雷电监测与防护技术应用研究与进展

1、雷电监测与防护技术应用研究与进展前 言雷(闪)电是发生在自然大气中的瞬间大电流（20kA或以上） 、高电压（大约是l0MV）放电现象，并同时伴有声、光的出现。一次雷电时间大约为千分之一秒，一次放电过程一般持续时间为0110s，闪电长度可达九十公里。其中可能包括几次大电流脉冲过程，被称作闪击。3雷电在地球大气物理和化学过程中扮演着极重要的角色雷电在地球大气物理和化学过程中扮演着极重要的角色2022-4-224雷电是一种信息源雷电是一种信息源雷电频谱：直流雷电频谱：直流几百几百2022-4-225闪电电磁辐射闪电电磁辐射VLF/LF以地波、地电离层中的天波传播，传播距离较远以地波、地电离层中的天波

2、传播，传播距离较远VHF以射线方式传播、受地球曲率控制，传播距离较近以射线方式传播、受地球曲率控制，传播距离较近6雷电是频发的气象灾害雷电是频发的气象灾害雷击是自然界强大的脉冲放电现象；雷击是自然界强大的脉冲放电现象；全世界平均每分钟发生雷暴二千次；每年因雷击全世界平均每分钟发生雷暴二千次；每年因雷击造成的人员伤亡超过一万人，直接经济损失达数造成的人员伤亡超过一万人，直接经济损失达数十亿美元。十亿美元。联合国十年减灾委员会列为联合国十年减灾委员会列为“最严重的十种自然最严重的十种自然灾害之一灾害之一”国际电工委员会称为国际电工委员会称为“电子时代的一大公害电子时代的一大公害”。 。雷电是雷电是

3、我国最严重的气象灾害之一我国最严重的气象灾害之一我国每年因雷击造成的人员伤亡达上千人，财产我国每年因雷击造成的人员伤亡达上千人，财产损失达损失达50-10050-100亿元人民币亿元人民币江苏是雷暴多发区，平均雷暴日为江苏是雷暴多发区，平均雷暴日为30-4330-43天，最多天，最多年份达年份达7373天雷灾事故频发。天雷灾事故频发。各级政府日益重视防雷减灾工作，重大雷击事故各级政府日益重视防雷减灾工作，重大雷击事故有所下降，但信息电子设备雷击事故呈增趋势。有所下降，但信息电子设备雷击事故呈增趋势。1997-2010年全国不完全统计雷电灾害人员伤亡图年全国不完全统计雷电灾害人员伤亡图江苏省雷灾

4、情况江苏省雷灾情况江苏省雷灾情况江苏省雷灾情况江苏省雷灾分析江苏省雷灾分析2008-20102008-2010江苏各市雷灾上报情况江苏各市雷灾上报情况2022-4-2215OTD和和LIS光学闪电成像仪光学闪电成像仪OTDOTD于于19951995年上天，工作到年上天，工作到20002000年年3 3月，轨道高度月，轨道高度750km750km，轨道倾角，轨道倾角7070 。像素分辨率。像素分辨率10km10km，视场，视场13001300 1300km1300km2 2，探测率，探测率50%50%。LISLIS于于19971997年年1111月上天，至今仍在月上天，至今仍在工作，轨道高度工作

5、，轨道高度350km350km，轨道倾角，轨道倾角3535 ，主要探测中低，主要探测中低纬度地区热带风暴信息。像素分辨率纬度地区热带风暴信息。像素分辨率5km5km，视场，视场550550 550km550km2 2，探测率，探测率90%90%。2022-4-2218卫星闪电成象卫星闪电成象仪观测系统：仪观测系统：a 光学成像系统光学成像系统卫星闪电卫星闪电成象仪观成象仪观测系统：测系统：b VHF和光学成像和光学成像系统系统From Los Alamos National Laboratory， Space & Atmospheric Sciences Group（by D. Sus

6、zcynsky,2000）地球静止卫星闪电探测仪地球静止卫星闪电探测仪美国从美国从19901990年开始规划地球静止轨道卫星闪电成像年开始规划地球静止轨道卫星闪电成像仪仪GLM(Geostationary Lightning Mapper)GLM(Geostationary Lightning Mapper)，原本，原本计划在计划在20032003年前后由年前后由GOES-RGOES-R卫星携带上天，由于某卫星携带上天，由于某种目前尚未公开的原因，推迟到种目前尚未公开的原因，推迟到20122012年前后上天。年前后上天。我国的我国的FY-4FY-4卫星闪电成像仪是目前已知的第二个静卫星闪电成像

