農業雷電防護技術建設研究

胡 旻

陜西省突發事件預警信息發布中心，陜西西安 710014

設施農業是指利用各種基礎設施建設為農作物生產創造良好環境的生產作業方式，該作業模式包含了機械裝置、信息化管理和自動控制等模塊，是現代化農業發展的關鍵。目前，我國的東北地區已經開始廣泛應用設施農業，且取得了可觀的經濟效益。但同時該生產模式的問題也開始凸顯。設施農業對場地的要求較高，一般選擇高位置或者寬闊區域作為主要的生產場地，這類區域遭遇雷擊災害的風險較大，不僅農田、牧場面臨被雷擊的威脅，甚至設施裝置也極易被雷電災害破壞。故需要研究如何建設雷電防護體系，為設施農業的穩定運行提供有力保護。

1 防雷工作開展對農業生產的意義

我國是農業大國，農業是國民經濟發展和建設中的支柱產業，農業發展決定了民生發展。相比于工業和第三產業，農業種植受外界因素的影響更深，天氣、環境等因素都會影響到農業生產效益。在眾多影響因素中，雷電活動的發生概率較低，但影響較大，一旦發生雷擊災害，農地面臨不僅僅是作物損毀或者設施損壞等經濟層面的損失，甚至會威脅到農業從業者的人身安全[1]。

在農業現代化發展的大背景下，不少先進技術被應用于農業生產，如電子傳感器、測量設備和自動化系統等，這些設備提升了農業生產效率，提高了農業經濟效益，但同時也產生了安全隱患。設施農業中常用到的電子傳感器和自動化系統等都屬于弱電系統，且設施農業出于容納各類設備設施的需要，選擇在廣闊范圍內分散布設，這又加大了遭受雷電災害的風險，也增加了人員在作業中的風險。出于保護從業者安全和加快農業經濟發展速度的需要，針對農業行業開展防雷工作就被賦予了重大意義。

雷電活動的預防一般是根據采集的天氣信息進行分析后傳遞到相應的端口，如各種網絡平臺或者手機APP，相關人員從網頁或者手機中接收到天氣信息后，根據風向、氣壓和溫濕度等信息判斷雷擊災害發生的可能性，并做好防雷部署，減少自然災害對農地帶來的不良影響，確保農業的高效生產。在新時期中，農業現代化轉型正在快速推進，設施農業的大面積推廣也促使相關單位進一步加強農業防雷措施的制定[2]。因此，如何提高雷電防護水平，是當前農業發展中必須思考和認真對待的問題。

2 雷電災害設施農業的影響

雷電活動對農業的災害影響分為直接影響和間接影響2種。直接影響是指直擊雷對農田產生的災害影響。直擊雷在不需要介質的情況下直接擊中建筑物或者各類設備，會由此引發強烈的電效應和熱效應，電、熱效應作用在農業設備上，就會引起設備短路、損壞等[3]。具體而言，直擊雷擊中設施農業的各類設備與裝置時，自身蘊含的巨大能量會在裝置內引發熱效應，出現短路或者燃燒，如果沒有及時處理，會演變成火災事故，最終給農業設施和附近區域帶來嚴重危害。例如，2018年發生于四川南部縣的水田雷擊事件，由于農田空曠，農民在其中位于區域高點，不幸導致了人員傷亡。同樣，在農田中的設施設備，由于相對周邊的作物有更高的水平面，極易突出成為農地的高點，也就增加了被雷擊的風險。

間接影響是指雷擊電磁脈沖影響，當建筑物或設備遭受雷擊時，雷電流會沿系統中的防雷裝置的各分支導體流入大地，流過分支導體的雷電流會在系統內部空間產生暫態脈沖電磁場，脈沖電磁場交連不同空間的導體回路，會在這些回路中感應出過電壓和過電流，導致設備接口損壞。雷電流產生的暫態脈沖電磁場不僅能在配電線路中感應過電壓和過電流，還能在設備之間的通信線路中感應出過電壓和過電流。過強的雷擊電磁脈沖會對建筑物、人體和各種電氣設備及線路造成不同程度的危害。

3 農業防雷技術的設計

3.1 接地設計

結合農業防雷的需要，應為設施農業設計防雷接地機制，防雷接地的原理是在雷擊發生時，依靠接地裝置將雷電流引入大地，以此減小雷電流對設施農業的破壞，但如果因為土壤電阻率太高，就會影響雷電流的泄放效率，設備運行的安全也難以得到保障。所以在防雷接地系統設計中，土壤電阻率問題要尤為注意，電阻率越低，才越有利于雷電流泄放，降低雷電災害事故對設施農業的損害[5]。

