淺析廣西雷電定位系統及其應用

陸金鳳 龐煥華 姜殿榮

摘要 雷擊是重要的自然災害之一，對人類生產生活造成了極大的危害。雷電定位系統是研究雷電規律和指導防雷減災工作的有效手段，該文介紹了廣西雷電定位系統的監測原理及基本概況，并詳細分析了雷電定位系統在雷電預警、雷擊風險評估、雷電事故調查、防雷安全檢測、雷電活動規律研究等各類雷電防護業務中的應用情況。廣西雷電定位系統自投入使用以來，積累了海量的雷電活動數據，可有效指導雷擊事故分析，為雷電活動規律研究及差異化雷電防護提供科學依據。

關鍵詞 雷電定位系統;原理;業務應用

中圖分類號：TM862 文獻標識碼：A 文章編號：2095-3305（2019）04-042-03

DOI： 10.19383/j.cnki.nyzhyj.2019.04.018

Abstract Lightning is one of the important natural disasters，which has caused great harm to human production and life. Lightning location system is an effective mean to study lightning law and guide lightning protection and reduction work. This paper introduced the monitoring principle and basic overview of lightning location system in Guangxi，and analysed in detail the application of lightning location system in lightning early warning，lightning stroke risk assessment，lightning accident investigation，lightning safety detection，lightning law research. Since it was put into use，Guangxi lightning location system had accumulated a large amount of lightning activity data，which can effectively guide lightning accident analysis and provide scientific basis for lightning activity research and differential lightning protection.

Key words ? Lightning location system;Principle;Business application

廣西地處低緯度地區，南臨熱帶海洋，北為南嶺山地，西延云貴高原，境內河流縱橫，地理環境比較復雜[1]。在太陽輻射、大氣環流和下墊面綜合作用下，雷暴特征呈現東南—西北遞減的特點，廣西沿海地帶一般為90 d/a，西北內陸地區為60 d/a，最多的是南部臨海的東興市，達105 d/a，屬于多雷區。我國每年因雷災造成的人身傷亡約100人，直接經濟失約1億。雷擊是造成輸電線路跳閘的主要原因，南方電網110 kV及以上電壓等級輸電線路雷擊跳間1 894次，占總數的65.4%[2]。雷電定位系統正是在這樣的形勢下應運而生，已成為一種為社會生產、生活服務的有效工具。

雷電定位系統 （ Lightning Locating System，簡稱LLS）是一種大面積、全自動、實時性雷電定位系統[3]。系統采用GIS（地理信息系統）、CPS（全球衛星定位系統）和RS（遙測系統）等先進的現代技術，自動實時遙測雷擊發生的時間、地點、雷電流幅值、極性和回擊次數等雷電特征參數，對快速查找雷擊事故點、雷暴預警、保證系統安全運行以及進行雷電觀測、掌握雷電話動規律有著重要意義[4]，是當今研究雷電活動最先進的手段[5]。

1 雷電定位系統定位原理

TOA定位技術采用閃電電磁脈沖到達不同測站的時間差進行閃電定位。其定位原理如圖1。2個以上放置于不同位置的探測子站通過探測閃電電磁脈沖到達各自站點的絕對時間，則每2個測站之間的時間差構成1條雙曲線，雙曲線的交點就是閃電電磁脈沖發生的位置[6]。

2 廣西雷電定位系統概況

廣西三維雷電定位監測系統由廣西壯族自治區防雷中心建設，由20個三維閃電探測子站（ADTD？鄄2C型閃電定位儀）和1個數據處理中心站組成。該系統采用空間時差定位算法（TOA），實現閃電VLF/LF輻射源的時間、位置、高度、強度及極性等主要參數的三維定位[7]。系統既能探測云地閃（云對地放電），又能探測到云閃（云內、云氣、云云放電），站網內閃電回擊時間精度大于10-4 s，回擊分辨率小于3 ms，閃電強度與極性誤差小于10%，極性準確率高于99.9%，水平面探測精度在500 m以內，垂直方向探測精度在1 000 m以內，單站有效探測半徑大于300 km，實現了對廣西境內發生的閃電事件的全方位監測（圖2）。監測的閃電數據具有精準性、連續性（毫秒級）、實時性（秒級）等特點。

