GB/T 38121—2023《雷電防護 雷暴預警系統》編制解讀及應用思考

關鍵詞：雷暴預警，雷暴預警系統，國家標準，解讀

DOI編碼：10.396 9/j.issn.1002-5944.2024.011.025

0引言

雷電被聯合國“國際減災十年”計劃列為十種最嚴重的自然災害之一，也被國際電工委員會稱為“電子時代的一大公害”，嚴重威脅著社會公共安全和人民生命財產安全。建立雷暴預警系統，提供雷暴警報信息，是防雷減災工作的重要內容之一。

雷暴預警系統是基于雷電活動監測提供雷電警報的軟硬件集成。近年來，國內針對雷暴預警系統已開展了不少相關研究與實踐，中國氣象局、國家電網等布設了全國性的雷電監測網并開展雷暴預警工作。制定雷暴預警系統標準，有助于相關工作的規范化開展。

2019年，全國雷電防護標準化技術委員會（SAC/TC 258）組織制定了GB/T 38121—2019 （IEC62793：2016，IDT）。2020年，IEC/TC 81發布了IEC62793第二版，與第一版相比，IEC 62793：2020技術內容有較大修改，為加快與國際標準接軌，推進相關技術標準內容在我國應用推廣，有必要對GB/T38121—2019進行相應修訂。

1標準制定的主要過程

國家標準化管理委員會2021年8月24日《關于下達第二批推薦性國家標準計劃及相關標準外文版計劃的通知》（國標委發[2021] 23號），下達了國家標準《雷電防護雷暴預警系統》的編制計劃，項目編號20213372-T-469，本次為修訂代替GB/T 38121—2019，等同采用IEC 62793：2020。本標準由全國雷電防護標準化技術委員會（SACITC 258）（以下簡稱“雷標委”）提出并歸口。

標準由重慶市防雷中心牽頭起草，協作單位包括國網電力科學研究院武漢南瑞有限責任公司、中國鐵道科學研究院集團有限公司通信信號研究所、上海電力大學、四川中光防雷科技股份有限公司、重慶萊霆防雷技術有限責任公司等來自標準化、氣象、電力、建筑、鐵路等領域的23家科研院所、高校、企事業或團體單位。

起草組整理匯總了國內外有關雷暴預警方面的規范標準及文獻，翻譯了IEC 62793：2020英文版標準，咨詢有關行業專家、經過多輪內部討論修改形成了標準草稿。標準草稿經起草組多輪討論修改，形成了征求意見稿，并由雷標委發文向標準各相關方（生產、經銷、使用、科研、檢驗等單位）征求意見，收集反饋意見共66條，其中采納57條、不采納7條、部分采納2條，并經過多次會議討論，形成了標準送審稿。2022年9月，雷標委組織召開了本標準審查會，會議邀請了標準相關方面專家組成審查組對標準進行審查，全國雷標委主任委員、清華大學教授何金良擔任審查組組長，審查專家對標準文本逐條進行了審查，并提出了修改建議，審查會后編制組認真研究了專家意見，并對標準進行了修改和完善，形成了本標準的送審稿終稿。在2022年雷標委年會上，全體委員對標準逐條進行了審查，并進行投票，58位委員全票通過，會后編制組根據審查意見仔細修改，最終形成了報批稿，于2022年12月5日報送國家標準化委員會批準。2023年5月23日，根據國家市場監督管理總局和國家標準化管理委員會發布中華人民共和國國家標準公告（2023年第2號），GB/T 38121—2023《雷電防護雷暴預警系統》正式于2023年s月23日發布，于2023年12月l日起正式實施。標準制定主要過程如圖1所示。

2標準的主要內容

2.1標準框架

標準分為：前言—引言—正文（10章）—附錄（6個）—參考文獻，標準框架如圖2所示。

圖2標準框架

2.2主要技術變化概述

與GB/T 38121—2019相比，新修訂的標準主要技術變化如下：

a）更改了標準的范圍；

b）刪除了術語“駐留時間”“大氣電場儀”“閃電”“雷擊”“物理損害”“雷擊點”“雷暴”及對應的縮略語；

c）增加了術語“靜電場探測儀”“有效警報率”“雷電相關條件”“預警率”“無效警報”“警報總數”及對應的縮略語；

d）刪除了縮略語“EMI”“OI”“RFI”“RFM”“RF”；

e）將“雷暴探測儀分類及其性能”更改為“雷暴探測儀及其性能說明”，刪除了雷暴探測儀分類，增加了雷暴探測儀技術參數；

f）更改了“一次警報示例”；

g）將“預警評估”更改為“性能評估”，該章節內容進行了更改；

h）附錄“雷暴探測儀測試方法”作用由“資料性”更改為“規范性”。

2.3新版標準主要內容解讀

2.3.1術語和定義、縮略語

GB/T 38121—2023共有28個術語，38個縮略語。與舊版相比，刪除“駐留時間、大氣電場儀、閃電、雷擊、物理損害、雷擊點、雷暴”（7個）；增加“靜電場探測儀、有效警報率、雷電相關條件、預警率、無效警報、警報總數”（6個）；修改“定位精度→中值定位精度、目標區域→目標、總警報持續時間→警報期、發出警報百分比→提前X分鐘的預警率”（4個）。

