雷電監(jiān)測與防護技術研究與進展

1、雷電監(jiān)測及防護技術研究與進展江蘇省防雷中心江蘇省防雷中心馮民學馮民學2011年10月前 言雷(閃)電是發(fā)生在自然大氣中的瞬間大電流（20kA或以上） 、高電壓（大約是l0MV）放電現(xiàn)象，并同時伴有聲、光的出現(xiàn)。一次雷電時間大約為千分之一秒，一次放電過程一般持續(xù)時間為0110s，閃電長度可達九十公里。其中可能包括幾次大電流脈沖過程，被稱作閃擊。3雷電在地球大氣物理和化學過程中扮演著極重要的角色雷電在地球大氣物理和化學過程中扮演著極重要的角色2021-12-84雷電是一種信息源雷電是一種信息源雷電頻譜：直流雷電頻譜：直流幾百幾百2021-12-85閃電電磁輻射閃電電磁輻射VLF/LF以地波、地電離

2、層中的天波傳播，傳播距離較遠以地波、地電離層中的天波傳播，傳播距離較遠VHF以射線方式傳播、受地球曲率控制，傳播距離較近以射線方式傳播、受地球曲率控制，傳播距離較近6雷電是頻發(fā)的氣象災害雷電是頻發(fā)的氣象災害雷擊是自然界強大的脈沖放電現(xiàn)象；雷擊是自然界強大的脈沖放電現(xiàn)象；全世界平均每分鐘發(fā)生雷暴二千次；每年因雷擊全世界平均每分鐘發(fā)生雷暴二千次；每年因雷擊造成的人員傷亡超過一萬人，直接經(jīng)濟損失達數(shù)造成的人員傷亡超過一萬人，直接經(jīng)濟損失達數(shù)十億美元。十億美元。聯(lián)合國十年減災委員會列為聯(lián)合國十年減災委員會列為“最嚴重的十種自然最嚴重的十種自然災害之一災害之一”國際電工委員會稱為國際電工委員會稱為“電子

3、時代的一大公害電子時代的一大公害”。 。雷電是我國最嚴重的氣象災害之一雷電是我國最嚴重的氣象災害之一我國每年因雷擊造成的人員傷亡達上千人，財產(chǎn)我國每年因雷擊造成的人員傷亡達上千人，財產(chǎn)損失達損失達50-10050-100億元人民幣億元人民幣江蘇是雷暴多發(fā)區(qū)，平均雷暴日為江蘇是雷暴多發(fā)區(qū)，平均雷暴日為30-4330-43天，最多天，最多年份達年份達7373天雷災事故頻發(fā)。天雷災事故頻發(fā)。各級政府日益重視防雷減災工作，重大雷擊事故各級政府日益重視防雷減災工作，重大雷擊事故有所下降，但信息電子設備雷擊事故呈增趨勢。有所下降，但信息電子設備雷擊事故呈增趨勢。1997-2010年全國不完全統(tǒng)計雷電災害人

4、員傷亡圖年全國不完全統(tǒng)計雷電災害人員傷亡圖江蘇省雷災情況江蘇省雷災情況江蘇省雷災情況江蘇省雷災情況江蘇省雷災分析江蘇省雷災分析2008-20102008-2010江蘇各市雷災上報情況江蘇各市雷災上報情況2021-12-815OTD和和LIS光學閃電成像儀光學閃電成像儀OTDOTD于于19951995年上天年上天，工作到，工作到20002000年年3 3月，軌道高度月，軌道高度750km750km，軌道傾角，軌道傾角7070 。像素分辨率。像素分辨率10km10km，視場，視場13001300 1300km1300km2 2，探測率，探測率50%50%。LISLIS于于19971997年年111

