基于文献计量的国内雷电防护研究热点与趋势分析

刘文海 寿江辉 马舜

【摘 要】雷电灾害已被联合国有关部门列为最严重的十种自然灾害之一，被中国电工委员会称为“电子时代的一大公害”，开展雷电防护的研究具有重要经济价值和社会意义。本文对近年来雷电防护领域的文献进行分析，旨在梳理国内雷电防护研究现状、发展趋势与存在的问题，以此为相关的研究提供多维度的参考。

【关键词】雷电防护;文献计量;Citespace;可视化分析

众所周知，雷电是一种自然现象，产生的高温、猛烈的冲击波以及强烈的电磁辐射等物理效应，使其能在瞬间产生巨大的破坏作用，它对人们的生产生活造成了极大的威胁。因此相关部门通过定期开展防雷宣传活动，督促安装雷电防护装置等措施，以达到降低经济损失，保障人身安全的目的。但是，由于雷电的随机性、分散性和边远地区的雷电防护装置不完善等因素，使雷电灾害事故频繁发生。基于此，近年来有许多专家学者在雷电防护领域开展了研究，取得了丰硕成果。其中，陈维江和陈家宏等[1]对电网雷电监测与防护的关键技术进行了全面的分析，以期为相关单位提供防雷标准的制定提供参考。边凯等人[2]通过雷电过电压计算模型的分析，发现了高速铁路接触网雷击跳闸的特性，这为牵引供电接触网的铺设提出了相应的解决对策。清华大学的陈水明等[3] 从雷电参数、分析方法和防雷措施等角度系统地对国内输电线路的雷电防护进行了研究，为我国输电线路的建设提供了重要的理论指导。段泽民[4]主要从飞机的适航要求及相关的雷电防护试验两方面对我国飞机的雷电防护的现状进行了详细论述。

纵观研究进程，鲜有学者对雷电防护领域的研究现状与发展趋势进行梳理。为了厘清国内雷电防护研究现状与发展趋势，本文基于前人的研究成果，利用文献计量方法与可视化工具从载文量、高频作者、研究机构、研究热点和发展趋势等角度对我国雷电防护的研究现状与进展进行了归纳与分析，这将对下一步相关方面的深入研究具有参考作用。

一、数据获取与研究方法

1.数据获取

核心期刊的学术水平较高，可以反映某一领域的研究前沿与最新的科研成果。具有权威性和高价值性。本文以中国知网的核心期刊文献为数据源，对2000-2018年期间的雷电防护相关的文献进行了梳理，主题词为“雷电防护”或者“防雷”或者“避雷”或者“雷击防护”，时间段为2000-2018年，来源类别为核心期刊，共获得初始文献2071篇，为了保证分析结果的有效性，筛选掉会议、通知等与研究主题无关文献541篇，最终获得有效文献1530篇。

2.研究方法

本文综合运用文献计量、统计学与数据可视化方法对雷电防护研究的现状进行分析。文献计量法是一种成熟的研究方法，通过分析所选取文献的特征和规律等内容，能够揭示学术领域的研究重点及研究趋势。其研究使用的工具有很多，其中Citespace因其强大的可视化功能受到了广大学者的欢迎。它可以制作作者合作网络、关键词时区图等知识图谱，能直观地反映研究领域的发展脉络等信息[5]。而SATI作为文献题录信息统计分析工具，可以对第一作者的发文量、文献来源等进行统计[6]。因此本文运用SATI对作者的发文数量进行了统计，并采用Citespace从文献的载文年度、高频关键词、核心作者等方面进行了分析，以期深入剖析雷电防护的研究现状，揭示其研究热点和前沿，为后续研究提供帮助。