2.3.2雷暴探測儀及其性能說明

新舊版本變化大，新版刪除了舊版的雷暴探測儀分類，新版給出了本地探測儀、探測網、雷電定位系統三種探測方式，并增加了雷暴探測儀技術參數（見表1）和本地探測儀特征。

本地探測儀可以探測到附近的雷暴。通過探測靜電場，本地探測儀可以在周邊區域出現首個云閃／地閃之前發出預警。探測網可提供與本地探測儀相同的預警信息，而且信息覆蓋的區域更大。雷電定位系統發出局地預警是基于大面積的、性能一致的全域監測信息，由于具備雷電定位功能和雷暴跟蹤功能，可在雷暴接近目標時以更長的提前時間發出預警。

本地探測儀能夠測量當地電磁場或靜電場狀況，其特征見表2。

根據其性能，雷電定位系統能夠提供雷暴的距離、方向以及每次閃電的位置（見IEC 62858）。

2.3.3警報方法

警報方法是本標準的核心內容之_，主要的技術變化是舊版僅有雷電定位系統的警報示例，而新版增加了“基于電場測量的警報”示例，內容更全面，包含了目前主要兩種定點雷暴預警手段。

主要內容有：

（1）規定了警報信息的產生來自對雷電活動（地閃、云閃，或監測區域內靜電場，或它們的組合）的監測，還可結合其他氣象觀測手段，例如氣象雷達等。

（2）規定了警報的建立包括三個步驟（見圖3）：

（3）本章對周邊區域（SA）、監測區域（MA）、覆蓋區域（CA）進行了規定，三者的關系見圖4。

監測區域的劃分直接影響雷暴預警系統的性能，監測區域面積的擴大將增加警報數、增長提前時間和警報期，以及降低有效警報率；監測區域面積的減少可能會提高有效警報率，但增加漏報率和縮短提前時間；因此對不同性質的目標，需要調整監測區域的大小，來達到有效警報率與提前時間、漏報率之間的平衡。如對于旅游景區、高爾夫球場等雷擊人員風險較大的區域，可適當擴大監測區域，增加提前時間，使游客有足夠的時間進入安全場所；對于工廠、碼頭等生產場所，可設置較小的監測區域，縮短提前時間，提高有效警報率，來減小雷暴天氣對生產的影響。

（4）基于電場的測量的警報

圖5為基于電場測量的警報流程及預警示例，基于電場測量的雷暴預警系統需要設置的參數主要為閾值、續留時間。當大氣電場值超過系統設定的閾值后，系統發出警報，警報保持一定時間（續留時間），在續留時間內大氣電場值未超過閾值，則續留時間到后解除警報，如續留時間內有大氣電場值超過閾值，則警報保持。系統發出警報至大氣電場值超過雷電條件閾值的時間稱為提前時間，系統開始發出警報至警報解除的時間稱為警報期。

（5）基于雷電定位系統的警報

圖6為基于雷電定位的警報流程及示例，基于雷電定位的警報需要劃分目標、周邊區域、監測區域、續留時間等參數，當雷電進入監測區域后系統發出警報，在續留時間內如檢測區域內有雷電發生，則警報保持，如沒有雷電發生，則解除警報。系統發出警報至周邊區域發生第一次雷電的時間稱為提前時間，系統開始發出警報至警報解除的時間稱為警報期。

2.3.4安裝與維護

為保障雷暴預警系統長期正常運行，此新版標準加強了對安裝及維護維護的要求，將舊版“7安裝和維護”拆分為“7安裝、8維護”兩章。

（1）雷暴預警系統的安裝要求：

雷電定位系統和探測網由該系統（網絡）的專業人員安裝；按照說明書進行預先分析和規范安裝是雷暴預警系統正常運行的關鍵因素；提前分析預計安裝位置，以使探測儀適應特定的現場條件，新安裝的探測儀在達到最佳工作狀態之前需要一段時間的調試；進行雷電和電涌防護研究，以確保直接雷擊和電涌不會對雷暴預警系統（尤其是使用單個雷暴探測儀時）產生影響。

（2）雷暴預警系統維護要求：

雷電定位系統和探測網由該系統（網絡）的專業人員定期維護；雷暴預警系統中各雷暴探測儀維護周期宜在制造商的說明書中規定，該維護周期會受到地域及環境因素的影響。提供實時自檢方法，以確保雷暴預警系統從采集雷電數據到向用戶發送警報全過程正常運行。

