化工園區區域雷電預警系統研發框架的形成與實現

金樂 周衛華 吳昊 楊春生 王媛媛 未小文

摘 要：該文根據化工園區實施雷電提前主動防護的應用需求，結合IEC 62793-2016標準的有關內容，梳理總結了針對化工園區等雷電高危高敏感單位的新型全電子式遠近程一體化區域雷電預警系統的研發路徑及解決方法，從而為在應急管理及安全生產領域構建以主動式預防為先導的雷電防護新體系，提供了必要的技術支撐和成果保障。

關鍵詞：化工園區；區域雷電預警系統；雷電偵測探頭；全電子式；遠近程一體化

中圖分類號：TP31 文獻標志碼：A

0 前言

隨著科學技術的發展，特別是電子計算機和微電子設備的廣泛應用以及計算機網絡的普及，雷電造成的災害程度和范圍日益擴大，對各行各業都造成了顯著的破壞，經濟社會及生態環境損失急劇增加。雷電已被聯合國國際減災委員會確定為對人類造成最嚴重危害的十大自然災害之一，并被國際電工委員會（IEC）確定為“電子化時代的一大公害”。我國也是世界上雷暴日數最多的國家，根據氣象部門的統計資料，近年來我國的雷電災害呈增多趨勢，已成為危害程度僅次于暴雨洪澇、氣象地質災害的第三大氣象災害。

隨著我國經濟和社會的高速發展，各地都規劃了石油化工產業集聚的化工園區，園區內的企業不同程度上都涉及“兩重點一重大”的范疇，隨著園區內企業生產、儲存、運輸危險化學品的品種和數量的日漸增多，其“大而全”的集中式運營模式使化工園區成了一個個潛在的高危區域。這些區域內危險化工工藝復雜、危險化學品類雜量大、重大危險源星羅棋布，其中不乏易燃易爆、有毒有害甚至放射性物質，一旦遭受雷電災害，就有可能引發起火爆炸、泄漏擴散及次生災害，從而造成重大的生命財產損失及生態環境破壞，對社會造成的重大影響更是難以估量。因此，在采取傳統的雷電保護手段的基礎上，采用適合化工園區應用需求的、針對小范圍地域的綜合雷電預警系統（以下簡稱區域雷電預警系統），輔之以根據用戶特點量身定制并持續完善的雷電防護預防性措施，有助于提前大幅度減弱化工園區的雷電風險后果。

1 合理確定區域雷電預警系統的監測區域

隨著雷電災害的不斷增加，人們越來越認識到防雷的重要性，并且在實踐中，采用了諸如接閃器（俗稱避雷針）、電涌保護器（SPD）、接地裝置等常規的雷電保護系統（LPS）。LPS遵循的是為雷電流提供快速可靠泄放通道的原理，在雷電來臨之后才觸發其事后被動保護功能，屬于雷電的被動式預防。然而，在很多情況下即使設置了最齊備的LPS，依然有大量的雷電損失產生。為此，IEC基于歐盟EN 50536—2013標準制訂頒布了《IEC 62793—2016 雷電防護-雷電預警系統》標準（以下簡稱IEC標準），為雷電的主動式預防（即事前主動防護）提供了參考指南。

IEC標準將一個雷電活動周期依次分為初始、成長、成熟、消散4個階段，并列出了不同雷電偵測原理（分為A、B、C、D 4類）可探測的不同雷電活動階段及典型探測距離（從20 km到上千千米）。

對于一個具體用戶而言，應根據其目標區域（需要進行雷電防護的區域）的范圍，合理確定監測區域（雷電偵測探頭單點部署所能探測的區域）或覆蓋區域（雷電偵測探頭組網部署所能探測的區域）的范圍，確保后者能完全覆蓋并合理地大于前者。若后者過小，則易造成雷電提前預警的時間過晚甚至出現監測盲區，影響預防性措施的及時展開，進而影響雷電防護效果；若后者過大，則會增加用戶的購置成本，并造成雷電提前預警的時間過早，從而導致用戶隱形成本的攀升及應急資源的空耗。

對化工園區這樣的高危區域而言，雷電預警的提前時間控制在30 min左右是適宜的，能足以保證相關雷電防護預防性措施的充分展開。在時速100 km以上的狂風、暴風或臺風風況下，30 min內的雷云飄移距離為50 km以上。另據不完全統計，截至2017年底，全國重點化工園區和以石油和化工為主導產業的園區共有601家，2018年全國主要化工園區約有635家。這些化工園區占地一般為數十平方千米以上，跨度有的可達數十千米。因此，區域雷電預警系統的合理監測區域（或覆蓋區域）就應在100 km的直徑范圍內，根據化工園區的實際情況，按宜大不宜小的原則進行適當確定。

