1、 雷电防护方法研究

    雷电是自然界中一种普遍的现象，往往有耀眼的光线和巨大的声音。在夏天的傍晚最为常见，由于地面上较热较潮湿的空气对流上升，在高空会累集形成积雨云，积雨云由于摩擦或运动在云端两侧分别积累不同极性的电荷而形成雷云，而在地面由于收到雷云电磁感应的作用，会带上与之相反并且等量的电荷。如果雷云的电荷累积到零界状态，就会把空气击穿，在空气中开辟一条放电通道，将正负电荷进行中和。当云层放电时，由于放电电流特强，被击穿的空气被瞬间加热，温度可达6000℃以上，这就是我们平常看到的闪电现象，而也由于温度的急剧上升，使得空气瞬间膨胀，空气中的水滴急剧汽化，会产生强大的冲击波，进而发出震耳欲聋的雷声。

    由于雷电的作用，空气中的氮气和氧气会化合为一氧化氮，一氧化氮与水化合为亚硝酸盐，为植物提供一定量的肥料。雷电促成的有机化合物的合成可能对地球生命的形成起到过一定的作用，人们通过模拟地球原始大气在密室中进行放电的实验，结果由无机物合成了11种氨基酸。这些物质的出现，是生命起源的基础，因此，一些生命起源学说认为，是雷电孕育了地球上的生命。然而由于雷电释放的能量相当大，它所产生的强大电流、灼热的高温、猛烈的冲击波、剧变的静电场和强烈的电磁辐射等物理效应给人们带来了多种危害。雷击能造成人员伤亡、建筑物损坏、森林起火，破坏电力、通讯、电脑等设施，酿成空难事件等。

1.1甘肃省雷电活动状况研究

我省地形狭长，经度跨度大，气候环境复杂，东西部差异比较大，就雷暴发生的时间而言，在3-11月均可发生，但主要集中在6-8月，即夏季的雷暴活动最为频繁。雷暴平均初日，全省中部和东部平均在4月的中下旬，而河西地区由于干旱少雨，是每年雷暴出现最晚的地区，一般在5月中旬，最晚会在5月下旬。雷暴终日，河西地区最早，一般都在9月^[1]。甘肃省雷暴日数及初终日统计表如表1.1所示。

从雷暴活动的年平均日数来看，河西地区雷暴活动日数在9.5-13.6d之间；中东部大部分地区年平均雷暴日数在14.6-36.9d之间；合作雷暴日数高达62.3d，是甘肃雷电最为频繁的地区。由此得出西部地区雷电活动较少，东部地区活动频繁，从地理位置上向东南方向上是递增的趋势。

根据年平均雷暴日数划分为多雷区和少雷区。划分标准为：≤20d为少雷区；20-40d为多雷区；40-60d的为高雷区；≥60d为强雷区^[2]。依据此标准和表1.1的资料，河西地区为少雷区，兰州、河东多数地区为多雷区，合作为强雷区。

表1.1 甘肃省雷暴日数及初终日统计表^[1]

1. 2建（构）筑物雷电防护的基本方法概述

    为使建筑物及其内部设施免受雷电的直接和间接的危害，通常采用避雷针、避雷线、避雷带、避雷网等直击雷防护装置；利用压敏电阻、气体放电管和雪崩二极管等非线性元件防止雷电波侵入；利用屏蔽技术也可有效地防止雷电流侵入，能将被屏蔽设施与外部电磁环境隔离。对于建筑物防雷保护设计而言，包括合理组合和设置这些防雷装置，来构成建筑物外部与内部设施的雷电防护系统，实现从建筑物整体对雷电危害进行有效地遏制。

    不管是雷电、静电以及过电压等危害，还是采用何种防护措施均离不开接地。接地就是在土壤中打入若干金属体，连接至建筑物的各种防护装置或设备上，在雷击时，可将瞬态过电压降至零电位，通过泄流通道将雷电能量泄入大地，从而避免对建筑物和设备造成危害、损失。

2、闪电定位仪（LD-II）的监测

LD-II型定向时差综合雷电定位系统是一种高新技术的智能化、全自动的设备，是一种多站的雷电定位系统^[5]。可以精确地确定位闪电发生的地理位置，是由于测量雷击电磁脉冲到达不同测站时间差作为定位基础，进而计算出雷击方位的。

一个完整的多站雷电监测网络由以下部分组成：一个中心数据处理站、四个或四个以上的雷电监测仪以及显示终端和通信网络。闪电定位仪一般用授时型GPS做时间基准，时间精度达可到0.1us。定位仪按照被测范围以及误差大小，布设成基线网阵，网阵可达几十到几百公里，各个定位仪在闪电时将接收到的雷电信息和时间信息，通过物理链路传送到中心站，用专业软件进行时差定位计算，实时地把计算出的时间、雷击强度、极性、位置、雷电流等参数向显示终端发送，雷击符号等信息将被标记在终端的电子地图上。中心站显示终端还具有自动的查询、存储、统计及误差校正等功能，并可叠加其他气象影像。

多站雷电定位系统的距离可达500到1000公里，探测精度和距离与布设的基线有关系。多站可监视大范围内雷电的活动，适用于对雷电定位精度和时间精度要求高并具备有一定通信能力的用户。

