大兴安岭林区应用“外移式防雷保护技术”预防森林火灾的设想

郑 宏

（黑龙江省森林防火预警监测信息中心，黑龙江 哈尔滨 150036）

大兴安岭林区应用“外移式防雷保护技术”预防森林火灾的设想

郑 宏

（黑龙江省森林防火预警监测信息中心，黑龙江 哈尔滨 150036）

为研究预防雷击引发的森林火灾，分析了大兴安岭重点林区建立防雷保护技术的必要性。采取“外移式防雷保护技术”，该技术是运用由导闪系统、入射释放系统、绝缘配合系统和接地阻抗匹配系统等构成防雷保护系统，对外移式防雷保护技术进行研究，从而解决大区域防雷难的问题。从设想原则、总体思路、结构组成、布局设想等方面对预防雷击森林火灾可行性进行研究。

大兴安岭林区；外移式防雷保护技术；预防火灾设想

森林火险主要来自人为火和自然火（雷云放电），由于人为火险的管理和控制措施不断加强和完善，人为火险已得到有效治理，雷电火险占据比例亦相应增大。黑龙江省北部重点林区的雷击森林火灾较多，由于近年来受到温室效应的影响，累计次数在增多[1-2]，2015、2016年两年大兴安岭地区累计发生雷击森林火灾105起，出动44 527人次扑火。特别是夏季雷击火引发的森林火灾对森林的危害较大，扑救困难。雷电是在全球范围内普遍存在的自然现象，其最重要的危害之一就是引发雷击火[3]。世界各地均有雷击引起的森林火灾发生。由于大兴安岭呼中地区具备雷击森林火灾发生的基本条件，雷电活动在逐步增强，未来的雷电火险亦可能越来越多，已有多个少雷区变为多雷区[4]。

以呼中区呼源林场雷电火灾较密集的小白山区域为设想保护区，为其配置外移式防雷保护系统。

1 系统设想的基本原则

1.1 实用性和高效性原则

保护范围大，外移式防雷保护技术本身即为长距离大范围保护系统，保护范围根据气象、植被、地理等条件，一般设计为数十至数百平方公里，若达到数千平方公里时，可延续配置。

1.2 安全性和可靠性原则

实施外移式防雷保护之后，雷电强绕击、强直击、强感应、强冲击、强反击等侵害将不再发生，被保护区的所有设备、设施、植被等均可处于长期安全状态。

1.3 经济性和可持续原则

根据外移式防雷保护技术原理和在部分企业的应用实验，有效保护率可达99%以上。用于大面积保护时，常规防雷保护系统投资造价约100万元/km2，外移式防雷保护系统投资造价小于6万元/km2。

1.4 环保无污染性原则

外移式防雷保护系统配置导闪塔数量少，约每50 km2一基塔，对森林环境影响小。另一方面外移式防雷保护使用的接地材料为专用物理型材料，埋入地下后地面可照常种植花草树木。

1.5 系统性和先进性原则

外移式防雷保护技术适用于大范围林区雷电火灾预防，从防雷技术效果、适用性、工程造价与环境保护等方面综合论证，大兴安岭林区雷电火灾预防适用外移式防雷保护技术，可使林区雷电得到较全面彻底的抑制。

2 系统设想的总体思路

防雷保护是相对于国家规程规定的近距离保护而言，国际技术规范规定的也是近距离保护方式，如避雷线与避雷针的45°或30°近距离保护角和线路避雷器的几百米保护半径等。外移式防雷保护技术是远距离、大面积保护方式。

外移式防雷保护主要由导闪系统、入射释放系统、绝缘配合系统和接地阻抗匹配系统构成。是以接地阻抗匹配为核心，以削弱雷云先导电位和人为建立低阻抗通道方式，阻止雷电强绕击、强直击、强感应、强冲击和强反击，改变雷击自由选择，人为控制雷云放电。

若用于保护大面积林区可实施系统接地阻抗匹配，大幅度削弱雷云先导电位，降低雷电强度，并人为改变雷击选择点等措施，从而达到对大面积区域有效保护的目的。

设想以大兴安岭呼中区呼源林场雷电火灾较密集的小白山区域为保护区。配置外移式防雷保护系统，以阻抗匹配方式实现早期预放电，削弱雷电强度并改变雷击选择，最终实现保护区内的森林安全。

3 系统的结构组成

外移式防雷技术是根据雷电的多种侵害形式和雷云放电的诸多特点设计，结构形式由阻抗匹配系统和导闪系统组成。保护范围超过50 km2时增加子系统。该系统是以接地阻抗匹配为核心，以适应并利用雷云放电特点为实现方式，破坏强雷电生成条件，最终达到有效预防雷击的目的。雷云放电亦有随机性、选择性、入射叠加、主流注放电、分支流注放电、沿面放电和预放电等诸多特点，因此，技术措施和技术原理同样应具有多元性，针对雷电的多种侵害形式和雷云放电的诸多特点，由阻抗匹配系统进行全面调整。当对整个系统波阻抗、接地阻抗等诸多因素进行系统匹配后，可降低先导电位强度，改变雷击选择，使被保护区不发生雷电绕击、强直击、强感应、入射冲击叠加等侵害。