區域雷電預警有別于氣象雷電預報。后者屬于大范圍地域的雷電預報，是針對諸如縣、市、省乃至全國等大級別區域的大時間跨度（提前2 h～24 h）的預報，很大程度上是一種概率性質的預報，難以滿足一個具體用戶在雷電預警的準確性和時間性上的要求，對具體用戶的雷電防護不具有針對性和指導性，僅能起到輔助參考作用。

2 合理設計區域雷電預警系統的偵測探頭

2.1 化工園區雷電偵測探頭的需求特性

雷電偵測探頭作為區域雷電預警系統的“耳目”，其性能直接關系到能否滿足用戶對于預警準確性、時間性和可靠性的要求。根據化工園區的地理環境特點及安全管理需要，將其對雷電偵測探頭的應用需求進行逐一梳理，形成對應的設計思路，并提煉出相應的技術特性（見表1）。

2.2 全電子式的雷電偵測探頭

IEC標準中所列的4類雷電偵測原理中，僅有A類的FSM（大氣靜電場強度測量法）可通過對雷云起電過程的偵測實現對雷電活動全部4個階段的探測，其探測距離可達20 km，因此尤其適用于本地雷電偵測探頭，以監測本地上空附近生成的雷電活動。

目前市場上主流的大氣靜電場強度測量儀（簡稱場強儀）均采用機械場磨式原理， 其傳感裝置主要由定片（感應片）、動片（接地屏蔽片）、直流電機、前置放大器、同步信號發生器等組成。當其工作時，電機需要帶動裸露在大氣中的動片全天不間斷地高速旋轉來實現測量。若遇電機故障、部件受蝕、沙塵卡軸、染污失準等情形，則需要停機進行返修換件或定期清洗，在強污染環境下更需要頻繁清洗，因此維護成本極大，難以保證全天候、不間斷的正常工作。

鑒于機械式場強儀存在的缺陷，采用全電子式場強儀應是今后的潮流。全電子式場強儀是基于電荷感應原理，采用專用電子傳感器進行感應電場的測量，并通過電場微分結合門限閾值等算法進行信號處理，從而消除干擾，提高預警的準確性。它低功耗、免維護、長壽命、智能化，可以在密閉的IP67保護外殼里長期穩定運行，有效克服了傳統場強儀的所有缺陷，因此完全適合化工園區使用。

2.3 遠近程一體化的雷電偵測探頭

由上可知，FSM原理的探測范圍尚不足以覆蓋前述化工園區數十千米直徑范圍的合理區域。對此存在2種解決方案：一是將FSM偵測探頭進行組網部署，使組網后的探測區域完全覆蓋化工園區，這就需要對探頭布點預先進行選址規劃，合理規避不符合安裝要求的選點，避免增加用戶相應的購置安裝成本；二是在設備成本增加有限的前提下，就地加裝采用不同偵測原理，適合探測遠程雷電活動的遠程偵測探頭。顯然，將本地偵測探頭與遠程偵測探頭相結合的方案，從使用、安裝、成本、管理等方面都對用戶更為有利。

IEC標準中所列的4類雷電偵測原理中，先天就是全電子式的B類偵測原理，通過對雷電的擊穿及先導過程的偵測，實現對雷電活動的后3個階段的探測，其探測距離可達上百千米，因此尤其適用于遠程雷電偵測探頭，以監測遠程上空已經發生的雷電活動。

由此，基于全電子式架構，將遠近程雷電偵測探頭合二為一的一體化方案應運而生。為了消除兩者之間可能存在的相互影響，不降低各自的準確性和可靠性，最終確定一體化探頭采用葫蘆形的上下雙腔室結構，既新穎美觀，又便于在腔室之間采取有效地隔離措施，以保證兩者正常工作時的相對獨立性。遠近程一體化的雷電偵測探頭提高了系統的集成度，進一步減少了用戶的購置、安裝及管理成本。

綜上，全電子式遠近程一體化的雷電偵測探頭，由于其在技術上具備一體化、耐環境、全天候、免維護、自適應、無干擾、不間斷、零損耗等諸多特性，完全滿足化工園區用戶的應用需求，使之能以最少的選址占地、最少的安裝施工、最少的成本費用實現對化工園區合理區域內雷電活動的全面實時監測。

3 合理搭建區域雷電預警系統的系統架構

區域雷電預警系統由一體化偵測探頭、數據接口單元、數據庫服務器、管理系統軟件、雷電防護預防性措施定制模塊及相關網絡設備組成，分為傳感層、控制層、管理層三級架構，如圖1所示。各部分的實現功能如下：

