淺析廣西雷電定位系統(tǒng)及其應(yīng)用

陸金鳳 龐煥華 姜殿榮

摘要 雷擊是重要的自然災(zāi)害之一，對(duì)人類(lèi)生產(chǎn)生活造成了極大的危害。雷電定位系統(tǒng)是研究雷電規(guī)律和指導(dǎo)防雷減災(zāi)工作的有效手段，該文介紹了廣西雷電定位系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)原理及基本概況，并詳細(xì)分析了雷電定位系統(tǒng)在雷電預(yù)警、雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、雷電事故調(diào)查、防雷安全檢測(cè)、雷電活動(dòng)規(guī)律研究等各類(lèi)雷電防護(hù)業(yè)務(wù)中的應(yīng)用情況。廣西雷電定位系統(tǒng)自投入使用以來(lái)，積累了海量的雷電活動(dòng)數(shù)據(jù)，可有效指導(dǎo)雷擊事故分析，為雷電活動(dòng)規(guī)律研究及差異化雷電防護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞 雷電定位系統(tǒng);原理;業(yè)務(wù)應(yīng)用

中圖分類(lèi)號(hào)：TM862 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-3305（2019）04-042-03

DOI： 10.19383/j.cnki.nyzhyj.2019.04.018

Abstract Lightning is one of the important natural disasters，which has caused great harm to human production and life. Lightning location system is an effective mean to study lightning law and guide lightning protection and reduction work. This paper introduced the monitoring principle and basic overview of lightning location system in Guangxi，and analysed in detail the application of lightning location system in lightning early warning，lightning stroke risk assessment，lightning accident investigation，lightning safety detection，lightning law research. Since it was put into use，Guangxi lightning location system had accumulated a large amount of lightning activity data，which can effectively guide lightning accident analysis and provide scientific basis for lightning activity research and differential lightning protection.

Key words ? Lightning location system;Principle;Business application

廣西地處低緯度地區(qū)，南臨熱帶海洋，北為南嶺山地，西延云貴高原，境內(nèi)河流縱橫，地理環(huán)境比較復(fù)雜[1]。在太陽(yáng)輻射、大氣環(huán)流和下墊面綜合作用下，雷暴特征呈現(xiàn)東南—西北遞減的特點(diǎn)，廣西沿海地帶一般為90 d/a，西北內(nèi)陸地區(qū)為60 d/a，最多的是南部臨海的東興市，達(dá)105 d/a，屬于多雷區(qū)。我國(guó)每年因雷災(zāi)造成的人身傷亡約100人，直接經(jīng)濟(jì)失約1億。雷擊是造成輸電線路跳閘的主要原因，南方電網(wǎng)110 kV及以上電壓等級(jí)輸電線路雷擊跳間1 894次，占總數(shù)的65.4%[2]。雷電定位系統(tǒng)正是在這樣的形勢(shì)下應(yīng)運(yùn)而生，已成為一種為社會(huì)生產(chǎn)、生活服務(wù)的有效工具。

雷電定位系統(tǒng) （ Lightning Locating System，簡(jiǎn)稱LLS）是一種大面積、全自動(dòng)、實(shí)時(shí)性雷電定位系統(tǒng)[3]。系統(tǒng)采用GIS（地理信息系統(tǒng)）、CPS（全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)）和RS（遙測(cè)系統(tǒng)）等先進(jìn)的現(xiàn)代技術(shù)，自動(dòng)實(shí)時(shí)遙測(cè)雷擊發(fā)生的時(shí)間、地點(diǎn)、雷電流幅值、極性和回?fù)舸螖?shù)等雷電特征參數(shù)，對(duì)快速查找雷擊事故點(diǎn)、雷暴預(yù)警、保證系統(tǒng)安全運(yùn)行以及進(jìn)行雷電觀測(cè)、掌握雷電話動(dòng)規(guī)律有著重要意義[4]，是當(dāng)今研究雷電活動(dòng)最先進(jìn)的手段[5]。