二、数据分析

1.文献数量时间分布

雷电防护相关研究的文献数量时间分布如图1所示。发现2000-2005年期间文献数量维持一相对稳定的趋势，每年相关发文量40～65篇;从2005年到2009年文献数量呈现一增长趋势，说明了该时期雷电防护安全越来越受到社会的关注。2010-2018年的文献数量呈下降趋势，但幅度不大。但总体来讲，2010-2018年间雷电防护领域的文献数量已到达了一定规模，说明我国的雷电防护研究已具有一定的成熟度。

2.文献发表学科和期刊分布

载文量排名前10的期刊分别是《电瓷避雷器》《高电压技术》《电气应用》《高压电器》《电网技术》《气象科技》《低压电器》《中国电力》《农村电气化》《铁道通信信号》，占统计文献的58.5%，说明雷电防护领域的核心期刊发布群较为稳定。其中，《电瓷避雷器》和《高电压技术》分刊载251篇和234篇，各占总载文量的16.4%和15.3%。期刊的影响因子对于研究人员论文的投稿和预测学科的发展变化趋势有着指导作用，影响因子越大，则其在科技进步和文献交流过程中的作用和影响相对越大[7]，影响因子大于1的有《气象科技》《高电压技术》《中国电力》《高压电器》《气象科技》5种期刊，表明这些刊物的学术质量较高，其中《高电压技术》和《电网技术》的影响因子最高，分别为3.295和4.470，说明它们为雷电防护领域的学者们提供了便捷的學术交流的平台，从而有利于雷电防护技术研究的深入。统计发现雷电防护领域绝大部分文献发表在工学或理学领域的期刊，并且工学领域涉及到的期刊更多，反映出国内对于雷电防护技术的侧重应用，而对基础性的研究有待进一步加强。

3.研究者分布

（1）作者频次统计分析

第一作者一般在科研活动中发挥重要作用，所以利用SATI对第一作者频次进行了统计分析，得出排名前五的作者为广西大学的王巨丰（26篇）、南京南瑞集团公司的赵淳（10篇）、重庆大学的司马文霞（8篇）、南京南瑞集团公司的陈家宏（7篇）、西南交通大学的李瑞芳（7篇）。通常来讲，作者发文的数量越多，则其在某领域的学术影响力和研究能力就越强，因此本文统计了发文量15篇及以上的作者人数，共有13位。他们分别是：王巨丰（广西大学40篇）、谷山强（南京南瑞集团公司34篇）、赵淳（南京南瑞集团公司28篇）、陈家宏（南京南瑞集团公司26篇）、陈维江（国家电网公司25篇）、曹晓斌（西南交通大学23篇）、何金良（清华大学23篇）、司马文霞（重庆大学23篇）、李景禄（长沙理工大学21篇）、文习山（武汉大学20篇）、李瑞芳（西南交通大学17篇）、刘刚（南方电网科学研究院16篇）、苏杰（南京南瑞集团公司15篇）。广西大学的王巨丰、清华大学的何金良、南京南瑞集团公司的谷山强、赵淳、陈家宏等人发文量较多，他们是我国雷电防护领域的旗帜和标杆，为我国雷电防护研究做出了卓越贡献。

根据普莱斯定律[8] 对核心作者的定义，即依据核心作者的最低发文量来统计，其公式为：m=0.749*（Nmax）0.5，m为核心作者发表的最低论文数，Nmax为所有作者中最高发文数，可得雷电防护的核心作者最低发文数m≈5。经统计，发文5篇以上的作者有为108位，占作者总量的4.1%，远低于普赖斯定律规定的理论值50%，说明雷电防护领域的核心作者群体没有形成。

