雷電定位系統(tǒng)在雷電災(zāi)害防御和監(jiān)測預(yù)警中的應(yīng)用

黃揚東 朱文生 張漫霞

摘要 廣東省地處中國南嶺以南，南海之濱，雷電活動較為頻繁。雷電定位系統(tǒng)作為如今最先進、全自動、大面積、實時監(jiān)測雷電活動的一種計算機在線系統(tǒng)，在雷電災(zāi)害防御及監(jiān)測預(yù)警中發(fā)揮著舉足輕重的作用。首先概述了廣東省雷電定位系統(tǒng)的構(gòu)成、原理及現(xiàn)狀，后重點論述了雷電定位系統(tǒng)在雷電災(zāi)害防御和監(jiān)測預(yù)警中的應(yīng)用，以期能夠切實做好防雷服務(wù)工作，進而保障人民群眾的生命財產(chǎn)安全及社會安定。

關(guān)鍵詞 雷電定位系統(tǒng);雷電災(zāi)害;監(jiān)測預(yù)警;防御;應(yīng)用

中圖分類號：S761.5 文獻標識碼：B 文章編號：2095–3305（2021）04–0124–02

廣東省地處中國華南地區(qū)，介于東經(jīng)109°45'～117°20'及北緯20°09'～ 25°31'之間，其東靠福建，南臨香港、澳門特別行政區(qū)，西毗鄰廣西，北連江西、湖南。全省總面積17.97萬km2，南部以平原和臺地為主，北部多丘陵。廣東省屬于東亞季風氣候區(qū)，年平均氣溫22.3℃，年平均降水量1 777 mm，年平均日照時數(shù)1 745.8 h。特殊的地理位置、地形條件與氣候條件導致該地區(qū)雷電災(zāi)害發(fā)生頻率居高不下。據(jù)統(tǒng)計，廣東省年平均雷暴日在70 d以上，雷暴發(fā)生頻率位于全國第2位，每年由雷擊造成的損失高達5 000萬元，嚴重時還會造成人員傷亡[1-2]。由此可見，防雷形勢十分嚴峻。雷擊是導致輸配電線路發(fā)生跳閘的首要因素。近年來，南方電網(wǎng)110 kV以上電壓等級輸電線路由于雷擊出現(xiàn)跳閘次數(shù)將近2 000次，占到總跳閘次數(shù)的60%以上。在此背景下，雷電定位系統(tǒng)作為主要的雷電監(jiān)測手段應(yīng)運而生，并逐漸發(fā)展成為社會生產(chǎn)及生活提供服務(wù)的一種有效工具。近年來，隨著氣象現(xiàn)代化的發(fā)展，廣東省先后布設(shè)了全面覆蓋的雷電定位系統(tǒng)，用于對雷電活動進行自動化、全方位、數(shù)值化的持續(xù)監(jiān)測，使雷電監(jiān)測預(yù)警水平及其防御能力有了顯著提升。著重探討雷電定位系統(tǒng)在雷電災(zāi)害防御和監(jiān)測預(yù)警中的應(yīng)用，對于快速查找雷擊事故點、做好雷電監(jiān)測預(yù)警、明確雷電活動規(guī)律，進而保障民眾生命財產(chǎn)安全等具有重要意義。

1 雷電定位系統(tǒng)概述

1.1 雷電定位系統(tǒng)的構(gòu)成及原理

雷電定位系統(tǒng)是一種全自動、大面積、實時性的計算機監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用CPS（全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)）、GIS（地理信息系統(tǒng)）與RS（遙測系統(tǒng)）等現(xiàn)代化信息技術(shù)，自動對雷擊發(fā)生的時間、地點、極性、回擊次數(shù)、雷電流幅值等雷電特征參數(shù)進行實時遙測[3-4]。雷電定位系統(tǒng)作為當前最為有效的雷電監(jiān)測手段，在查詢雷擊線路故障點、統(tǒng)計雷電參數(shù)、雷電監(jiān)測預(yù)警、分析雷害事故等眾多方面均得到廣泛應(yīng)用。

1.1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 通常情況下，雷電定位系統(tǒng)由中心站、探測站、用戶系統(tǒng)及通信系統(tǒng)等幾部分組成，其中通信系統(tǒng)是其中不可或缺的重要組成部分，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1[5]。

其中，中心站在該系統(tǒng)的運行過程中也發(fā)揮著重要作用，并擔負著處理前置數(shù)據(jù)、控制系統(tǒng)與聯(lián)網(wǎng)、分析與計算數(shù)據(jù)定位、存儲與管理雷電數(shù)據(jù)、活動報警等多項重任。

探測站為雷電定位系統(tǒng)的核心元件，主要用于針對云對地雷電的電磁輻射信號進行探測，并對雷電波到達的方位、時間、強度、波形及極性等參數(shù)進行測定，而且還可以用于記錄存儲及遠程調(diào)用，將上述參數(shù)數(shù)據(jù)傳送至中心站定位計算服務(wù)器，并借助高穩(wěn)晶振與GPS天線等為該系統(tǒng)的測量與計算提供有效的時基。

用戶系統(tǒng)將地理信息、電網(wǎng)等與雷電信息融合為一體化的計算機軟件系統(tǒng)，該系統(tǒng)也是雷電定位系統(tǒng)的重要組成部分。

