上述3层系统架构，采用分层物理隔离等安全技术，以确保系统的安全性（见表2）。

需要强调的是，在管理层一级，对有外网接入需求的用户，应配置必要的网络安全设备、采取必要的网络防护手段，以构建安全的内部网络环境，确保其所有内部联网系统的信息安全，防止外来入侵对安全生产和防雷减灾工作造成影响。

5 合理规划区域雷电预警系统的组网部署

虽然单个一体化侦测探头的监测区域可基本实现大部分化工园区的全覆盖，但仍需考虑到以下几种情形：某些狭长或地域形状不规则的园区，可能存在部分区域单个探头覆盖不到的情况；部分靠近单个探头监测区域外缘的园内区域，可能存在因预警提前时间不足导致雷电防护预防性措施来不及展开的情况；由于意外因素可能存在单个探头发生异常的情况；由于单个探头无法预判雷云的运动趋势，一有预警则牵一发而动全身，造成应急能力的分散甚至空耗，增加了用户的隐形成本，也降低了应急资源的使用效能。但若在化工园区内对探头进行合理的组网部署，则可很好地解决上述问题。

如图2所示，在目标区域的4个界角进行组网部署，4个探头的监测区域叠加形成了组网部署后的区域雷电预警系统覆盖区域，涵盖了目标区域的周边区域，实现了对目标区域完全覆盖的基础上合理扩大，弥补了单个探头的监测区域局限，也使原处于监测区域外缘的园内区域有了充足的预警响应时间，即使意外情况下个别探头出现异常，也不会造成监测真空。更重要的是，探头组网部署后，通过分析各个探头在每一时刻所获取监测数据的不同，可实现对从远程向本地飘移雷云的当前方位及运动轨迹的研判，进而预测雷云的后续动向，从而增强雷电防护的主动权，有助于用户提前有重点、有针对地合理调配应急资源，降低雷电防护综合成本。

6 结语

回顾化工园区区域雷电预警系统的研发历程，课题组是在调研国内化工园区雷电防护现状及需求的基础上，参考IEC标准的相关内容，充分利用先进技术，进行的一次集成创新和应用创新的有益探索。推广使用针对小范围地域的区域雷电预警系统，并辅之以根据用户自身特点量身定制的雷电防护预防性措施，有助于事前大幅降低化工园区等雷电高危高敏感单位的雷电风险后果及次生灾害的发生，提前主动避免或减轻生命财产损失、生态环境破坏及社会重大影响，为应急管理及安全生产领域的防雷减灾提供了应用基础和技术保障。区域雷电预警技术作为化工园区耦合事故区域防控技术的有机组成部分，随着其示范应用地不断推广，势必会逐步改变当前防雷手段重“事后被动保护”、轻“事前主动防护”的传统方式，彻底扭转当前防雷过程中人只能“听天由命，被动挨打”、不能“准确预判，主动作为”的陈旧观念，充分发挥人在防雷工作中的主动性、能动性，从而形成全员、全程、全面的全维度雷电防护新格局。

参考文献

[1]中国气象报社.防灾减灾科普访谈：中科院雷电专家郄秀书谈科学认识雷电[EB/OL].[2009-04-15].http：//www.cma.gov.cn/2011xzt/20100728/2010072808/201208/t20120801_180386.html.

[2]國际电工委员会.IEC 62793-2016 Protection against lightning-Thunderstorm warning systems[S].瑞士日内瓦：国际电工委员会，2016.

[3]金乐，周卫华，吴昊，等.构建以主动式预防为先导的雷电防护新体系[J].中国安全生产，2019，156（3）：46-49.

[4]前瞻产业研究院.2018年化工园区行业市场规模与发展趋势[EB/OL].[2019-02-20].https：//www.qianzhan.com/analyst/detail/220/190219-aaa0cce0.html.

[5]宋欣，王克奇，李迪飞.场磨式电场仪在雷电预警中的研究与应用[J].自动化与仪表，2011，26（2）：8-11.