3 雷電定位系統在防雷業務中的應用

3.1 雷電定位系統在雷電預報預警中的應用

通過雷電定位系統，實時獲取雷電觀測數據，結合雷達、衛星等其他觀測資料和數值模式產品，將雷電區域內的雷達圖像分解，結合雷電定位資料，追蹤雷電的時空變化，最后將這一變化按指數趨勢對未來狀態進行描述。將描述性的指標按超前時間重新組合，形成特定區域的雷電預報。使用雷達、閃電定位資料估計雷電區域移動軌跡，并利用統計、外推、決策樹等方法，綜合利用雷電定位資料、新一代天氣雷達資料和其他相關資料，建立關于閃電影響時間、強度、移向等的臨近預報方程和模型，實現雷電臨近預警的客觀化、定量化、精細化（圖3）[8]。

3.2 雷電定位系統在雷擊風險評估中的應用

隨著廣西雷電定位系統的運行，將雷電定位系統的雷電資料充分運用到雷擊風險評估中，主要是雷電數據的采集與分析。地閃密度過去一直無法通過人工觀測獲得，我國規程采用的是劉繼等人在20世紀60年代對35～220 V共9 400 km/a架空線路雷電災害事故統計得出的地面年落雷密度與雷電日的經驗表達式，即：Ng=0.023Td13次/（km2·a）[9]，其中Ng表示落雷密度，Td表示雷電日。而雷電日是氣象觀測站人工觀測的結果，人工觀測到的雷電出現范圍僅限于20～30 km，超過30 km范圍出現的落雷就記錄不到[10]。而該雷電定位系統ADTD？鄄2C型閃電定位儀能夠直接統計出1 km×1 km網格的地閃網需電密度。地閃電密度再也不受人工觀測資料不準確等因素的限制和經驗公式的約束，數據將更真實可靠。

雷電定位系統能夠監測到發生行政區域內90%以上的地閃，并能記錄雷電流幅值及其陡度，通過編寫雷電流查詢的小程序能夠清晰地掌握雷電流強度的分布、最大雷電流，得出雷擊風險評估項目所在地雷電活動的特點[11]。此外，將可以根據雷電定位系統歷年來的雷電數據，統計出雷擊風險評估項目所在地的最大雷電流、正負地閃平均強度、地閃平均強度幾個典型的雷電流數值，用來計算被保護物體被直接雷擊時流過引下線的雷電流及其周圍磁場強度估算值，然后根據《電子計算機場地通用規范》（GB/T2887-2000）機房內磁場干擾場強不大于800 A/m的要求，計算出機房屏蔽網格最小寬度和安全距離估算值，以及電源系統雷擊過電流估算，同時考慮到由感應環路產生的感應電流，將各級SPD的通流量加上約10%的安全裕量，則設計出各級SPD的通流量。GPS定位儀測出雷擊風險評估項目所在地的經緯度，然后根據雷電定位系統資料統計出上一年該項目所在地10 km范圍內的雷電數據，一年來所有的雷閃點、閃擊時間、雷電強度、陡度等均清斷地顯示在實際的地形圖上，極大地加強了雷擊風險評估數據的真實性與可靠性，為防雷設計提供科學的指導意見

3.3 雷電定位系統在雷電災害調查與鑒定中的應用

雷電定位系統能夠監測到地閃的地點和時間，為雷災的分析與判斷提供了依據，可應用于雷電災害調查與鑒定[12]。

2018年8月4日11：00左右，三江侗族自治縣富祿苗族鄉高安村村民韋奶連（女，46歲）及其女兒韋艷瓊（26歲）遭受雷擊身亡。接到事故報告后，利用GPS定位儀測得事故現場位于109.235° E，25.732° N。

ADTD閃電定位監測系統監測顯示：2018年8月4日08：00—12：00，三江侗族自治縣境內共發生閃電14次，發生區域主要集中在縣城中部、南部地區，發生的時間主要集中在10：00—11：00之間。事故發生地點半徑5 000 m范圍內共監測到閃電1次，發生時間為8月4日10：52，為負地閃，強度為126.2 kA，位于事故發生點偏北方約362 m處。