1 雷電定位系統(tǒng)定位原理

TOA定位技術(shù)采用閃電電磁脈沖到達(dá)不同測(cè)站的時(shí)間差進(jìn)行閃電定位。其定位原理如圖1。2個(gè)以上放置于不同位置的探測(cè)子站通過(guò)探測(cè)閃電電磁脈沖到達(dá)各自站點(diǎn)的絕對(duì)時(shí)間，則每2個(gè)測(cè)站之間的時(shí)間差構(gòu)成1條雙曲線，雙曲線的交點(diǎn)就是閃電電磁脈沖發(fā)生的位置[6]。

2 廣西雷電定位系統(tǒng)概況

廣西三維雷電定位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由廣西壯族自治區(qū)防雷中心建設(shè)，由20個(gè)三維閃電探測(cè)子站（ADTD？鄄2C型閃電定位儀）和1個(gè)數(shù)據(jù)處理中心站組成。該系統(tǒng)采用空間時(shí)差定位算法（TOA），實(shí)現(xiàn)閃電VLF/LF輻射源的時(shí)間、位置、高度、強(qiáng)度及極性等主要參數(shù)的三維定位[7]。系統(tǒng)既能探測(cè)云地閃（云對(duì)地放電），又能探測(cè)到云閃（云內(nèi)、云氣、云云放電），站網(wǎng)內(nèi)閃電回?fù)魰r(shí)間精度大于10-4 s，回?fù)舴直媛市∮? ms，閃電強(qiáng)度與極性誤差小于10%，極性準(zhǔn)確率高于99.9%，水平面探測(cè)精度在500 m以內(nèi)，垂直方向探測(cè)精度在1 000 m以內(nèi)，單站有效探測(cè)半徑大于300 km，實(shí)現(xiàn)了對(duì)廣西境內(nèi)發(fā)生的閃電事件的全方位監(jiān)測(cè)（圖2）。監(jiān)測(cè)的閃電數(shù)據(jù)具有精準(zhǔn)性、連續(xù)性（毫秒級(jí)）、實(shí)時(shí)性（秒級(jí)）等特點(diǎn)。

3 雷電定位系統(tǒng)在防雷業(yè)務(wù)中的應(yīng)用

3.1 雷電定位系統(tǒng)在雷電預(yù)報(bào)預(yù)警中的應(yīng)用

通過(guò)雷電定位系統(tǒng)，實(shí)時(shí)獲取雷電觀測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合雷達(dá)、衛(wèi)星等其他觀測(cè)資料和數(shù)值模式產(chǎn)品，將雷電區(qū)域內(nèi)的雷達(dá)圖像分解，結(jié)合雷電定位資料，追蹤雷電的時(shí)空變化，最后將這一變化按指數(shù)趨勢(shì)對(duì)未來(lái)狀態(tài)進(jìn)行描述。將描述性的指標(biāo)按超前時(shí)間重新組合，形成特定區(qū)域的雷電預(yù)報(bào)。使用雷達(dá)、閃電定位資料估計(jì)雷電區(qū)域移動(dòng)軌跡，并利用統(tǒng)計(jì)、外推、決策樹(shù)等方法，綜合利用雷電定位資料、新一代天氣雷達(dá)資料和其他相關(guān)資料，建立關(guān)于閃電影響時(shí)間、強(qiáng)度、移向等的臨近預(yù)報(bào)方程和模型，實(shí)現(xiàn)雷電臨近預(yù)警的客觀化、定量化、精細(xì)化（圖3）[8]。

3.2 雷電定位系統(tǒng)在雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中的應(yīng)用