1.1.2 雷電定位系統(tǒng)的原理 當出現(xiàn)雷電天氣現(xiàn)象時，雷電定位系統(tǒng)將會使用時差法探測器探測與定位雷電，之后將雷擊數(shù)據(jù)實時傳送至中央處理機，經(jīng)過中央處理機的交匯與處理，準確給出每個雷電回擊的強度、位置等參數(shù)，之后再將上述參數(shù)傳輸至雷電信息系統(tǒng)，并在該系統(tǒng)當中生成數(shù)據(jù)庫。依據(jù)探測獲取的數(shù)據(jù)，并將雷電信息系統(tǒng)與全球定位系統(tǒng)相結(jié)合，將雷擊的位置、強度等參數(shù)在地圖圖層上準確標注出來。之后還要將數(shù)據(jù)庫對外開放，為用戶訪問與使用提供便利。

1.2 廣東省雷電定位系統(tǒng)現(xiàn)狀

當前，我國現(xiàn)有500個探測站均安裝有雷電定位系統(tǒng)，為雷電監(jiān)測網(wǎng)的安全和正常運行提供了有效的數(shù)據(jù)支撐。我國大陸電網(wǎng)陸續(xù)建成了主要電網(wǎng)區(qū)域全覆蓋的雷電定位系統(tǒng)，在2006年各系統(tǒng)實現(xiàn)了聯(lián)網(wǎng)，2010年南方電網(wǎng)有限責任公司雷電定位系統(tǒng)實現(xiàn)了聯(lián)網(wǎng)，促使中國發(fā)展成為雷電監(jiān)測大國。南方電網(wǎng)有限責任公司的雷電定位系統(tǒng)在有效監(jiān)測雷電中發(fā)揮著不容忽視的重要作用[6]。截止2020年，南方電網(wǎng)有限責任公司雷電定位系統(tǒng)建設(shè)情況如表1所示。

經(jīng)過多年的改進，我國雷電定位系統(tǒng)的整體探測效率有了顯著提升，平均定位精度位于700～1 000 m之間，雷電流峰值統(tǒng)計結(jié)果位于10～35 kV之間的相對誤差在20%以內(nèi)。就廣東省而言，對該地區(qū)近5年（2016—2020年）220 kV及其以上線路的故障檢測率進行統(tǒng)計見表2。

由表2可見，近5年來廣東省雷電定位系統(tǒng)的定位精度平均為859 m，平均故障檢測率為89.9%。廣東電網(wǎng)雷電定位系統(tǒng)經(jīng)過多年的發(fā)展，在判斷雷擊故障、快速查找雷擊故障點等方面的作用突出。但是，近年來，信息技術(shù)的飛速發(fā)展推動雷電監(jiān)測技術(shù)也實現(xiàn)了迅猛發(fā)展，與此同時，人們對電網(wǎng)安全性與穩(wěn)定性的要求也愈加嚴苛，同時針對雷電定位系統(tǒng)的定位精度及其探測效率也提出了更高標準的要求，因此，積極研發(fā)新型的、精確度更高的雷電定位系統(tǒng)刻不容緩[7]。

3 雷電定位系統(tǒng)在雷電災(zāi)害防御和監(jiān)測預(yù)警中的應(yīng)用

當前，雷電定位系統(tǒng)在雷電災(zāi)害監(jiān)測、預(yù)警、預(yù)報、防護及雷電研究等多個領(lǐng)域均得到廣泛應(yīng)用。該系統(tǒng)不僅能夠及時發(fā)現(xiàn)雷電的生成與發(fā)展，而且能對雷電現(xiàn)象進行實時跟蹤與定位，使相關(guān)部門及民眾不僅能夠明確雷電產(chǎn)生的時間、方位，還能準確掌握雷電的運動軌跡，使氣象部門能夠提前做好雷電防御準備工作，以盡可能“躲”開雷害，進而最大限度地減少雷電災(zāi)害造成的影響及損失[8-9]。雷電定位系統(tǒng)在雷電災(zāi)害防御及監(jiān)測預(yù)警中的應(yīng)用主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）現(xiàn)如今，雷電定位系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于氣象監(jiān)測領(lǐng)域，并在有效防御雷電災(zāi)害中發(fā)揮著不可替代的重要作用。通過雷電定位系統(tǒng)，能夠在監(jiān)測過程中實時預(yù)警雷電災(zāi)害，使相關(guān)部門及時做好雷電災(zāi)害的防御準備工作。例如，氣象部門以雷電定位系統(tǒng)實時監(jiān)測的狀況為依據(jù)，及時發(fā)出雷電預(yù)警信息，尤其要重視易燃易爆等雷電高發(fā)區(qū)的預(yù)警工作，在雷電發(fā)生之前強制易燃易爆場所停止作業(yè)，以保障該場所及人員的安全。

（2）通過雷電定位系統(tǒng)能夠?qū)崟r遙測雷電現(xiàn)象，并將雷電活動的范圍及相關(guān)監(jiān)測數(shù)據(jù)上報給相關(guān)部門。而且雷電定位系統(tǒng)還能夠詳細記錄雷電的強度、波形、密度等參數(shù)。以雷電發(fā)生強度、頻率等為依據(jù)合理設(shè)計與建設(shè)防雷工程，并以該地區(qū)雷電監(jiān)測數(shù)據(jù)為依據(jù)選擇在雷電發(fā)生頻率低及強度低的地區(qū)建設(shè)防雷工程。

4 結(jié)語

近年來，隨著科學技術(shù)的飛速發(fā)展，雷電定位系統(tǒng)仍需不斷完善、創(chuàng)新與發(fā)展，只有這樣才能更精確、有效地監(jiān)測雷電活動，更好地防御雷電災(zāi)害，進而最大限度地減少雷電災(zāi)害引發(fā)的人員傷亡及財產(chǎn)損失，并保障人民群眾的生命財產(chǎn)安全。

參考文獻

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責任編輯：黃艷飛