4 系统的布局设想

大兴安岭林区雷电引发森林火灾频繁发生，呼中区2012-2016年5年内共发生雷电火灾31次，直接经济损失巨大，生态环境破坏惨重。防止雷击引起的森林火灾是森林防火工作中重要难题之一。

雷击森林火灾发生主要具备以下几个方面条件：空气对流、大气放电、多风少雨、温度偏高、干旱、可燃物干燥易燃。大兴安岭是国家一级自然生态保护区，大兴安岭位于东亚季风区，受贝加尔湖冷空气和太平洋、印度洋等暖湿空气影响较大。当冷热空气温差较大时，强对流必然产生，为大气放电提供了条件。特别是6～7月最多，晴好天气雷暴比例大，加之这个季节少雨干旱，地面可燃物干燥易燃，雷击任何一点都可能引发火灾。上述生成条件均与气象、气候和自然的地理及地质因素有关，大兴安岭呼中林区频发雷电火灾的原因就是具备了上述全部条件。

在大兴安岭呼中区呼源林场小白山区域周围602 km2范围内，将雷电火灾较严重的小白山大部分区域置于保护范围内，每50 km2设置1处防雷保护站，共计12处，构成完整的外移式防雷保护系统，以达到降低雷电强度、改变雷击选择的目的。保护区域边界坐标见图1。

每处防雷保护站为一个独立的外移式防雷保护子系统，主要建设内容包括：4个接地网；4座导闪塔（塔高为39.4 m、18 m、51 m不等）；4套导闪器和阻抗匹配单元。

材料选择：导闪器选用外移式防雷保护专用导闪器（装置性材料；降阻剂选用TWS型（物理型），配套外移式防雷保护工程。

雷击选择：全部集中在雷电保护区各导闪塔上。

雷电闪击：被保护区地面无闪击点，空间40 m内无闪击点。

图1 保护范围示意

5 结论

长期以来，国内外学者、专家和研究机构为此进行了大量的技术研究、试验与实验，成就了诸多技术成果。在日常生活、生产活动中发挥了重要作用，这也为预防雷击引发森林火灾奠定了基础，解决了制约森林防火工作发展的瓶颈问题。

外移式防雷保护技术是在总结前人经验的基础上，研究出了问题的关键是雷电的能量释放渠道、球雷的生成条件两大问题，采取了阻抗匹配方式，利用雷电预放电和雷击选择性疏导雷电，实现了大面积的有效防护。技术应用实验和实践证明该技术是成功的大范围保护系统，适用于森林区等重要区域雷电预防。

林区特点是范围广、面积大，晴好天气雷暴和雨前雷暴引发火灾概率大，雨中雷暴火灾概率小。外移式防雷保护技术攻克了长距离、大范围防雷难题。大面积保护全覆盖、无死角，不影响树木生长，不影响野生动植物生存环境，不污染土地和自然环境，减少占地面积。

森林防雷，被保护物主体是树木和地面干燥落叶、干燥植被等所有易燃物。在雷击森林火灾频发的大兴安岭呼中林区，选择雷击频繁的区域布设防雷保护设施，防止雷电击中地被物，最大限度地减少因雷击引发的森林火灾。

实施外移式防雷保护之后，保护区内的雷击可降低99%以上，雷电直击和感应强度将减弱。不发生雷电绕击、强直击和强感应。整个区域将处于长期较安全状态。

常规防雷保护是近距离、小范围保护方式，避雷针塔基数量大，排列密集，其接地网较多，不利于树木等植物生长。用于大范围保护时，为解决绕击球雷，必须高密度配置防雷装置且单位成本造价高昂。外移式防雷保护是以阻抗匹配为核心，配置导闪塔数量少，约每50 km2一基塔，面积越大基塔数量越少，对森林环境影响小，可实现大范围、大面积保护，效果显著；另一方面工程造价只是常规防雷保护的6%左右，使用的接地材料为专用物理型材料，埋入地下后地面可照常种植花草树木。因此，外移式防雷保护技术从经济效益、生态效益、社会效益都非常适用于大面积林区保护。

[1]杜春英，李帅，刘丹，等.大兴安岭地区森林雷击火发生的时空分布[J].自然灾害学报,2010,19(3):72-76.

[2]田晓瑞，舒立福，王明玉，等.林火与气候变化研究进展[J].世界林业研究,2006,19(5):38-42.

[3]武文杰，孙福琴.内蒙古大兴安岭林区雷击火成因初探[J].内蒙古林业,2008(6):18-19.

[4]舒立福，王明玉，李忠琦，等.我国大兴安岭呼中林区雷击火发生火环境研究[J].林业科学,2003,39(6):94-99.

（责任编辑：韩焕金）

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2017-03-10