隨著廣西雷電定位系統(tǒng)的運(yùn)行，將雷電定位系統(tǒng)的雷電資料充分運(yùn)用到雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中，主要是雷電數(shù)據(jù)的采集與分析。地閃密度過(guò)去一直無(wú)法通過(guò)人工觀測(cè)獲得，我國(guó)規(guī)程采用的是劉繼等人在20世紀(jì)60年代對(duì)35～220 V共9 400 km/a架空線路雷電災(zāi)害事故統(tǒng)計(jì)得出的地面年落雷密度與雷電日的經(jīng)驗(yàn)表達(dá)式，即：Ng=0.023Td13次/（km2·a）[9]，其中Ng表示落雷密度，Td表示雷電日。而雷電日是氣象觀測(cè)站人工觀測(cè)的結(jié)果，人工觀測(cè)到的雷電出現(xiàn)范圍僅限于20～30 km，超過(guò)30 km范圍出現(xiàn)的落雷就記錄不到[10]。而該雷電定位系統(tǒng)ADTD？鄄2C型閃電定位儀能夠直接統(tǒng)計(jì)出1 km×1 km網(wǎng)格的地閃網(wǎng)需電密度。地閃電密度再也不受人工觀測(cè)資料不準(zhǔn)確等因素的限制和經(jīng)驗(yàn)公式的約束，數(shù)據(jù)將更真實(shí)可靠。

雷電定位系統(tǒng)能夠監(jiān)測(cè)到發(fā)生行政區(qū)域內(nèi)90%以上的地閃，并能記錄雷電流幅值及其陡度，通過(guò)編寫(xiě)雷電流查詢的小程序能夠清晰地掌握雷電流強(qiáng)度的分布、最大雷電流，得出雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估項(xiàng)目所在地雷電活動(dòng)的特點(diǎn)[11]。此外，將可以根據(jù)雷電定位系統(tǒng)歷年來(lái)的雷電數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)出雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估項(xiàng)目所在地的最大雷電流、正負(fù)地閃平均強(qiáng)度、地閃平均強(qiáng)度幾個(gè)典型的雷電流數(shù)值，用來(lái)計(jì)算被保護(hù)物體被直接雷擊時(shí)流過(guò)引下線的雷電流及其周?chē)艌?chǎng)強(qiáng)度估算值，然后根據(jù)《電子計(jì)算機(jī)場(chǎng)地通用規(guī)范》（GB/T2887-2000）機(jī)房?jī)?nèi)磁場(chǎng)干擾場(chǎng)強(qiáng)不大于800 A/m的要求，計(jì)算出機(jī)房屏蔽網(wǎng)格最小寬度和安全距離估算值，以及電源系統(tǒng)雷擊過(guò)電流估算，同時(shí)考慮到由感應(yīng)環(huán)路產(chǎn)生的感應(yīng)電流，將各級(jí)SPD的通流量加上約10%的安全裕量，則設(shè)計(jì)出各級(jí)SPD的通流量。GPS定位儀測(cè)出雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估項(xiàng)目所在地的經(jīng)緯度，然后根據(jù)雷電定位系統(tǒng)資料統(tǒng)計(jì)出上一年該項(xiàng)目所在地10 km范圍內(nèi)的雷電數(shù)據(jù)，一年來(lái)所有的雷閃點(diǎn)、閃擊時(shí)間、雷電強(qiáng)度、陡度等均清斷地顯示在實(shí)際的地形圖上，極大地加強(qiáng)了雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估數(shù)據(jù)的真實(shí)性與可靠性，為防雷設(shè)計(jì)提供科學(xué)的指導(dǎo)意見(jiàn)

3.3 雷電定位系統(tǒng)在雷電災(zāi)害調(diào)查與鑒定中的應(yīng)用

雷電定位系統(tǒng)能夠監(jiān)測(cè)到地閃的地點(diǎn)和時(shí)間，為雷災(zāi)的分析與判斷提供了依據(jù)，可應(yīng)用于雷電災(zāi)害調(diào)查與鑒定[12]。

2018年8月4日11：00左右，三江侗族自治縣富祿苗族鄉(xiāng)高安村村民韋奶連（女，46歲）及其女兒韋艷瓊（26歲）遭受雷擊身亡。接到事故報(bào)告后，利用GPS定位儀測(cè)得事故現(xiàn)場(chǎng)位于109.235° E，25.732° N。