在設計防雷接地系統時需要注意地區環境，如果沒有結合實地情況針對性進行接地設計，就很可能出現接地設計無法滿足農田安全需求的情況，這種設計會導致接地裝置無法將雷電流引入大地，當雷擊發生時，接閃桿、塔的電位會上升，進而產生電位差，導致設備出現雷擊事故，影響農戶的人身財產安全。

農田的位置一般位于河岸、平原或者山坡等區域，這些區域的水源充足、土地肥沃，適于作物種植，但同時也是雷擊活動的高發區，因此防控的難度較大，如果接地設計不恰當，會直接損害農業設施，給從業者造成經濟損失。故在設計接地方式，如何選擇合適的接地方案是一個關鍵性要素，當雷擊發生時，設施農業的設備線路中的低阻抗線路就會出現巨大的電位差，讓絕緣子等防雷裝置產生閃絡問題，尤其是當設施農業位于高位置等雷擊易發的區域時，發生擊穿現象的概率和出現設備故障的可能性也更大，所以在設計接地方案時，要考慮到該地區的雷電發生頻率，通過恰當的接地設計避免雷擊問題威脅農戶的生命與財產安全。

3.2 材料選擇

接地材料的選擇也是防雷接地設計中需要考慮的重點，合理的材料運用才能發揮出理想的雷電流傳導效果，將雷擊危害控制在最低。常用的接地材料有熱鍍鋅鋼、銅包鋼和鍍鎳銅包鋼等，不同的材料在應用于接地系統時所采取的方法也不同，根據材料特性，選擇與之匹配的方案才能讓接地系統的雷電流傳導效果發揮到最佳[6]。

因為農地的雷電活動發生概率較高，頻繁的雷擊會增加電涌保護器的運作負荷，影響到電涌保護器的正常運作。在設計防雷機制時，可以額外在設備的供電導線下加裝耦合地線，這條耦合地線的作用是為了讓接閃桿和接閃線能實現耦合和分流，讓接地電阻得到控制和降低，避免傳導不暢。除了增設耦合地線的做法，也可以在桿塔的頂部加裝一條單獨的接閃線，當雷電災害事故發生時，農田可以依靠接閃線將雷電導入引下線，避免雷電擊中現場的設施設備，提高農田對雷電災害事故的抵抗能力。

針對接閃線的具體設計，其設計目的始終是圍繞有效轉移雷電流，將雷電流導入大地而展開。導入的效果越好，各類設備設施被擊穿的概率越低，發生線路跳閘的概率越少，設備的使用壽命越長，農業效益越高。接閃線的鋪設位置一般設置在導線上部，但如果線路密度過大，就要進行靜電屏蔽分流。同時，也要注意絕緣子的材料性能和特點，目前市場上常見的絕緣子有陶瓷、有機合成、玻璃3類，陶瓷和玻璃的絕緣性能良好，但材質的脆性大，被擊穿的概率較高，農田屬于雷電災害頻繁的區域，極易因為擊穿而發生不可逆的問題，因此選用陶瓷和玻璃的效果并不理想，且容易增加農戶的防雷成本。有機合成類的絕緣子雖然絕緣性能較弱，但抗擊穿能力要優于陶瓷類和玻璃類絕緣子，出于成本和安全性考慮，在農田這種雷電災害頻發的地段，使用有機合成類絕緣子要比陶瓷類絕緣子和玻璃類絕緣子更合理。

不同的接地材料，其接地方式也不同，采用熱鍍鋅角鋼和熱鍍鋅圓鋼作為接地材料時，角鋼的垂直埋設深度必須大于0.5 m，角鋼之間的水平間隔必須在4 m以上。采用銅包鋼與鍍鎳銅包鋼作為接地材料時，需要采用地基套筒的做法一根一根依次打入，這是因為銅包鋼與鍍鎳銅包鋼對場地條件的要求較為苛刻，限制條件較多，因此只能在一些特殊環境中使用。

3.3 電阻控制

土壤電阻率和防雷設備的防雷電效果呈反比，土壤電阻率越高，防雷設備的防雷電效果越差，而土壤電阻率越低，則防雷設備的防雷電效果越好。故防雷電系統的設計需以降低土壤電阻率為目標。降阻設備需要埋設于30.0～40.0 cm的地下土層中，其自身帶有半圓筒，具備相應的滲水和蓄水的能力[7]。設備埋設到土層中后，若空氣濕度低不能滿足雷電形成的天氣，則半圓筒內就沒有蓄水，一般在下雨時，半圓筒中的積水如果符合接地電阻運行的標準后，就會立即將接地體兩端導線相連接，直接作用于接地體回填土，使土壤濕度增大、擴大接地體面積，從而降低防雷裝置的接地電阻值，提高設備的防雷效果，使設施農業的防雷設備更有效地抵御雷擊。

