雷电预警在爆炸品生产企业中的工程应用

［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。

［关键词］ 爆炸品；雷电灾害；雷电预警；主动防雷技术

［分类号］ 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NG=Naπr2=3 5875×3.14×102=2.28次/（a·km2）。（1）

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lt;5 V/m，灵敏度lt;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

P=NCNC+NM。（2）

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53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。

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