ADTD閃電定位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)顯示：2018年8月4日08：00—12：00，三江侗族自治縣境內(nèi)共發(fā)生閃電14次，發(fā)生區(qū)域主要集中在縣城中部、南部地區(qū)，發(fā)生的時(shí)間主要集中在10：00—11：00之間。事故發(fā)生地點(diǎn)半徑5 000 m范圍內(nèi)共監(jiān)測(cè)到閃電1次，發(fā)生時(shí)間為8月4日10：52，為負(fù)地閃，強(qiáng)度為126.2 kA，位于事故發(fā)生點(diǎn)偏北方約362 m處。

雷電定位系統(tǒng)ADTD？鄄2C型閃電定位儀理論誤差一般在1 km，以及GPS存在一定的定位誤差，因此可以認(rèn)定雷電定位系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到的雷擊數(shù)據(jù)與該雷擊事故的時(shí)空分布基本吻合，并排除其他原因造成設(shè)備損壞的可能性，故鑒定此次事故是由雷擊引起。

3.4 雷電監(jiān)測(cè)在防雷檢測(cè)工作中的應(yīng)用

在對(duì)年度檢測(cè)單位進(jìn)行常規(guī)檢測(cè)時(shí)，還要根據(jù)価電監(jiān)測(cè)資料，結(jié)合該單位的地理、地貌、土質(zhì)和雷電環(huán)境情況，為其制定防雷減災(zāi)注意事項(xiàng)，通過(guò)對(duì)雷電實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)記錄的雷電強(qiáng)度、雷電密度等參數(shù)的分析，為這些單位在雷雨季節(jié)提出針對(duì)性的保護(hù)措施。

（1）通過(guò)監(jiān)測(cè)雷電在電網(wǎng)、主要通訊線路、微波站、無(wú)線通訊基站附近的活動(dòng)情況，及時(shí)搶修雷擊故障點(diǎn)，并根據(jù)雷電活動(dòng)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，對(duì)雷電活動(dòng)較頻繁區(qū)域的電網(wǎng)線路、微波站、無(wú)線通訊基站進(jìn)行重點(diǎn)防雷維護(hù)。

（2）通過(guò)監(jiān)測(cè)到的民航航線、機(jī)場(chǎng)附近、高速公路、電氣化鐵路附近雷電活動(dòng)情況，提供安全指導(dǎo)意見(jiàn)，加強(qiáng)防雷裝置特別是通信系統(tǒng)的防護(hù)措施。

（3）通過(guò)對(duì)輸油、輸氣管道、油站（庫(kù)）、氣站（庫(kù)）及泵站附近雷電監(jiān)測(cè)資料的整理分析，特別是對(duì)這些場(chǎng)所雷電活動(dòng)情況的實(shí)地勘察，提供安全指導(dǎo)意見(jiàn)及詳細(xì)的防護(hù)措施建議。

4 結(jié)語(yǔ)

雷電活動(dòng)是隨機(jī)的，但也有其形成機(jī)理，通過(guò)對(duì)雷電定位系統(tǒng)資料的積累和剖析，可以對(duì)某一區(qū)域內(nèi)閃電頻數(shù)、強(qiáng)度、時(shí)空分布及極性有一個(gè)概括性的認(rèn)識(shí)，據(jù)此對(duì)該區(qū)域的防雷減災(zāi)提出科學(xué)規(guī)劃，為雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和防雷檢測(cè)提供科學(xué)依據(jù)。雷電災(zāi)害鑒定的實(shí)時(shí)性要求高，要求及時(shí)提供準(zhǔn)確的雷擊位置及發(fā)生時(shí)間，判定結(jié)果要客觀公正。雷電定位系統(tǒng)能準(zhǔn)確記錄雷擊位置、時(shí)間及強(qiáng)度，在雷電災(zāi)害調(diào)查與鑒定中發(fā)揮著重要作用，為雷電災(zāi)害的分析與判斷提供了有力的依據(jù)，具有重大的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

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