四、雷電預警裝置的應用

4.1 雷電預警裝置與傳統被動防雷的比較

隨著雷電災害的不斷增加，越來越多的單位，集體以及各類組織開始意識到雷電保護的重要性，并且在實際應用中，采用了完善的雷電保護措施，如，避雷針，接地系統和浪涌保護系統。然而，在很多情況下，以上所述的傳統被動式雷電保護即使設計的再標準，也無法做到最全面的保護，每年依然有大量的雷電災害損失產生。甚至，在一些特殊場合，無法采用傳統被動式的雷電保護（例如，大面積的戶外活動場所）。

因此，出于對重點單位，部門的防護等級提升的需求，在最新的國家標準GB/T 38121-2019《雷電防護 雷暴預警系統》中提出了一個全新的概念 – 預防性保護：即，提前探測雷電的活動趨勢，在精確的時間范圍內，對特定的區域提供雷電預警信息，以便提前采取雷電災害應急預案，從而便于用戶提高防護等級，減少財產，人身安全的損失，提升管理水平。

需要注意的是，雷電預防性保護并不是用來替代傳統被動式雷電保護，而是一種提升保護等級的補充措施，尤其適合景區，石油石化，電力，通信，交通等對防護等級要求較高的場所。

4.2 雷電的形成與雷電探測裝置的分類

在正常的天氣條件下，大氣中的正，負電荷處于平衡的狀態。此時，相對于大氣以及地面上的物體，大地擁有更多的負電荷。然而，當一個雷電風暴開始形成時，電荷將發生極化，該極化分為三個部分：云端頂部的正電荷，中間部分負電荷區（ -10 至 -20℃），以及在冰點附近的一小部分正電荷。

由于云的較低部分充滿了負電荷，從而引起大地以及地面上物體充滿了正電荷，從而在大氣中產生可達數萬伏的電場。從可觀測和測量的角度，雷電的形成分為以下四個步驟：

階段一：電荷的分化和積累階段。在此階段能夠探測到大氣電場的上升，但一般并沒有成熟的雷電形成。

階段二：云間放電過程。在此階段，由于電荷的分化和積累達到一定程度，最先在云內或云間產生了放電活動。此時，可以聽到雷聲，或看到云內的閃電。

階段三：云與地放電過程。在此階段，一個成熟的雷電活動已經形成，大量的云閃與地閃正在發生。

階段四：消散過程。由于放電結束，云層中的電荷重新趨于平衡，大氣電場也隨之下降至平衡狀態，一般小于300v/m。

綜觀，在所有的階段中，大氣電場的上升是雷電形成的主要表征之一。尤其在雷電活動還沒有產生時，大氣電場是目前本地唯一可以觀測到的與雷電形成有直接聯系的物理數據。一般來說，一個在形成中的雷云會對半徑10~20km范圍內的大氣電場產生影響。因此建立本地雷電預警系統，大氣電場探測儀是必不可少的儀器。

另一方面，當雷電活動已經發生時，無論是云間放電還是云對地放電，都會產生強大的空間電磁場，這種電磁場可以在較遠的距離被探測到。一般云間放電過程可在32km范圍內被探測到，而云對地放電最大可在60km范圍內被探測到。

依據不同的探測方式，雷電探測設備一般分為以下三類：

1類探測儀（場強測量法FSM）: 該類儀器可以探測到整個雷電過程。由于探測范圍主要在10~20km半徑范圍內，因此一般被稱為本地雷電探測裝置。

2類探測儀（磁定向法MDF）: 該類設備能夠探測到雷電形成的第二及第三階段變化。云間放電會釋放出非常高頻的電磁波，一般為100mhz，該設備的有效率為80%以上，所在區域的不確定性小于5km。由于該類探測儀器可以在本地的大氣電場受到影響之前就探測到遠程的雷云活動，因此一般被稱為遠程雷電探測裝置。

3類探測儀（射頻信號強度測量法RFM）: 該類設備能探測到雷電形成的第三階段。探測距離約100km，一般都是氣象愛好者使用。

綜上所述，1類探測儀對于本地形成的雷電活動有很好的提前效應，但是對于遠程已經形成的雷電無法及時預知；2類探測儀對于本地的雷電活動探測的提前性不足，但是卻能在更大范圍內預判遠處雷電活動的方向和趨勢。因此，采用1+2類的探測方式能夠最為全面的對雷電活動進行預判，從而真正實現雷電預警的保護作用。

4.3 重點場所雷電預警系統方案設計

依據最新頒布的國家標準GB/T 38121-2019 《雷電防護 雷暴預警系統》，在關于雷電預警的標準定義中，提出了一個場所是否需要采用雷電預警系統，應首先經過雷電風險等級評估的概念。一般包括三個步驟：

a) 危險情況識別；

b) 損失類型確定；

c) 風險控制：應確認雷電預警系統提供的信息是否有助于采取降低風險的臨時預防措施。如沒有，則該雷電預警系統是無用的。如有，則每一種危險情況和損失類型確定了雷電預警系統是否合適。鑒于有多種不同解決方案，最終應選擇最安全的方案。

4.3.1 重點場所雷電預警必要性評估

針對重點場所有可能因雷電產生的危害，可按照以下表格按步驟進行雷電風險等級分析：

關于人員損失的風險分析：從表1可以看出，針對人身安全，重點場所屬于A級風險。

表格1 – 關于人員保護的雷電風險分類 – 風險評估

關于物品損失的風險分析：從表2可以看出，針對物品的保護，重點場所屬于A級風險。

表格2 – 關于物品損失的風險分類 – 風險評估