7、仪是目前已知的第二个静止轨道卫星闪电成像仪的发展规划。止轨道卫星闪电成像仪的发展规划。 地球静止卫星闪电探测仪地球静止卫星闪电探测仪优点优点与低轨道卫星闪电成像仪相比，地球静止轨道卫星闪与低轨道卫星闪电成像仪相比，地球静止轨道卫星闪电成像仪的优势表现在如下几方面：电成像仪的优势表现在如下几方面：（1 1）覆盖范围宽广得多；）覆盖范围宽广得多；（2 2）观测能力大大提高；）观测能力大大提高；（3 3）时效性高；）时效性高；（4 4）具有对闪电连续跟踪监视能力。）具有对闪电连续跟踪监视能力。地球静止轨道卫星闪电成像仪被认为是闪电最有效的地球静止轨道卫星闪电成像仪被认为是闪电最有效的观测手段。观测手

8、段。2022-4-2222极轨探测极轨探测2022-4-2223静止卫星探测静止卫星探测24起电过程起电过程探测仪器探测仪器雷电放电雷电放电探测仪器探测仪器磨盘电场仪磨盘电场仪双球探空电场仪双球探空电场仪VLF/LF闪电探测系统闪电探测系统北美闪电监测网北美闪电监测网VHF闪电轨迹探测系统闪电轨迹探测系统测向法测向法时差测向混时差测向混合定位系统合定位系统时差测向混合云地、时差测向混合云地、云闪探测系统云闪探测系统(IMPACT-ESC)LINETSAFIRLMALDAR升级升级升级升级VLF/LF时差测量时差测量德国慕尼黑大学研制，能探测地闪、云闪，并以三维形式显示.TOA方法方法MDF方法

9、方法磁定向器磁定向器:由二个正交线圈天线组成由二个正交线圈天线组成三个三个MDF检测到一个闪击检测到一个闪击,得到一交叉点或三角区得到一交叉点或三角区地基雷电探测定位地基雷电探测定位 LF/VLF方法方法IMPACT: MDF与与TOA相组合信息法相组合信息法地基雷电探测定位地基雷电探测定位 VHF干涉仪干涉仪 （干涉仪多站定位）（干涉仪多站定位） LS8000（right) ： Total Lightning Sensor LS7000 (left)： CG Enhanced Lightning Sensor （ modular design）Vaisala.co.新型闪电感应器新型闪电感应

10、器雷电监测技术雷电监测技术北美闪电探测网北美闪电探测网 (DF and TOA capability)美国地基闪电探测定位网（美国地基闪电探测定位网（NLDN）业务系统）业务系统(2001以前，以以前，以IMPACT & LPATS-3联合组网。）联合组网。） DF（1984-）：时间、方位角、第一回击幅度和回击数；20ms IMPACT（DFTOA）（1995-）：到达时间到达时间、方位角、回回击幅度击幅度和回击数；GPS 时间同步时间同步，20ms re-arm time IMPACT-ESP（2001-):到达时间、方位角、回击幅度和回击数,云闪信号探测（云闪信号探测（in su

11、rvey-level）；GPS 时间同步，1ms dead time,更强的资料整理能力更强的资料整理能力， LS8000（2005）：总闪电（VHF interferometer IMPACT）美国美国 LF/VLF感应器主要性能感应器主要性能(演变演变)欧洲闪电探测网欧洲闪电探测网我国雷电监测网我国雷电监测网内地：内地：150KM基线组网，基线组网，247个站，精度个站，精度500米米西部：西部：300KM基线组网，基线组网，83个站，精度个站，精度1000米米ADTD研发背景 ADTD是中国科学院空间中心是中国科学院空间中心1997年研制年研制并在山东电力局投入试运行的；并在山东电力局投

12、入试运行的； ADTD1998年底在山东省科委通过鉴定验年底在山东省科委通过鉴定验收；收； ADTD是我国第一个能实用的时差侧向闪是我国第一个能实用的时差侧向闪电监测定位网；电监测定位网； 2000年深圳闪电监测网是气象系统第一个年深圳闪电监测网是气象系统第一个能进入业务运行闪电监测定位网；能进入业务运行闪电监测定位网； 2003年年ADTD在气象局定型，获得设备许在气象局定型，获得设备许可证；可证； 到目前为止到目前为止ADTD在气象系统共建有在气象系统共建有311个个探测站（国家业务网），其中中科院生产探测站（国家业务网），其中中科院生产了了179个，华云生产个，华云生产132个站。个站。

