現(xiàn)代氣象防雷技術(shù)的發(fā)展微探

張俊逸

（云南省氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心，云南 昆明 650000）

1.引言

在日常生活中，各種自然現(xiàn)象的發(fā)生十分普遍，比如降雨、大風(fēng)、雷電等，可能給生產(chǎn)和生活帶來一定損害。其中雷電天氣一直以來就是比較嚴(yán)重的氣象災(zāi)害問題，嚴(yán)重的會(huì)劈倒大樹、傷害到人身安全等。因?yàn)閷纂姺雷o(hù)需求的增加，逐漸出現(xiàn)避雷針以及各種防雷技術(shù)，可以有效防止雷擊，減輕雷電災(zāi)害發(fā)生帶來的損害。在各行業(yè)發(fā)展過程中，防雷技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用更為關(guān)鍵，比如農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中要防止雷擊農(nóng)作物，在工業(yè)生產(chǎn)中要防止外露的設(shè)備因雷擊而發(fā)生火災(zāi)等。所以先進(jìn)防雷技術(shù)的應(yīng)用十分重要，需要主管單位持續(xù)進(jìn)行研究，挖掘目前現(xiàn)有的防雷技術(shù)的缺陷和不足，進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，形成現(xiàn)代化的氣象防雷技術(shù)。

2.雷電的形成及活動(dòng)參數(shù)

雷電是自然的放電現(xiàn)象，會(huì)伴發(fā)閃電和雷鳴等的出現(xiàn)，令人望而生畏。雷電出現(xiàn)的前提是積累出現(xiàn)雷雨云并形成極性，而雷雨云出現(xiàn)的內(nèi)因是大氣中存在水蒸氣，所以，雷電的形成與氣象條件以及地形特點(diǎn)等有很大關(guān)聯(lián)。就我國來說，地域廣闊，有各種地形條件、氣象區(qū)域等，所以會(huì)出現(xiàn)不同形式的雷電情況。具體可以分為熱雷電、鋒雷電（熱鋒雷電與冷鋒雷電）、地形雷電3大類。

2.1 熱雷電多出現(xiàn)在夏季的午后，并且一般會(huì)伴發(fā)暴雨、冰雹的出現(xiàn)，形成速度很快，持續(xù)時(shí)間較短，1～2h左右，雷區(qū)范圍也不大。熱雷電的形成條件要求空氣潮濕度很高，水蒸氣趨于飽和；夏季晴朗天氣時(shí)地面久被暴曬，地溫提升，存在悶熱感；無風(fēng)或小風(fēng)，使得空氣中的溫濕度不均勻。

2.2 鋒雷電的出現(xiàn)是某地區(qū)受到強(qiáng)大的冷/暖氣流侵入，冷暖空氣接觸的鋒面或附近會(huì)出現(xiàn)。冷鋒雷電就是有其中的冷氣流侵入引起，形成冷空氣，迫使暖空氣上升，在到達(dá)一定高度后水蒸氣趨于飽和，此時(shí)就逐漸形成雷云；其最為厲害，表現(xiàn)得聲勢龐大，危害性也很大，會(huì)伴隨暴雨的出現(xiàn)；一般范圍是圍繞鋒面100～1000m的長度以及20～60km寬的寬度進(jìn)行發(fā)展，移速在50～60km/h，最高可以達(dá)到100km/h。暖鋒雷電的形成過程與之相反，是暖氣流入侵導(dǎo)致；其發(fā)生相比冷鋒雷來說比較緩和，并且多數(shù)不會(huì)伴發(fā)強(qiáng)烈的雷雨。

2.3 地形雷電一般會(huì)存在于空曠地區(qū)，規(guī)模不大，但是經(jīng)常出現(xiàn)。

3.現(xiàn)代氣象防雷設(shè)備的安裝

氣象防雷技術(shù)的應(yīng)用需要設(shè)備設(shè)施的配合，也就是需要完善的防雷設(shè)備裝置。一般來說這個(gè)裝置包括三個(gè)部分：一是針對直擊雷的防護(hù)措施，需要專門進(jìn)行配置，安裝在外部環(huán)境下，比如避雷針，可以對外界環(huán)境中的直擊雷起到引導(dǎo)作用，將之引入到地下，避免雷電直接接入對雷電測場造成損傷。二是設(shè)置特殊的金屬管道，或采取智能部件對防雷裝置進(jìn)行遠(yuǎn)距離控制，這樣可以控制雷電在擊中地面后所產(chǎn)生的反擊現(xiàn)象，并防護(hù)雷電產(chǎn)生的雷電波干擾，以此保證雷電測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。三是接地裝置，這個(gè)裝置十分重要，主要負(fù)責(zé)將雷電引入地面，避免造成大面積的損壞。