雷電定位系統ADTD？鄄2C型閃電定位儀理論誤差一般在1 km，以及GPS存在一定的定位誤差，因此可以認定雷電定位系統監測到的雷擊數據與該雷擊事故的時空分布基本吻合，并排除其他原因造成設備損壞的可能性，故鑒定此次事故是由雷擊引起。

3.4 雷電監測在防雷檢測工作中的應用

在對年度檢測單位進行常規檢測時，還要根據価電監測資料，結合該單位的地理、地貌、土質和雷電環境情況，為其制定防雷減災注意事項，通過對雷電實時監測記錄的雷電強度、雷電密度等參數的分析，為這些單位在雷雨季節提出針對性的保護措施。

（1）通過監測雷電在電網、主要通訊線路、微波站、無線通訊基站附近的活動情況，及時搶修雷擊故障點，并根據雷電活動統計結果，對雷電活動較頻繁區域的電網線路、微波站、無線通訊基站進行重點防雷維護。

（2）通過監測到的民航航線、機場附近、高速公路、電氣化鐵路附近雷電活動情況，提供安全指導意見，加強防雷裝置特別是通信系統的防護措施。

（3）通過對輸油、輸氣管道、油站（庫）、氣站（庫）及泵站附近雷電監測資料的整理分析，特別是對這些場所雷電活動情況的實地勘察，提供安全指導意見及詳細的防護措施建議。

4 結語

雷電活動是隨機的，但也有其形成機理，通過對雷電定位系統資料的積累和剖析，可以對某一區域內閃電頻數、強度、時空分布及極性有一個概括性的認識，據此對該區域的防雷減災提出科學規劃，為雷擊風險評估和防雷檢測提供科學依據。雷電災害鑒定的實時性要求高，要求及時提供準確的雷擊位置及發生時間，判定結果要客觀公正。雷電定位系統能準確記錄雷擊位置、時間及強度，在雷電災害調查與鑒定中發揮著重要作用，為雷電災害的分析與判斷提供了有力的依據，具有重大的實際應用價值。

參考文獻

[1] 梁艷蘭.漫話東南亞與廣西自然環境[A].中華創新教育論壇論文集[C].北京：中國計量出版社，2007：455-456..

[2] 劉剛，許彬，汪逍旻，等. 考慮工頻電壓影響的輸電線路雷擊跳閘率計算方法[J]. 高電壓技術，2013，39（6）：1481-1487.

[3] 張建春. 雷電定位系統在湖南永州的應用與分析[J]. 高電壓技術，2003，29（8）：55-56.

[4] 劉曉冬，蘇紅梅，孫增杰，等.應用雷電定位系統對河北南網雷電活動的分析 [J].河北電力技術，2002（5）：12-14.

[5] 陳曉國，周朝華. 廣東省雷電定位系統的應用情況及性能分析[J]江西電力，2006（5）：13-15，19.

[6] 周揚，伍瑞林，范昊澄. 論閃電探測技術在雷電防護上應用[J].科技資訊，2009（25）：50.

[7] 郭潤霞，王迎春，張文龍，等. 基于VLF/LF三維閃電監測定位系統的北京閃電特征分析[J]. 熱帶氣象學報，2018，34（3）：393-400.

[8] 李一丁，魏強，潘波，等. 雷電臨近預警系統在四川省的推廣應用[J]. 高原山地氣象研究，2013，33（4）：86-88.

[9] 謝鵬，魏萊，趙紫輝，等. 惠州地區雷電參數統計分析[J]. 四川電力技術，2010，33（5）：4-6，30.

[10] 陳有龍，郭冬艷，李凡. 海南閃電監測定位系統資料檢驗和分析[J]. 氣象研究與應用，2010，31（1）：94-97，114.

[11] 丁旻，甘文強，顏旭. 石油化工項目雷擊風險評估方法[J]. 建筑電氣，2010，29（10）：33-37.

[12] 黃克儉，涂山山，熊迎勝，等.湖北省閃電監測定位系統在雷災調查與鑒定中的應用[A]. 湖北省氣象學會.2007年湖北省氣象學會學術年會暨全省青年氣象科技工作者學術交流會議學術論文詳細文摘匯集[C]. 武漢：湖北省科學技術協會，2007：1.

責任編輯：李楊