浅谈雷电的监测与防护
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摘要：伴随着信息时代、网络时代的到来，数字化、信息化和网络化的发展，由雷电造成的灾害的频变、广度和经济损失等都在迅速上升。本文介绍了雷电的产生、雷电的监测原理和技术及其预防措施。
Abstract: With the arrival of the information age and the Internet age, the development of digital and information technology and network, the frequency change, breadth and economic losses of the disasters caused by lightning are all rising rapidly. In the paper, we describe the production of lightning, monitoring principles and techniques and the prevention of lightning.
关键词：雷电监测；雷电防护；技术和措施
Key words: lightning detection；lightning prevention；techniques and measures
中图分类号：X43文献标识码：A文章编号：1006-4311（2011）01-0066-02
0引言
雷电是一种大气中规模巨大的火花放电现象，主要产生于积雨云中。积雨云形成过程中，某些云团带正电荷，某些云团带负电荷，从而使地面或建筑物表面产生异性电荷，当电荷积累到一定程度时，不同云团之间或云团与大地之间的电场强度击穿空气而游离放电，称之为“先导放电”。云对地先导放电是云向地面跳跃式逐渐发展的，当到达地面时，便会产生由地面向云团的逆导主放电。在主放电阶段里，由于异性电荷的中和，会出现很大的电流，从而使电流通过地方的气体瞬间温度急剧升高，从而呈现强烈的火光，这就是我们看到的划破天空的闪电，同时受热的电离气体体积急剧膨胀而发出隆隆的雷声，这就是雷电。
我国是雷电高发的国家之一，每年遭受雷电都会造成一定的人员伤亡和经济损失。因此，提高对雷电灾害的认识，加强对雷电及防雷措施的研究以及建立雷电监测及预报系统都是亟待解决的问题。
1雷电监测原理和技术
1.1 雷电监测原理雷电监测利用雷电辐射的声、光、电磁场特性来遥测雷电放电参数（时间、位置、强度、极性、电荷、能量等）。云闪和云地闪发生时辐射频谱范围极大的电磁场，在初始击穿和通道建立过程中（对应先导和流光过程）产生甚高频辐射VHF（Very High Frequency）；在电离后的通道中产生强电流时主要产生低频辐射LF（Low Frequency）和甚低频辐射VLF（Very Low Frequency）。在地一电离层波导中，VHF以射线方式传播，辐射范围较小，一般为百公里量级。LF／VHF以地波方式传播，可以传播到较大的范围，一般为千公里以内，特别是VLF借助电离层的反射可以传播到很远的地方（数千公里）。因此可以在不同的距离上，采用不同的频带探测闪电过程。另外，闪电发生时还辐射很强的可见光，可以在空间利用卫星探测。闪电通道的电离和空气的膨胀产生隆隆雷声，还可以用声学传感器探测。
1.2 雷电监测技术
1.2.1 磁方向闪电定位系统（MDF）磁方向闪电定位系统的原理是：当闪电回击发生时，它向周围空间辐射很强的电磁波，分设在各地的磁方向闪电探测仪实时测出闪电到达本站的时间、方向、极性、强度、回击次数等多项闪电参数，并实时将所测数据发往中心数据处理站进行方向交汇定位处理，再将处理结果（计算出的闪电位置、强度等参量）实时发给各图形显示终端。由于机械误差、探测仪周围环境以及传播路径上电波的折射等因素的影响，单纯的磁方向闪电定位系统定位误差较大，在最近几年已逐渐被淘汰[1]。
1.2.2 时差闪电定位系统（TOA）时差法闪电定位系统的探测原理是：每个闪电探测站主要探测每次闪电回击辐射的电磁波到达本测站的绝对时间。二站之间得到一个时间差，构成一条双曲线，在双曲线上的任何一点都是可能的闪电回击位置。另外二站之间也有一个时间差，也可以构成另外一条双曲线，二条双曲线的交点，即为闪电回击位置。该系统须有三个或三个以上的测站，才可以保证探测结果的唯一性。