13、VLF/LFVLF/LF高精度三维雷暴脉冲实时探测系统高精度三维雷暴脉冲实时探测系统雷暴三维定位结果雷暴三维定位结果VHFVHF三维闪击轨迹探测系统三维闪击轨迹探测系统云闪轨迹云闪轨迹地闪轨迹地闪轨迹雷电危害雷电危害直击雷直击雷雷击电磁脉冲雷击电磁脉冲电电效效应应热热效效应应机机械械力力静静电电感感应应电电磁磁感感应应电电磁磁脉脉冲冲雷雷电电反反击击雷暴引起感应雷击及过电压直击雷或邻近雷击直击雷或邻近雷击:击在外部防雷系统，如保护框架（工业装置上击在外部防雷系统，如保护框架（工业装置上.）电缆上等。）电缆上等。浪涌电流在接地电阻浪涌电流在接地电阻Rst上引起电压降。上引起电压降。闭合环路感应产

14、生过电压闭合环路感应产生过电压信息系统信息系统电源系统电源系统L1L2L3PEN20 kVRst2c1a1b12a2b11a1b远处雷击远处雷击:击在远处架空输送线击在远处架空输送线缆上缆上雷云之间的放电通过雷云之间的放电通过架空线缆引起感应雷架空线缆引起感应雷电波及过电压。电波及过电压。在野外在野外,雷电击中通信雷电击中通信线缆线缆2a2b2c到目前为止还没有任何一种装置能阻止雷电的产到目前为止还没有任何一种装置能阻止雷电的产生，也没有能阻止雷击到建筑物上的器具和方法。生，也没有能阻止雷击到建筑物上的器具和方法。外部防雷装置：接闪、外部防雷装置：接闪、引流引流、接地接地（散流系统）（散流系统

15、）雷击电磁脉冲防护：等电位连接、屏蔽、合理布雷击电磁脉冲防护：等电位连接、屏蔽、合理布线、共用接地系统和安装各类电涌保护器件线、共用接地系统和安装各类电涌保护器件雷电的综合防护雷电的综合防护雷电的综合防护雷电的综合防护230/400 V,50 Hz避器器配电箱屏蔽室里的钢筋接地系统金属结构作为建筑物屏蔽建筑物用钢筋网屏蔽建筑物屋顶的外部接闪装置接闪装置到钢筋的接点钢筋墙作为建筑的屏蔽和引下线数据线避雷器 等电位连接EBBLPZ 1LPZ 2通信和数据的电源过压保护LPZ 0LPZ 0 到 LPZ 1 到 LPZ 2的界面地下的钢筋用作建筑物屏蔽和接地系统雷电保护系统依据雷电保护系统依据IEC-

16、62305IEC-62305基础接地装置通信线避雷器lTC81第81技术委员会（防雷）:成立于1980年l目的：制定国际防雷标准和指南l协作：与IEC/TC64、 TC37、 TC77与ISO、ITU与CIGRE（国际大电网）与各成员单位l（中国为25个P成员积极参加工作、承担标准草案投票表决）在IEC TC 81的标准IEC TC 81雷击保护IEC 61024建筑物防雷（系列）IEC61312防雷击电磁脉冲（ LEMP） （系列）IEC61663通信线路防雷（系列）IEC 61024-1:1990-03建筑物防雷第1部分：通则IEC 61312-1:1995-02防 LEMP 第 1 部分

17、：通则IEC 61662:1995-04雷击损坏危险度的评估IEC 61662:1996-05补充评估：加入LEMP后的危险度评估IEC 61819/Ed.1（81/145/CDV）2001模拟防雷装置（LPS）各部件效应的测量参量IEC 61663-1:1999-07通信线路防雷第1部分：光纤线路IEC 61663-2（81/164/FDIS） 2001通信线路防雷第2部分：金属导线路线IEC 61312-2 TS:1999-08防LEMP第2部分：建筑物屏蔽、内部等电位连接及接地IEC 61312-3 TS:2000-07（IEC 81/150/CD）防 LEMP 第 3 部分：电涌保护器