5、1月上天月上天，至今仍在，至今仍在工作工作，軌道高度，軌道高度350km350km，軌道傾角，軌道傾角3535 ，主要探測中低，主要探測中低緯度地區(qū)熱帶風暴信息。像素分辨率緯度地區(qū)熱帶風暴信息。像素分辨率5km5km，視場，視場550550 550km550km2 2，探測率，探測率90%90%。2021-12-818衛(wèi)星閃電成象衛(wèi)星閃電成象儀觀測系統(tǒng)：儀觀測系統(tǒng)：a 光學成像系統(tǒng)光學成像系統(tǒng)OTD-740km,nadir8km,-2000.3LIS-350km(402.2km),3.9km衛(wèi)星閃電衛(wèi)星閃電成象儀觀成象儀觀測系統(tǒng)：測系統(tǒng)：b VHF和光學成像和光學成像系統(tǒng)系統(tǒng)From Los

6、Alamos National Laboratory， Space & Atmospheric Sciences Group（by D. Suszcynsky,2000）地球靜止衛(wèi)星閃電探測儀地球靜止衛(wèi)星閃電探測儀美國從美國從19901990年開始規(guī)劃地球靜止軌道衛(wèi)星閃電成像年開始規(guī)劃地球靜止軌道衛(wèi)星閃電成像儀儀GLM(Geostationary Lightning Mapper)GLM(Geostationary Lightning Mapper)，原本，原本計劃在計劃在20032003年前后由年前后由GOES-RGOES-R衛(wèi)星攜帶上天，由于某衛(wèi)星攜帶上天，由于某種目前尚未公開的原

7、因，推遲到種目前尚未公開的原因，推遲到20122012年前后上天。年前后上天。我國的我國的FY-4FY-4衛(wèi)星閃電成像儀是目前已知的第二個靜衛(wèi)星閃電成像儀是目前已知的第二個靜止軌道衛(wèi)星閃電成像儀的發(fā)展規(guī)劃。止軌道衛(wèi)星閃電成像儀的發(fā)展規(guī)劃。 地球靜止衛(wèi)星閃電地球靜止衛(wèi)星閃電探測儀探測儀優(yōu)點優(yōu)點與低軌道衛(wèi)星閃電成像儀相比，地球靜止軌道衛(wèi)星閃與低軌道衛(wèi)星閃電成像儀相比，地球靜止軌道衛(wèi)星閃電成像儀的優(yōu)勢表現(xiàn)在如下幾方面：電成像儀的優(yōu)勢表現(xiàn)在如下幾方面：（1 1）覆蓋范圍寬廣得多；）覆蓋范圍寬廣得多；（2 2）觀測能力大大提高；）觀測能力大大提高；（3 3）時效性高；）時效性高；（4 4）具有對閃電連續(xù)

8、跟蹤監(jiān)視能力。）具有對閃電連續(xù)跟蹤監(jiān)視能力。地球靜止軌道衛(wèi)星閃電成像儀被認為是閃電最有效的地球靜止軌道衛(wèi)星閃電成像儀被認為是閃電最有效的觀測手段。觀測手段。2021-12-822極軌探測極軌探測2021-12-823靜止衛(wèi)星探測靜止衛(wèi)星探測24起電過程探測儀器雷電放電探測儀器磨盤電場儀雙球探空電場儀VLF/LF閃電探測系統(tǒng)北美閃電監(jiān)測網(wǎng)VHF閃電軌跡探測系統(tǒng)測向法時差測向混合定位系統(tǒng)時差測向混合云地、云閃探測系統(tǒng)(IMPACT-ESC)LINETSAFIRLMALDAR升級升級升級升級VLF/LF時差測量德國慕尼黑大學研制，能探測地閃、云閃，并以三維形式顯示.TOA方法方法MDF方法方法磁定向