LD-II雷电监测定位系统总体性能指标为：

（1）实时性优于2s

（2）网内定位误差（均方根0.5km）

（3）全年可用率99%

（4）雷电放电峰值电流测量精度：20%

（5）网内探测效率大于90%

（6）雷电放电峰值电流探测范围：1KA-500KA

（7）雷电电流陡度测量误差：20%^[5]

2.1 LD-II型时差法定位系统的工作原理

    闪电定位仪接收到雷击电磁脉冲中的甚低频信号，在信号的最大值时，定位仪记录峰值时的GPS时间。当发生雷击时，回击电流会产生一个很强的电磁脉冲辐射，它向四周传播，传播速度为光速。

极性判别可由电场天线接收的辐射电场信号计算得出。对三个或三个以上的雷电定位仪的接收数据进行双曲线定位计算，即可以得到所测雷击的位置。由所接收到的信号场强和脉冲电磁波传播的规律还可以推算出雷击电流的大小和极性。

2.2雷电定位系统的组成结构及性能指标

 LD-II时差法闪电定位系统由以下几个部分组成：一个中心站、多个雷电定位仪、图形终端、通讯设备、调制解调器等^[5]。

各探测站通过通讯设备将雷电定位仪接收到的雷击信号传送到中心站，中心数据处理机对各路信号的计算得到雷击发生的相关信息，包括位置强度等，并在终端上显示。通过智能多路接口可按需要跨接更多的次级远程终端，可使雷击监测信息被更广泛的利用。

通过数据通讯网络雷击定位数据和原始数据被传送到上级的数据处理中心站，上一级数据中心对更大范围的数据重新进行分析，便大大提高边界处的定位精度。

LD-II闪电定位仪的天线和接受机被封装在保护罩内，在带有电源和接口设备的立柱上安装，在开阔和高处安装可提高探测的精度。接受机由处理雷击电磁脉冲信号和时统信号的电子线路、高精度授时型GPS接收机及单片机组成。天线由电场天线、磁场天线和GPS天线组成。当天线探测到雷击电磁脉冲后，定位仪就会把信号到达该站的时间、场强、极性等雷电流参数实时地向中心站发送。由于LD-II型雷电定位仪采用了独特的磁场波形提取技术，大大提高了系统的动态范围和信噪比。必要的波形鉴别功能则降低了雷电定位仪的误差信号率，提高了数据的传输量。定位仪定时发送自检信号，检测并分析设备的工作状态，保证定位仪一直保持工作在最佳状态。

根据时差定位法的要求，一般选用四个以上的定位仪组成监测网。定位仪的数量取决于被监测区域的大小、形状、地形、探测效率、定位精度等因素。相邻定位仪间的距离约为几十到几百公里。合理的布站可以扩大探测范围和提高精度。各探测站的主要配置为一台雷电定位仪、一台调制解调器或其他通信接口、一台交流稳压器及相关连接电缆等。如果探测站需要雷电数据，可配备相应的计算机设备。

2.4 传统雷电防护方法存在的问题研究

    传统的雷电防护工作在建筑物防雷和雷电监测预警是分离的，而防雷工作在进行雷击风险评估工作及雷击灾害调查时需要向项目所在地相关部门索要历史资料及监测数据，这造成了气象数据和防雷数据的脱节，给防雷工作带来不利的局面。

雷击风险评估是根据项目所在地雷电活动时空分布特征及其灾害特征，结合现场的情况进行分析，对雷电可能导致的人员伤亡、财产损失程度与危害范围等方面的综合风险计算，从而为项目选址、功能分区布局、防雷类别（等级）与防雷措施确定、雷灾事故应急方案等提出建设性意见的一种评价方法。 　　通过雷击风险评估可为评估对象提供雷电防护的科学设计、经济投资、灾害风险控制、应急管理等方面服务，保证防雷工程的安全可靠、技术先进、经济合理。雷击风险评估是开展综合防雷的必经程序，也是实现科学防雷的必要条件，体现了预防为主，防治结合的理念。在雷击风险评估中需要当地多年的平均雷暴日数、雷击密度等气象要素作为评估的基础数据，每次评估因地理位置的不同，均需向资料管理部门索取资料，造成周期长，数据不完整等弊端。

雷击灾害调查是在雷击灾害发生后，对事故现场进行现场情况、背景情况的勘察、取证、鉴定、评估及作出雷击事故造成伤亡和损失结论的全过程。调查过程中需要结合雷击发生时间的气象资料进行分析研究，需要得到雷灾当时的天气实况、雷电定位数据等气象数据。雷击灾害鉴定的实时性要求比较高，过长的鉴定周期会给事故的判别造成不利影响，气象数据的调用不便和不合理同样会使雷击灾害鉴定工作带来消极影响。

3 研究构想

甘肃省雷电防御地理信息系统的建立将改变这一局面。首先将气象数据和防雷数据的统一数据库将二者完美融合，使防雷工作的完整性大大提高，既方便了调用，还提高了数据的精度；其次，基于WEBGIS的雷电防御地理信息系统将传统数据结合地图技术通过浏览器向用户提供数据查询服务，不但操作方便，说服力更强，而且通过使用分辨率较高的卫星地图，可直观地辨别建筑物等地形，对于精细化的气象服务将是有利的数据保障。

本文将研究基于ARCGIS的防雷地理信息的相关技术，集信息的采集、整理、地图的获取、位置的定位、显示的精度、查询等地理信息技术，使数据信息的应用性和实时性充分地对用户进行显示，系统的应用必将提高防雷业务的精细度和防雷气象服务的质量。