比如避雷針，這是最常用也是最初研發(fā)出的設(shè)備。對其的安裝部位要求并不高，木桿、電線桿都可以，但在安裝時(shí)一定要注意將接地引下線緊密連接到一起，這里多數(shù)選擇進(jìn)行焊接。要想保證避雷針發(fā)揮避雷效果，必須要關(guān)注引下線的接口問題，如果連接不緊密，或引下線有多余的橫截面積露出來，會(huì)導(dǎo)致在雷電天氣時(shí)避雷針無法進(jìn)行避雷，反而會(huì)引雷，造成嚴(yán)重后果。所以，在安裝避雷針時(shí)一定要注意細(xì)節(jié)問題。

4.現(xiàn)代氣象防雷技術(shù)工作的現(xiàn)狀

因?yàn)槔纂娞鞖庖恢倍即嬖?，過去迫于雷電天氣的危害，研發(fā)出避雷針的使用，并隨著技術(shù)的進(jìn)步，對避雷針進(jìn)行改進(jìn)，同時(shí)研發(fā)新的防雷技術(shù)。過去進(jìn)行防雷操作一般是使用在建筑物上，在建筑上安裝避雷針等氣象防雷設(shè)備，這主要是因?yàn)榻ㄖ锔?，相對來說距雷電的距離更近，所以受到的影響最大，也會(huì)直接影響到人們的生活，所以需要對建筑物接收的雷電進(jìn)行導(dǎo)電。在建筑上面使用防雷技術(shù)是當(dāng)前應(yīng)用氣象防雷技術(shù)的常見方式，也是智能化建筑在未來發(fā)展過程中的主要應(yīng)用趨勢。比如，在建筑外圍安裝科學(xué)的防雷裝置，可以直接讓電流在外部擴(kuò)散，或接入到地面中；在內(nèi)部安裝配套的防雷裝置，可以有效減輕雷電出現(xiàn)帶來的電磁干擾。

在建筑物中安裝合適的防雷裝置，也能減少因?yàn)槔纂姰a(chǎn)生的電磁波對建筑內(nèi)部電子設(shè)備帶來的干擾、信號(hào)不穩(wěn)定等副作用。因?yàn)殡娮釉O(shè)備在使用過程中，如果存在較強(qiáng)的電磁波干擾，會(huì)影響到設(shè)備性能，導(dǎo)致信號(hào)接收不到或紊亂，進(jìn)而影響到設(shè)備的正常使用。比如在使用電子通信設(shè)備時(shí)，強(qiáng)雷電天氣可能帶來信號(hào)中斷的問題，無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信。這種情況下，就算是在出現(xiàn)干擾時(shí)第一時(shí)間進(jìn)行應(yīng)急處理，也會(huì)因?yàn)闆]有做好防護(hù)而使得通信受到干擾，之后會(huì)斷線一段時(shí)間，無法快速推動(dòng)設(shè)備恢復(fù)正常，需要在進(jìn)行技術(shù)性處理后恢復(fù)，而這種情況的出現(xiàn)會(huì)造成很大損失，此情況在我們技術(shù)水平并不是很高的時(shí)期很常見。比如十幾年前，一旦出現(xiàn)比較強(qiáng)烈的雷電天氣，很多地區(qū)都會(huì)斷電，特別是農(nóng)村地區(qū)，這個(gè)問題隨著防雷技術(shù)的進(jìn)步已逐漸降低發(fā)生率。幾年前，夏季多雨天氣，如果出現(xiàn)強(qiáng)雷電情況，很多地區(qū)經(jīng)常出現(xiàn)斷電、斷網(wǎng)問題，這些問題目前得到很大程度的改善，基本不會(huì)再斷電斷網(wǎng)。新時(shí)期人們會(huì)在建筑物上建立雷電防護(hù)屏障，利用特殊的技術(shù)和設(shè)備，分擔(dān)產(chǎn)生的電流感應(yīng)，降低建筑物接受到的電磁感應(yīng)壓力，從而可以降低電磁干擾的存在，保障建筑工程的順利進(jìn)行。