2.3.5性能評估

對應舊版第8章警報評估，新增了“有效警報率“EAR”。

（1）雷暴探測儀的主要性能參數

漏報率：FTWR=FTW/（FTW+EA） （1）

預警率：POA =EA （FTW+EA） （2）

虛報率：FAR=FA/TNA （3）

有效警報率：EAR=EA/TNA （4）

（2）評估方法及信息來源

一種最常用的雷暴預警系統有效性評估方法為：將包含代表性數量警報（建議不少于30個有效警報）對應時間段的雷暴預警系統警報狀態日志文件與地面實況記錄進行對比。

地面實況記錄可通過雷電定位系統、視頻觀測、氣象雷達、氣象衛星等獲得。

當使用雷電定位系統進行評估時，閃電探測效率不小于80%，中值定位精度不大于500m。

2.3.6雷暴預警系統的應用

對應舊版第“第9章雷暴預警系統應用指導”。舊版主要從風險管理的角度描述，新版側重于預防措施。

一般而言，雷暴預警系統有助于防止、控制或降低生命危險、經濟損失（對商品、服務或財產造成的破壞）以及環境危害。雷暴預警系統的應用場景應具有普適性。通常情況下，雷暴預警系統通過預防措施降低雷電相關事件的風險。在雷暴預警系統的應用中應該注意，系統性能優化目標要根據不同的警報應用而不同：

·在中斷服務會造成巨大損失的應用中要求虛報率最小、警報續留時間最短；

·在涉及人身安全的應用中要求漏報率最小；

·在預防措施需要較長啟動時間的應用中要求有足夠的提前時間。

在收到雷暴預警系統發出的警報后，應采取合理的預防措施來降低雷電風險，要充分考慮所開展活動的特性、暴露于雷暴的公共區域及其人員數量、以及依據雷暴預警系統提供的信息以及防護措施有消息。

常用的預防措施有：

·疏散（將人員轉移到安全場所）或讓人員處于安全場所；

·斷開電源線（如果有條件進行絕緣隔離）；

·停止或推遲進行有風險的各種活動；

·向應急部門（如消防隊、值班小組）提供預警；

·特殊的臨時措施（如停止關鍵過程、系統備份、連接到其他網絡或采用不間斷電源供電等）。

3驗證試驗

驗證試驗在金佛山雷電防護標準研究野外試驗基地開展，試驗基地位于金佛山國家5A級景區內，占地面積208畝，試驗觀測場面積90*45m²，試驗場海拔高度1973.1 m。試驗基地安裝有全視野閃電通道成像儀、雷聲記錄儀、場磨式大氣電場儀、MEMS大氣電場儀、直擊雷波形記錄儀、高速相機、快慢天線、干涉儀等雷電觀測設備；同時，重慶全市建有混合基線閃電定位系統6站組網、ADTD閃電定位系統5站組網，具有進行標準驗證試驗的基礎條件。

驗證試驗利用金佛山基地場磨式、MEMS大氣電場儀的雷暴預警信息，采用GB/T 38121第九章的檢驗方法，對兩套雷暴預警系統的性能進行評估，評估結果見表3。

可見，設置不同的預警參數，對雷暴預警系統的性能有顯著影響，增加周邊區域的范圍，會導致漏報率增加，預警率降低；減小監測區域面積，會導致虛報率增加。同時也可以看到，單純使用大氣電場儀作雷暴預警，存在有效預警率過低，虛報率過高等問題，仍需發展多元資料融合的雷暴預警方法，提高雷暴預警系統的準確率。

4思考與建議

《雷電防護雷暴預警系統》國家標準的發布，是氣象、電力、石化、建筑、航空、鐵路等各相關行業開展雷暴預警的重要技術依據，為其安全生產提供強有力的保障。標準發布后，建議從以下幾個方面推動標準的實施應用：

（1）歸口單位及編寫組應積極開展宣貫指導，特別是雷電災害敏感場所和雷電預警系統生產廠家，讓其對標準有科學的認識，提升雷暴預警的科學化、標準化水平。

（2）在雷暴預警系統生產企業推廣應用，樹立典范，讓社會各界看到《雷電防護雷暴預警系統》國家標準的價值，讓從業者看到效益，讓各行業主動地將該標準應用到雷暴預警實踐中去。

（3）積極收集使用單位反饋意見，并建立檔案詳細記錄使用單位在標準實踐中遇到的問題，在使用中不斷完善標準。

單純使用大氣電場儀作雷暴預警，存在有效預警率過低、虛報率過高等問題，急需進行優化預警算法，并合理設置參數，融合多源數據來提升雷暴預警系統的準確率。

（4）開展雷暴預警業務的相關單位應充分考慮市場需求，發展“立足用戶、基于風險、支撐防控”的雷電定點預警服務，為防雷減災事業做出更大的貢獻。

作者簡介許偉，碩士研究生，正高級工程師，研究方向為雷電監測預警、雷電防護。易小萍，通信作者，本科，工程師，研究方向為雷電監測預警、雷電防護。

（責任編輯：張佩玉）