1.2.3 时差测向混合闪电定位系统（IMPACT）鉴于磁方向闪电定位系统定位误差较大，时差系统又必须至少有三个探测站才能定位的事实，很容易想到：把二者联合起来，形成时差测向混合闪电定位系统（IMPACT）。它的定位原理是：每个探测站既探测回击发生的方位角，又探测回击辐射的电磁脉冲波形峰点到达的精确时间。当有二个探测站接收到数据时，采用一条时差双曲线和两个测向量的混合算法计算位置。当有三个探测站接收到数据时，在非双解区域，采用时差算法，在双解区域，先采用时差算法得出双解，后利用测向数据剔除双解中的假解。当有四个及四个以上探测站接收到数据时，采用时差最小二乘算法定位计算。该定位系统既能保证测站数目较少的探测网有定位结果，又能保证较高的定位精度，是一种比较实用的雷电监测定位系统，据国内外资料[2, 3]表明其定位精度一般在几百米到2-3km。
2雷电防护措施
雷电防护主要包括：直击雷防护、侧击雷防护、感应雷防护，并采用接闪、分流、屏蔽、均压、接地等技术措施。
2.1 整体防雷保护技术①接闪：采用避雷装置拦截闪电，避雷装置是利用接闪器吸引其附近的雷云放电，并将雷电流通过引下线和接地装置传导入地，把雷电的能量耗散到地下，从而保护地面上的建筑物。②分流：一切从室外来的导线（包括电源线、信号线、接闪线、电话线等等）与接地体或接地线之间并联一种防雷保护器（或称避雷器、防雷器），当直击雷或感应雷在室外线路上产生的过电压循着这些导线进入室内时防雷器短路，雷电流由此分流入地。③均压：即均衡连接，或等电位连接。等电位连接技术是将各类电气、电子信息设备和导电装置用等电位连接导体连接，以减少装置所在建筑物金属构件与装置之间或装置与装置之间因雷电产生的电位差[4]。④屏蔽：是用金属网、箔、壳或管子等导体把需要保护的对象包围起来，把雷电电磁脉冲从空间入侵的通道全部阻断。⑤接地：是分流、泄放直接雷击和雷电电磁干扰能量最有效的手段。
2.2 电源系统的雷电防护技术电源系统防雷保护是对与弱电系统电源有关的各级交流配电部分进行过压保护，要求在可能有雷电波侵入的电力进线处安装避雷器。①电源系统防雷保护分多个不同的保护级别：根据保护级别的不同，选择合适标称放电电流（额定通流容量）和电压保护水平的电源避雷器，并保护避雷器有足够的耐雷电冲击能力。②电源避雷器应有失效告警指示，具有阻燃功能，避雷器与电源系统的连接引线应尽可能短。
2.3 信息系统的雷电防护技术①接口避雷器通常串联在数据线路中，其选择和应用必须以不影响数据传输为前提；②应根据接口速率，选择工作带宽、物理接口合适的数据接口保护用避雷器，对于速率较高的数据设备接口，应选择极间电容、漏电流、插损、驻波比尽可能小、响应时间尽可能快的数据避雷器；③应根据信号工作电压的不同，选择动作电压和限制电压合适的数据接口保护避雷器。
3雷电防护技术的发展及其管理措施
随着信息技术的快速发展，各种大规模集成电路在计算机网络系统、通信设备等各个领域的广泛应用，以及城市高层建筑的增多，使雷电灾害造成的损失和影响越来越严重，为达到防雷减灾、将雷电灾害降低到最低限度的目的，应该建立全国性的防雷减灾体系。
闪电定位资料的积累和分析，可对某一地区闪电频数强度、时空分布和性质有一个概括的了解。据此就可以对该地防雷工程作出科学的规划。当出现雷击灾害时，可依据同时、同地闪电定位资料强度、极性、波形分析产生雷击损害的原因和防雷措施的效能和存在的问题，以便健全和改进防雷设施。防止雷击的措施除了技术手段以外，加强组织管理、建立健全规章制度以及责任到人且常抓不懈，从而综合防护系统也是必不可少的。①加大宣传力度,提高雷击防范意识。②完善法规制度,施行规范管理。③建立相应机构,明确履责义务。④加大防护投入，实现防雷创新。
4结束语
雷击的防护是一项长期的系统工作。应根据当时当地的气象环境及被防护对象的特点。结合雷电活动规律等因素综合考虑，采用安全可靠、经济合理的技术方法与管理措施，将大大降低雷击灾害带来的损失。
参考文献：
[1]高强.雷电防护技术[J].天津建设科技,2004,(4):55-56.
[2]冯桂力.雷电监测和雷电数据的应用[J].山东气象,2002,22(2):25-27.
[3]许小峰.雷电灾害与监测预报[J].气象,2005,30(12):17-21.
[4]黄朝军.浅析雷电的形成机理及预防[J].科技信息,2007,25:9-12.