以電涌保護(hù)器為例，過去最開始使用的就是線路避雷器，屬于一種開放性的空氣間隙。此設(shè)備有兩條導(dǎo)線，一條的一端與輸電線相連，另一條的一端直接接地，兩條導(dǎo)線的另一端間距一定的距離形成空氣間隙的兩極，以此發(fā)揮作用。此時(shí)調(diào)節(jié)間隙距離可確定和調(diào)整具體的擊穿電壓，這個(gè)參數(shù)的設(shè)定一般是略高于輸電線的工作電壓，這樣一來如果電路處于正常的工作狀態(tài)，其就類似于開路，并不會(huì)產(chǎn)生什么不良影響；反之，如果出現(xiàn)雷電天氣，遇到過電壓侵入，其被擊穿，過電壓就被移位到低水平，過電流也借此泄放接入地面，這樣就保護(hù)了線路的安全運(yùn)行。之后在材料技術(shù)的發(fā)展之下，出現(xiàn)半導(dǎo)體電涌保護(hù)器，后來又出現(xiàn)性能更好的金屬氧化新材料，用其作為電涌保護(hù)器的非線性元件。發(fā)展到現(xiàn)在，出現(xiàn)了很多建立在通信線路基礎(chǔ)上的電涌保護(hù)器，但受到通信線路傳輸參數(shù)的制約，所以需要考慮分布電容、電感等指標(biāo)，但具體的防雷原理是基本一樣的。

5.現(xiàn)代氣象防雷關(guān)鍵技術(shù)

5.1 建筑物防雷技術(shù)

一是從外部設(shè)計(jì)角度思考。這是最直接的防雷方式，通過對外部的設(shè)計(jì)合理選擇防雷系統(tǒng)的安裝位置，以充分發(fā)揮其作用。這一點(diǎn)可以選擇直接在建筑物上裝置防雷裝置，或者設(shè)計(jì)成將獨(dú)立的防雷系統(tǒng)安裝在建筑物周圍。考慮夏季的雷電天氣較多，出現(xiàn)的雷擊現(xiàn)象比較頻繁，而且夏季本身就是高溫干燥的時(shí)期，很容易因?yàn)槔讚舳鸹?，這也是夏季森林火災(zāi)發(fā)生的主要因素之一。所以直接在外部設(shè)計(jì)上為建筑物安裝獨(dú)立的防雷系統(tǒng)可以有效預(yù)防這種情況，同時(shí)也能防止建筑物因?yàn)槭艿嚼讚舳霈F(xiàn)損壞。

二是從內(nèi)部設(shè)備角度思考。外部防雷主要是避免雷擊進(jìn)入內(nèi)部，而建筑物內(nèi)部也可以使用科學(xué)的防雷裝置進(jìn)行防護(hù)工作，但要保證設(shè)備的性能良好。這樣可以直觀減少雷擊對于生活的影響。比如，在建筑物內(nèi)部安裝性能較好的防雷系統(tǒng)，可以避免出現(xiàn)反擊電壓等問題，這類問題屬于二次雷害的情況，會(huì)給建筑物內(nèi)部造成極大的破壞。但通過內(nèi)部安裝防雷設(shè)備的方式可以有效避免，或者控制其危害性。同時(shí)，也可以選擇從線路入手，加入電線保護(hù)系統(tǒng)，這樣也能在內(nèi)部有效避免建筑遭受雷擊問題。