9、器磁定向器:由二個正交線圈天線組成由二個正交線圈天線組成三個三個MDF檢測到一個閃擊檢測到一個閃擊,得到一交叉點或三角區(qū)得到一交叉點或三角區(qū)地基雷電探測定位地基雷電探測定位 LF/VLF方法方法IMPACT: MDF與與TOA相組合信息法相組合信息法地基雷電探測定位地基雷電探測定位 VHF干涉儀干涉儀 （干涉儀多站定位）（干涉儀多站定位） LS8000（right) ： Total Lightning Sensor LS7000 (left)： CG Enhanced Lightning Sensor （ modular design）Vaisala.co.新型閃電感應器新型閃電感應器雷電監(jiān)測

10、技術雷電監(jiān)測技術北美閃電探測網(wǎng)北美閃電探測網(wǎng) (DF and TOA capability)美國地基閃電探測定位網(wǎng)（美國地基閃電探測定位網(wǎng)（NLDN）業(yè)務系統(tǒng)）業(yè)務系統(tǒng)(2001以前，以以前，以IMPACT & LPATS-3聯(lián)合組網(wǎng)。）聯(lián)合組網(wǎng)。） DF（1984-）：時間、方位角、第一回擊幅度和回擊數(shù)；20ms IMPACT（DFTOA）（1995-）：到達時間到達時間、方位角、回回擊幅度擊幅度和回擊數(shù)；GPS 時間同步時間同步，20ms re-arm time IMPACT-ESP（2001-):到達時間、方位角、回擊幅度和回擊數(shù),云閃信號探測（云閃信號探測（in survey-

11、level）；GPS 時間同步，1ms dead time,更強的資料整理能力更強的資料整理能力， LS8000（2005）：總閃電（VHF interferometer IMPACT）美國美國 LF/VLF感應器主要性能感應器主要性能(演變演變)歐洲閃電探測網(wǎng)歐洲閃電探測網(wǎng)我國雷電監(jiān)測網(wǎng)我國雷電監(jiān)測網(wǎng)內(nèi)地：內(nèi)地：150KM基線組網(wǎng)，基線組網(wǎng)，247個站，精度個站，精度500米米西部：西部：300KM基線組網(wǎng)，基線組網(wǎng)，83個站，精度個站，精度1000米米ADTD研發(fā)背景 ADTD是中國科學院空間中心是中國科學院空間中心1997年研制年研制并在山東電力局投入試運行的；并在山東電力局投入試運行的

12、； ADTD1998年底在山東省科委通過鑒定驗年底在山東省科委通過鑒定驗收；收； ADTD是我國第一個能實用的時差側向閃是我國第一個能實用的時差側向閃電監(jiān)測定位網(wǎng)；電監(jiān)測定位網(wǎng)； 2000年深圳閃電監(jiān)測網(wǎng)是氣象系統(tǒng)第一個年深圳閃電監(jiān)測網(wǎng)是氣象系統(tǒng)第一個能進入業(yè)務運行閃電監(jiān)測定位網(wǎng)；能進入業(yè)務運行閃電監(jiān)測定位網(wǎng)； 2003年年ADTD在氣象局定型，獲得設備許在氣象局定型，獲得設備許可證；可證； 到目前為止到目前為止ADTD在氣象系統(tǒng)共建有在氣象系統(tǒng)共建有311個個探測站（國家業(yè)務網(wǎng)），其中中科院生產(chǎn)探測站（國家業(yè)務網(wǎng)），其中中科院生產(chǎn)了了179個，華云生產(chǎn)個，華云生產(chǎn)132個站。個站。VLF/L