相關單位還要借助傳感器和信號調理技術，得到設施農業設備結構、設施農業設備系統等運行狀態下的監測信息。另外，還借助于電子系統嵌入式測試技術，逐步構建更加完善的芯片級、電路板級、設備及系統級的立體化監測體系，有效掌握設施農業中各類設備設施的具體運行信息，為設施農業雷電災害診斷工作和健康管理工作提高更好的技術支持，并及時將信息傳導給農戶，保證設備設施的及時更換和維護。

對于傳感器和嵌入式測試數據，應實施數字化處理，重點針對數據格式統一化、數據交換和數據融合等相關問題進行研究。其中主要涉及 模數轉換、噪聲抑制和濾波壓縮等相關核心技術；探討數據融合挖掘的具體措施，借助統一化的數據格式實現數據交換和存儲，從而更加便捷地進行數據到信息的過濾。針對機械和動力傳動系統，如各類農機設備數據信息的整理收集，源于設施農業設備結構、設施農業設備系統的相關信息，對監測信息實施統一集中分析，最終利用統一標準的格式有效融合相關數據。對電子系統來說，獲取到源于電路板以及設備、分析其監測數據，通過統一標準的格式構建更加全面系統的信息數據庫，從而對雷電災害預測與安全生產管理帶來充足的信息支持。

3.4 技術推廣

第一種是政府部門與氣象部門的結合模式，在最大化發揮政府優勢的情況下使防雷技術得以順利規范的推廣，并借助各個氣象部門的力量進一步提高設施農業防雷水平，這種模式的優勢在于避免遭受市場風險。第二種是相關企業、政府部門與合作社的結合的“三位一體”推廣模式，建立三者之間的聯系并合理利用三者之間的相互促進作用，讓企業參與到防雷設備的生產和輸送中，由政府或者合作社統一向某企業購買防雷設備，減輕農戶的經濟負擔，同時提高售后保障質量。面臨多個防雷技術的取舍問題時，應選擇防雷效果好、使用壽命長的技術，政府部門為企業發展提供資金支持，企業也要與合作社簽訂生產協議。在鄉村振興戰略背景下就要選擇更加高效且具有實際發展意義的推廣模式，充分發揮政府監督職能，助力企業積極引領，激勵農民熱情參與。

此外，防雷技術在實際推廣過程中要立足于當地產業現狀，從全局角度出發做好綜合布局，確保地區農業的可持續性、循環性發展，政府要關注基礎資源保障問題，如制度、資源和資金投入等，通過網絡平臺實行一站式行政審批服務，有效提高技術應用的便捷性。安全性、可靠性是防雷技術應用首要檢驗的2項指標，對此可拓展更多便捷的檢驗渠道；巧用政府平臺力量推進防雷技術宣傳工作，以政府部門為主，當地媒體為輔，拓寬防雷信息宣傳面，加深基層群眾對防雷安全的認識。

無論何種先進的防雷技術，其價值的體現都要通過應用實現，從科技成果轉化再到科技成果入戶，真正地將科技應用到每位基層種植戶。各地政府部門要立足于設施農業發展現狀合理安排防雷技術人員，在確定防雷推廣任務的前提下量化任務，以此保證工作質量。科技入戶管理離不開完整的績效考核制度的激勵作用，獎懲有度的考核能夠強化防雷技術推廣人員的工作態度和責任感。

4 結束語

我國農業經濟在快速發展，現代化農業轉型也越發迫切，由此帶來的雷擊災害事故也成為發展中要重點思考和防御的問題。農田由于場地寬闊，水平面高，形成區域高點的概率較大，也比一般設施農業更易遭遇雷電災害。雷電災害問題的發生不僅會影響農業效益，還會危及從業者的人身安全，造成嚴重的雷電災害。目前主要的防雷手段是通過氣象預警，向從業人員發布雷擊預警信息，督促從業者自行進行防雷安全預防工作。但該方法的不可控性過大，加之從業者的個人水平參差不齊，難以保障所有從業者都能及時應對雷擊事故。故提出加強防雷技術建設，在農地設立現代化的防雷設備，以此提高農業產業的雷電防護能力，通過接閃桿、接閃線的布置，以及更先進傳感器的引入，提高農地對雷電活動的預防能力，最大限度地降低雷電活動帶來的危害，保證農業生產的安全進行。