三是建筑物內(nèi)外防雷接地。在防雷工作中，最關(guān)鍵的問題就是電氣設(shè)備與電線距離防雷裝置比較近，可能受到干擾。這兩類設(shè)備之間距離很近的話，后者感應(yīng)到電流的同時(shí)會(huì)引發(fā)前者的反擊，并對建筑物內(nèi)的電路造成破壞，甚至可能引發(fā)火災(zāi)、爆炸等。所以，為了避免這個(gè)問題的出現(xiàn)，在進(jìn)行這兩類設(shè)備的安裝操作時(shí)，要注意控制一定的間距，避免相互之間出現(xiàn)相互影響，尤其是后者要遠(yuǎn)離所有的電氣設(shè)備。

5.2 電力系統(tǒng)防雷技術(shù)

一是遮蓋法。這是最常用的電力系統(tǒng)防雷技術(shù)。該方法是將避雷針安裝在建筑物上方，相當(dāng)于在上面遮蓋保護(hù)傘，可以避免建筑物被雷擊，并配合接地裝置將雷電接入地下。一般來說用的是避雷針、避雷線等，防止建筑物被雷擊。其中避雷線的作用是將接收的電流傳導(dǎo)到地下，以此緩解雷電的破壞能力和范圍。從電網(wǎng)層面分析，因?yàn)楹芏嗯潆娐肪€是直接暴露在環(huán)境中，所以很容易受到雷電的影響，一旦被雷擊可能出現(xiàn)電路紊亂等問題，造成線路工作中斷等；此時(shí)很多技術(shù)人員會(huì)借助避雷線進(jìn)行保護(hù)，效果比較顯著，可有效控制雷電的破壞力度。

二是堵截法。該方法使用的一般是避雷器，其主要安置在設(shè)備的前后面或者左右邊；主要避雷區(qū)域就是其圍住的區(qū)域，也就是相當(dāng)于將雷電堵截在了線路中，這樣就可以全面保護(hù)線路的安全性。該方法也可以嘗試用在配電線路上，實(shí)現(xiàn)雙重保護(hù)。

三是隔離法。該方法可以直接針對建筑物的某個(gè)系統(tǒng)。比如變壓器等，直接進(jìn)行隔離之后，變壓器就不用擔(dān)心會(huì)受到雷擊的影響，進(jìn)而保證建筑物不會(huì)受到雷電天氣的影響。

6.現(xiàn)代氣象防雷技術(shù)的發(fā)展前景

6.1 防雷技術(shù)在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展

主要是因?yàn)榻ㄖ锝ㄔO(shè)水平不斷提升，建筑物的外觀、材質(zhì)等也不斷變化，所以需要防雷技術(shù)隨之提升。這可以借助計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能化防雷，安裝智能化的防雷設(shè)施，從而更好地降低雷電產(chǎn)生的電磁性干擾。比如針對建筑物的外觀或結(jié)構(gòu)不同，可以選擇不一樣的防雷技術(shù)，減少其受到的電磁干擾。另外要積極借助云計(jì)算、人工智能等技術(shù)，發(fā)展智能防雷技術(shù)，能夠?qū)纂娞鞖獾奈：Φ燃夁M(jìn)行判斷，事先預(yù)測雷電的電磁量大小，然后選擇合適的應(yīng)對方式進(jìn)行防護(hù)。

6.2 在電子產(chǎn)品領(lǐng)域中的應(yīng)用發(fā)展

當(dāng)前電子通信技術(shù)十分發(fā)達(dá)，網(wǎng)絡(luò)基站數(shù)量更多，分布更加廣泛，其中不乏一些位于海拔較高的區(qū)域，所以對其進(jìn)行防雷技術(shù)的研究，以更好地降低雷電所產(chǎn)生的電磁干擾也是一個(gè)方向。目前所使用的通信設(shè)備都實(shí)現(xiàn)電子化，所以會(huì)受到雷電天氣的更大影響，自身對于雷電的抗壓能力又比較弱，所以雷電的出現(xiàn)會(huì)產(chǎn)生較大影響，尤其是電磁干擾的存在，會(huì)降低通信水平。所以可以在設(shè)備上安裝信號(hào)避雷系統(tǒng)，借助對壘電信號(hào)的感應(yīng)而進(jìn)行規(guī)避，可以保證設(shè)備的安全使用。