13、FVLF/LF高精度三維雷暴脈沖實時探測系統(tǒng)高精度三維雷暴脈沖實時探測系統(tǒng)雷暴三維定位結果雷暴三維定位結果VHFVHF三維閃擊軌跡探測系統(tǒng)三維閃擊軌跡探測系統(tǒng)云閃軌跡云閃軌跡地閃軌跡地閃軌跡雷電危害雷電危害直擊雷直擊雷雷擊電磁脈沖雷擊電磁脈沖電電效效應應熱熱效效應應機機械械力力靜靜電電感感應應電電磁磁感感應應電電磁磁脈脈沖沖雷雷電電反反擊擊雷暴引起感應雷擊及過電壓直擊雷或鄰近雷擊直擊雷或鄰近雷擊:擊在外部防雷系統(tǒng)，如保護框架（工業(yè)裝置上擊在外部防雷系統(tǒng)，如保護框架（工業(yè)裝置上.）電纜上等。）電纜上等。浪涌電流在接地電阻浪涌電流在接地電阻Rst上引起電壓降。上引起電壓降。閉合環(huán)路感應產(chǎn)生過電壓閉

14、合環(huán)路感應產(chǎn)生過電壓信息系統(tǒng)信息系統(tǒng)電源系統(tǒng)電源系統(tǒng)L1L2L3PEN20 kVRst2c1a1b12a2b11a1b遠處雷擊遠處雷擊:擊在遠處架空輸送線擊在遠處架空輸送線纜上纜上雷云之間的放電通過雷云之間的放電通過架空線纜引起感應雷架空線纜引起感應雷電波及過電壓。電波及過電壓。在野外在野外,雷電擊中通信雷電擊中通信線纜線纜2a2b2c到目前為止還沒有任何一種裝置能阻止雷電的產(chǎn)到目前為止還沒有任何一種裝置能阻止雷電的產(chǎn)生，也沒有能阻止雷擊到建筑物上的器具和方法。生，也沒有能阻止雷擊到建筑物上的器具和方法。外部防雷裝置：外部防雷裝置：接閃、接閃、引流引流、接地接地（散流系統(tǒng)）（散流系統(tǒng)）雷擊電磁

15、脈沖防護：雷擊電磁脈沖防護：等電位連接、屏蔽、合理布等電位連接、屏蔽、合理布線、共用接地系統(tǒng)和安裝各類電涌保護器件線、共用接地系統(tǒng)和安裝各類電涌保護器件雷電的綜合防護雷電的綜合防護雷電的綜合防護雷電的綜合防護230/400 V,50 Hz避器器配電箱屏蔽室里的鋼筋接地系統(tǒng)金屬結構作為建筑物屏蔽建筑物用鋼筋網(wǎng)屏蔽建筑物屋頂?shù)耐獠拷娱W裝置接閃裝置到鋼筋的接點鋼筋墻作為建筑的屏蔽和引下線數(shù)據(jù)線避雷器 等電位連接EBBLPZ 1LPZ 2通信和數(shù)據(jù)的電源過壓保護LPZ 0LPZ 0 到 LPZ 1 到 LPZ 2的界面地下的鋼筋用作建筑物屏蔽和接地系統(tǒng)雷電保護系統(tǒng)依據(jù)雷電保護系統(tǒng)依據(jù)IEC-62305

16、IEC-62305基礎接地裝置通信線避雷器lTC81第81技術委員會（防雷）:成立于1980年l目的：制定國際防雷標準和指南l協(xié)作：與IEC/TC64、 TC37、 TC77與ISO、ITU與CIGRE（國際大電網(wǎng)）與各成員單位l（中國為25個P成員積極參加工作、承擔標準草案投票表決）在IEC TC 81的標準IEC TC 81雷擊保護IEC 61024建筑物防雷（系列）IEC61312防雷擊電磁脈沖（ LEMP） （系列）IEC61663通信線路防雷（系列）IEC 61024-1:1990-03建筑物防雷第1部分：通則IEC 61312-1:1995-02防 LEMP 第 1 部分：通則IE