18、（SPD）的要求IEC 61312-4 TS:199809防 LEMP 第 4 部分：已有建筑物的保护IEC 61312-5 TS:2000（81/165/CD）防 LEMP 第 5 部分：应用指南IEC 61024-2建筑物防雷第2部分：建筑物高于60m的附加要求IEC 61024-3建筑物防雷第3部分：有爆炸危险和易发生火灾建筑物的附加要求IEC 61662/Ed.2 TS（81/156/CD）2001风险控制风险控制的环境和建筑物的风险评估IEC 61024-1/Ed.2（81/151/CDV）2001防雷装置对人身的安全保护IEC 61024-1-1:1993-08建筑物防雷第1部分第

19、1分部分：指南A防雷装置保护级别的选择IEC 61024-1-2:1998-05建筑物防雷第1部分第2分部分：指南B防雷装置的设计、施工、维护和检测标准号标准名称出版日期IEC62305-1雷电防护，第1部分：总则2006.1IEC62305-2雷电防护，第2部分：风险管理2006.1IEC62305-3雷电防护，第3部分：建筑物的物理损坏和生命危险2006.1IEC62305-4雷电防护，第4部分：建筑物内电气和电子系统2006.1IEC62305-5雷电防护，第5部分：公共设施IEC/TC81新的标准体系新的标准体系高速大容量数采技术的发展高速大容量数采技术的发展 可对微秒、亚微秒雷电过程

20、进行研究可对微秒、亚微秒雷电过程进行研究 高新技术发展高新技术发展 对雷电防护要求的提高对雷电防护要求的提高雷电研究的进步，源于：雷电研究发展趋势雷电研究发展趋势在时间和空间上都不断向更微观发展；在时间和空间上都不断向更微观发展； 80年代：毫秒级；目前：微秒、亚微秒重视对与其它学科的交叉；重视对与其它学科的交叉； 灾害性天气预警 大气化学:雷电产生的NOx 降水量的评估（108kg/flash) 全球闪电、电离层电位是地面增温的敏感指示器重视将研究成果与实际应用的结合重视将研究成果与实际应用的结合. . 雷电防护技术研究、效果检验雷电研究发展趋势雷电研究发展趋势目标：目标： 坚持坚持“预防为

21、主、防治结合预防为主、防治结合”的方针，逐步建立并完善江的方针，逐步建立并完善江苏省雷电灾害防御体系。苏省雷电灾害防御体系。 全面建设雷电灾害防御社会管理系统、雷电监测预报预警全面建设雷电灾害防御社会管理系统、雷电监测预报预警系统、雷电灾害防御工程性措施防御管理系统、雷电灾害系统、雷电灾害防御工程性措施防御管理系统、雷电灾害风险区划、预评估系统，雷电灾情调查鉴定、救灾与灾后风险区划、预评估系统，雷电灾情调查鉴定、救灾与灾后恢复重建管理系统，提高雷电灾害防御能力和水平。恢复重建管理系统，提高雷电灾害防御能力和水平。江苏省防雷业务建设一些设想u防雷减灾管理防雷减灾管理u雷电监测、预警、预报雷电监测

22、、预警、预报u雷电灾害应急处置雷电灾害应急处置u雷电灾害调查鉴定雷电灾害调查鉴定u防雷技术服务：雷击风险评估、防雷工程设计施工、防雷技术服务：雷击风险评估、防雷工程设计施工、防雷方案技术审查和施工监督、防雷装置检测等防雷方案技术审查和施工监督、防雷装置检测等u防雷电产品（防雷电产品（SPDSPD）测试）测试u雷电科学研究等工作雷电科学研究等工作江苏防雷业务主要包括n 目前取得的成果：目前取得的成果： 初步建立法律、法规、标准体系和防雷减灾管理机构；初步建立法律、法规、标准体系和防雷减灾管理机构； 开展了雷电监测、预警预报的研究；开展了雷电监测、预警预报的研究； 全面开展了防雷技术服务，开展了雷电灾科普宣传。全面开展了防雷技术服务，开展了雷电灾科普宣传。n 存在问题：存在问题： 雷电监测、预警预报业务需进一步加强；雷电监测、预警预报业务需进一步加强； 防雷技术服务不到位，灾情收集渠道不畅；防雷技术服务不到位，灾情收集渠道不畅； 防雷社会化管理有待完善进一步加强。防雷社会化管理有待完善进一步加强。江苏防雷业务现状“十二五”总体规划设想江苏省全闪电监测系统江苏省全闪电监测系统全省布设7个全闪电定位仪， 分别在东台、南京、扬州、盐城、宿迁、连云港、徐州 。全闪电探测系统中心将设在江苏省防雷中心全闪电探测站分布图全闪电探