6.3 重視預(yù)測預(yù)警的發(fā)展方向

雷電災(zāi)害一般都是突然出現(xiàn)，一般來說很難在災(zāi)害發(fā)生后再進(jìn)行控制，所以需要提升雷電災(zāi)害的預(yù)測能力，提高預(yù)測的準(zhǔn)確性可以大幅降低其帶來的損害，這也是未來防雷技術(shù)發(fā)展的方向之一。同時(shí)，這也要求有對應(yīng)的科學(xué)管理制度和工作模式，需要事先制定先進(jìn)的管理體系，學(xué)習(xí)先進(jìn)的管理技術(shù)，如落實(shí)責(zé)任到人的責(zé)任制度，提高信息傳遞效率和工作細(xì)節(jié)的落實(shí)程度，從而促進(jìn)氣象防雷技術(shù)的發(fā)展，提升防雷工作效果。

6.4 研發(fā)新的防雷技術(shù)

隨著時(shí)代的發(fā)展，科技一直在進(jìn)步，可能會(huì)受到雷擊影響的設(shè)備設(shè)施也出現(xiàn)很大的改變，所以，需要?dú)庀蠓览准夹g(shù)也隨之發(fā)展，智能化、全面化、具體化是未來防雷技術(shù)的發(fā)展趨勢。比如當(dāng)前智能建筑的打造越來越多，內(nèi)部存在大規(guī)模的集成電路網(wǎng)絡(luò)，電子設(shè)備和大型用電設(shè)備，都很容易受到雷電損害，不僅威脅人身安全，也會(huì)造成經(jīng)濟(jì)損失。所以需要對現(xiàn)有的防雷技術(shù)進(jìn)行研究，與時(shí)俱進(jìn)，以更好地滿足不斷發(fā)展的防雷需求。比如開發(fā)新型避雷針，無輻射且提前放電，準(zhǔn)確性高，具有優(yōu)良的物理性能抗腐蝕、抗風(fēng)能力強(qiáng)，可以減少維護(hù)成本。

重視氣象防雷技術(shù)在智能建筑物中的應(yīng)用至關(guān)重要，是未來的發(fā)展趨勢。通過內(nèi)外部結(jié)合的綜合防雷技術(shù)措施，減少電流穿過時(shí)的電磁改變，避免二次雷擊的損害。同時(shí)設(shè)置表面屏蔽來避免給電子設(shè)備造成不好的影響，避免受到雷擊之后出現(xiàn)因線路損壞導(dǎo)致的通信等障礙而影響救援與搶救。如今，室外安裝監(jiān)控設(shè)備的行為也比較普及，其內(nèi)部構(gòu)造越來越精細(xì)化，其對雷擊的承受能力也逐漸下降，會(huì)直接影響到監(jiān)控系統(tǒng)的作用發(fā)揮，造成信息的損壞、丟失，給個(gè)人、企業(yè)和社會(huì)帶來一些麻煩。所以，對監(jiān)控電子設(shè)備的防雷技術(shù)研發(fā)也是一個(gè)重要部分，是安防系統(tǒng)的重要驗(yàn)收內(nèi)容。

7.結(jié)語

隨著科技的進(jìn)步，氣象防雷技術(shù)水平也在不斷提升，從過去的避雷針到現(xiàn)在的智能防雷系統(tǒng)，出現(xiàn)很大的進(jìn)步，對于雷電天氣的防護(hù)水平也進(jìn)一步提升。科學(xué)的防雷技術(shù)可以推動(dòng)建筑業(yè)、農(nóng)業(yè)等各方面的發(fā)展，可以保證暴露在環(huán)境中的各種線路運(yùn)行的安全性。隨著時(shí)代的發(fā)展，對于防雷技術(shù)的需求進(jìn)一步提升，需要研究更先進(jìn)的技術(shù)和設(shè)備，對其當(dāng)前的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行反思和探索，根據(jù)其應(yīng)用期間存在的安全隱患進(jìn)行深入研究。在掌握雷電形成原理和特征的基礎(chǔ)上，研究出更加先進(jìn)、高效和安全的氣象防雷技術(shù)與設(shè)備，重視安全監(jiān)測、風(fēng)險(xiǎn)評估、宣傳推廣以及人員培訓(xùn)等方面工作的配合開展，盡力提高氣象防雷技術(shù)的安全性。