17、C 61662:1995-04雷擊損壞危險度的評估IEC 61662:1996-05補充評估：加入LEMP后的危險度評估IEC 61819/Ed.1（81/145/CDV）2001模擬防雷裝置（LPS）各部件效應的測量參量IEC 61663-1:1999-07通信線路防雷第1部分：光纖線路IEC 61663-2（81/164/FDIS） 2001通信線路防雷第2部分：金屬導線路線IEC 61312-2 TS:1999-08防LEMP第2部分：建筑物屏蔽、內(nèi)部等電位連接及接地IEC 61312-3 TS:2000-07（IEC 81/150/CD）防 LEMP 第 3 部分：電涌保護器（SPD）

18、的要求IEC 61312-4 TS:199809防 LEMP 第 4 部分：已有建筑物的保護IEC 61312-5 TS:2000（81/165/CD）防 LEMP 第 5 部分：應用指南IEC 61024-2建筑物防雷第2部分：建筑物高于60m的附加要求IEC 61024-3建筑物防雷第3部分：有爆炸危險和易發(fā)生火災建筑物的附加要求IEC 61662/Ed.2 TS（81/156/CD）2001風險控制風險控制的環(huán)境和建筑物的風險評估IEC 61024-1/Ed.2（81/151/CDV）2001防雷裝置對人身的安全保護IEC 61024-1-1:1993-08建筑物防雷第1部分第1分部分：

19、指南A防雷裝置保護級別的選擇IEC 61024-1-2:1998-05建筑物防雷第1部分第2分部分：指南B防雷裝置的設計、施工、維護和檢測標準號標準名稱出版日期IEC62305-1雷電防護，第1部分：總則2006.1IEC62305-2雷電防護，第2部分：風險管理2006.1IEC62305-3雷電防護，第3部分：建筑物的物理損壞和生命危險2006.1IEC62305-4雷電防護，第4部分：建筑物內(nèi)電氣和電子系統(tǒng)2006.1IEC62305-5雷電防護，第5部分：公共設施IEC/TC81新的標準體系新的標準體系高速大容量數(shù)采技術的發(fā)展高速大容量數(shù)采技術的發(fā)展 可對微秒、亞微秒雷電過程進行研究可

20、對微秒、亞微秒雷電過程進行研究 高新技術發(fā)展高新技術發(fā)展 對雷電防護要求的提高對雷電防護要求的提高雷電研究的進步，源于：雷電研究發(fā)展趨勢雷電研究發(fā)展趨勢在時間和空間上都不斷向更微觀發(fā)展；在時間和空間上都不斷向更微觀發(fā)展； 80年代：毫秒級；目前：微秒、亞微秒重視對與其它學科的交叉；重視對與其它學科的交叉； 災害性天氣預警 大氣化學:雷電產(chǎn)生的NOx 降水量的評估（108kg/flash) 全球閃電、電離層電位是地面增溫的敏感指示器重視將研究成果與實際應用的結合重視將研究成果與實際應用的結合. . 雷電防護技術研究、效果檢驗雷電研究發(fā)展趨勢雷電研究發(fā)展趨勢目標：目標： 堅持堅持“預防為主、防治結

21、合預防為主、防治結合”的方針，逐步建立并完善江的方針，逐步建立并完善江蘇省雷電災害防御體系。蘇省雷電災害防御體系。 全面建設雷電災害防御社會管理系統(tǒng)、雷電監(jiān)測預報預警全面建設雷電災害防御社會管理系統(tǒng)、雷電監(jiān)測預報預警系統(tǒng)、雷電災害防御工程性措施防御管理系統(tǒng)、雷電災害系統(tǒng)、雷電災害防御工程性措施防御管理系統(tǒng)、雷電災害風險區(qū)劃、預評估系統(tǒng)，雷電災情調(diào)查鑒定、救災與災后風險區(qū)劃、預評估系統(tǒng)，雷電災情調(diào)查鑒定、救災與災后恢復重建管理系統(tǒng)，提高雷電災害防御能力和水平?；謴椭亟ü芾硐到y(tǒng)，提高雷電災害防御能力和水平。江蘇省防雷業(yè)務建設一些設想u防雷減災管理防雷減災管理u雷電監(jiān)測、預警、預報雷電監(jiān)測、預警、預