一體化偵測探頭（CDS）：對監測區域的遠近程雷電活動進行實時監測。

數據接口單元（DIU）：實時獲取與其連接的各探頭的運行信息，并對信息進行就地處理、存儲及轉發，根據預設條件控制就地聯動設備的啟停。

數據庫服務器（DBS）：匯總與其聯網的各DIU的運行信息，對所獲信息進行分類存儲、綜合處理，并充當系統的服務器平臺。

管理系統軟件（MSS）：具備雷電實時監測及分級預警發布、預警事件及歷史數據查詢、圖表生成打印、數據統計分析、雷擊事故的信息維護及對象管理等功能，并結合用戶所在區域的GIS（地理信息系統），使界面更加直觀友好。

雷電防護預防性措施定制模塊（PAM）：作為MSS的嵌入式模塊。用戶可根據本單位的具體情況及特點，組織相關專業人員參照MSS內置的雷電防護預防性措施通用參考模板，進行編輯修改完善，形成適合于該單位實際的分門分類分級的雷電防護預防性措施，以便在預警出現時下達針對性指令并予以實施。

考慮到化工園區用戶訪問系統的動態性、隨機性、分散性的特點，在系統架構設計時確定采用B/S結構，而非C/S結構。在被合法授權的前提下，不同用戶可在不同地點、不同時間以瀏覽器方式登錄系統界面。此外，系統還應支持與第三方管理平臺的互聯互通。

4 合理保障區域雷電預警系統的信息安全

區域雷電預警系統作為重要的安全生產裝備，應重視其運行過程中的數據安全及網絡安全，因此要對其安全架構進行合理設計，防止因非法入侵造成的安全損失。

針對上述3層系統架構，采用分層物理隔離等安全技術，以確保系統的安全性（見表2）。

需要強調的是，在管理層一級，對有外網接入需求的用戶，應配置必要的網絡安全設備、采取必要的網絡防護手段，以構建安全的內部網絡環境，確保其所有內部聯網系統的信息安全，防止外來入侵對安全生產和防雷減災工作造成影響。

5 合理規劃區域雷電預警系統的組網部署

雖然單個一體化偵測探頭的監測區域可基本實現大部分化工園區的全覆蓋，但仍需考慮到以下幾種情形：某些狹長或地域形狀不規則的園區，可能存在部分區域單個探頭覆蓋不到的情況；部分靠近單個探頭監測區域外緣的園內區域，可能存在因預警提前時間不足導致雷電防護預防性措施來不及展開的情況；由于意外因素可能存在單個探頭發生異常的情況；由于單個探頭無法預判雷云的運動趨勢，一有預警則牽一發而動全身，造成應急能力的分散甚至空耗，增加了用戶的隱形成本，也降低了應急資源的使用效能。但若在化工園區內對探頭進行合理的組網部署，則可很好地解決上述問題。

如圖2所示，在目標區域的4個界角進行組網部署，4個探頭的監測區域疊加形成了組網部署后的區域雷電預警系統覆蓋區域，涵蓋了目標區域的周邊區域，實現了對目標區域完全覆蓋的基礎上合理擴大，彌補了單個探頭的監測區域局限，也使原處于監測區域外緣的園內區域有了充足的預警響應時間，即使意外情況下個別探頭出現異常，也不會造成監測真空。更重要的是，探頭組網部署后，通過分析各個探頭在每一時刻所獲取監測數據的不同，可實現對從遠程向本地飄移雷云的當前方位及運動軌跡的研判，進而預測雷云的后續動向，從而增強雷電防護的主動權，有助于用戶提前有重點、有針對地合理調配應急資源，降低雷電防護綜合成本。

6 結語

回顧化工園區區域雷電預警系統的研發歷程，課題組是在調研國內化工園區雷電防護現狀及需求的基礎上，參考IEC標準的相關內容，充分利用先進技術，進行的一次集成創新和應用創新的有益探索。推廣使用針對小范圍地域的區域雷電預警系統，并輔之以根據用戶自身特點量身定制的雷電防護預防性措施，有助于事前大幅降低化工園區等雷電高危高敏感單位的雷電風險后果及次生災害的發生，提前主動避免或減輕生命財產損失、生態環境破壞及社會重大影響，為應急管理及安全生產領域的防雷減災提供了應用基礎和技術保障。區域雷電預警技術作為化工園區耦合事故區域防控技術的有機組成部分，隨著其示范應用地不斷推廣，勢必會逐步改變當前防雷手段重“事后被動保護”、輕“事前主動防護”的傳統方式，徹底扭轉當前防雷過程中人只能“聽天由命，被動挨打”、不能“準確預判，主動作為”的陳舊觀念，充分發揮人在防雷工作中的主動性、能動性，從而形成全員、全程、全面的全維度雷電防護新格局。

參考文獻

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