22、報u雷電災害應急處置雷電災害應急處置u雷電災害調(diào)查鑒定雷電災害調(diào)查鑒定u防雷技術服務：雷擊風險評估、防雷工程設計施工、防雷技術服務：雷擊風險評估、防雷工程設計施工、防雷方案技術審查和施工監(jiān)督、防雷裝置檢測等防雷方案技術審查和施工監(jiān)督、防雷裝置檢測等u防雷電產(chǎn)品（防雷電產(chǎn)品（SPDSPD）測試）測試u雷電科學研究等工作雷電科學研究等工作江蘇防雷業(yè)務主要包括n 目前取得的成果：目前取得的成果： 初步建立法律、法規(guī)、標準體系和防雷減災管理機構；初步建立法律、法規(guī)、標準體系和防雷減災管理機構； 開展了雷電監(jiān)測、預警預報的研究；開展了雷電監(jiān)測、預警預報的研究； 全面開展了防雷技術服務，開展了雷電災科普宣

23、傳。全面開展了防雷技術服務，開展了雷電災科普宣傳。n 存在問題：存在問題： 雷電監(jiān)測、預警預報業(yè)務需進一步加強；雷電監(jiān)測、預警預報業(yè)務需進一步加強； 防雷技術服務不到位，災情收集渠道不暢；防雷技術服務不到位，災情收集渠道不暢； 防雷社會化管理有待完善進一步加強。防雷社會化管理有待完善進一步加強。江蘇防雷業(yè)務現(xiàn)狀“十二五”總體規(guī)劃設想江蘇省全閃電監(jiān)測系統(tǒng)江蘇省全閃電監(jiān)測系統(tǒng)全省布設7個全閃電定位儀， 分別在東臺、南京、揚州、鹽城、宿遷、連云港、徐州 。全閃電探測系統(tǒng)中心將設在江蘇省防雷中心全閃電探測站分布圖全閃電探測站分布圖經(jīng)過模擬的全閃電探測效率圖如下圖所示閃電定位標校系統(tǒng)閃電定位標校系統(tǒng)地基

24、雷電探測網(wǎng)的技術驗證地基雷電探測網(wǎng)的技術驗證高塔高塔重點地區(qū)大氣電場儀建設重點地區(qū)大氣電場儀建設 雷暴活動對航空航天、電子信息、石油化工、交通運輸?shù)忍厥庑袠I(yè)的安全生產(chǎn)以及國防建設和人們?nèi)粘Ｉ疃济芮邢嚓P。長三角地區(qū)是我國 經(jīng)濟較發(fā)達的地區(qū)，也是雷暴活動最為嚴重的地區(qū)，重大雷電災害事故頻發(fā)。迫切需要加強對重點地區(qū)開展雷電監(jiān)測預警服務。主要關注： 石化、高新技術園區(qū) 機場、港口、碼頭 青奧場館 其他重點單位。高精度雷電探測網(wǎng)高精度雷電探測網(wǎng) 擬在南京青奧場館、南京化工園區(qū)等建設精細化定位觀測系統(tǒng)，布設25Km*16Km的觀測網(wǎng)11個，觀測精度在100m范圍內(nèi)，對重點地區(qū)雷電觀測，雷災鑒定，全波形衰減過程的調(diào)查分析提供技術保障。防雷產(chǎn)品和電磁環(huán)境測試實驗室防雷產(chǎn)品和電磁環(huán)境測試實驗室 目前在我國使用的SPD產(chǎn)品品牌多達上千個，產(chǎn)品更是多達上萬種。目前由于缺少SPD檢測設備，無法對SPD進行必要的抽測手段，存在嚴重的安全隱患。為加強防雷管理，急需建設SPD測試實驗室。 主要為低壓配電系統(tǒng)SPD和電信與信號網(wǎng)絡SPD等