（2）作者合著网络分析

本文运用Citespace以作者为节点得到作者合作图谱如图3所示。结果显示网络节点数量为210，连线数量为236，网络密度为0.0108。图谱中节点的大小反映作者的中心性，节点的连线的粗细反映作者合作关系的紧密性，网络密度则代表合作程度的高低。由表2可知，发文量较多的作者其所处的机构也大都相同，通过图3，我们也清晰地观察到谷山强和赵淳等、曹晓斌和李瑞芳等都为同一单位，以他们为中心形成的科研团队连线较粗，合作紧密，说明了其交流频繁，形成了具有特色的研究团队。其他较大的科研团队还有以广西大学的王巨丰为中心、以国家电网公司的陈维江和清华大学何金良为中心、以长沙理工大学的李景禄为中心和以重庆大学的司马文霞为中心组成的群落。可以发现，研究者多是在本单位或者公司系统内进行合作，不同单位的学者之间的连线较少，所以从总体来看，雷电防护方面的研究者与其他单位或区域的学者合作较少，从而导致该领域突破性的研究成果较少，对前沿领域的研究进展缓慢。

4.机构分布分析

研究机构的发文量排名前五的是中国电力科学研究院、南京信息工程大学、武汉大学、长沙理工大学和广西大学，它们都是由隶属于国家电网公司的单位和高校组成的，说明科研机构和高校是我国防雷技术的主要研发力量。其中，南京信息工程大学是我国首个开办雷电防护科学与技术专业的高校，为我国雷电防护领域创新人才的培养起到了举足轻重作用。而国家电网公司作为控制国家能源的骨干企业更是为我国电网的建设和保障做出了巨大贡献。

同样，以发文机构为节点得到机构合作网络图谱，图中节点的圆圈越大，则其发文量越多，越处于中心地位。由图3可知，以国家电网公司和中国电力科学研究院、武汉大学电气工程学院和国网电力科学研究院、南京信息工程大学和重庆市防雷中心等机构为主体组成了数个以高校和科研部门为主的合作团体，这些机构间的连线较为紧密，在高速铁路的雷电防护[9]、输电线路防雷性能的评估[10]、风力发电机的防雷接地技术等方面皆有深入的研究。从作者合作关系可以看到，雷电防护领域的研究者较多，但彼此间合作度不高，这在一定程度上对机构的合作网络也产生了影响，合作图的网络密度仅为0.0069，这反映了机构间的连线不紧密，形成合作的团体较少。

对发文机构的分布分析有助于学者快速掌握该领域的研究群体。从机构所处的地理位置可以看出雷电防护研究机构的地域分布不平衡，主要集中于北京、湖北、广东以及江苏等经济相对发达的地区，而西部的青海省、西藏自治区等省区的研究成果较少。一方面是因为我国的雷电灾害主要分布于在东南地区和华北地区，所以这些区域对雷电安全的研究较多;另一方面，东部地区科研资金也相对充足一些，教育资源较为丰富，高质量的人才较多，使东部机构的科研能力相对强大。而西部地区研究机构基础设施和人才都相对缺乏，机构间交流不频繁，科研成果也较少。

三、研究热点分析

文献的关键词是对研究内容的高度概括，能反映出研究领域的研究热点与研究方向[12]。我们对文献中的关键词进行了梳理，排名前30的高頻关键词如表1所示。由表1可知， 频率最高的是“防雷”，其次为“输电线路”“耐雷水平”“防雷措施”“避雷器”“接地电阻”“雷击”“接地”等，所以近年来该领域的热点主题主要集中在防雷的方法与技术、防雷产品和与雷电相关的物理现象等方面，这些主题得到了研究者持续的关注。关键词的中心度代表其重要程度，表中关键词的中心性超过0.2的有“耐雷水平”“防雷保护”“雷电流”“雷击跳闸率”“并联间隙”“电极电阻”“电气保护”“避雷器”和“绕击”等，这些关键词对于支撑雷电防护研究的整体架构起到了主要作用，具有可挖掘的研究潜力和巨大的研究价值。我们发现，2012年的关键词出现了“ATP-EMTP”和“电弧”，ATP-EMTP是一款电磁暂态仿真软件，其功能强大，通过建立输电线路雷击过电压仿真模型，可以为配电线路的耐雷水平的提高以及减少雷击跳闸事故提供参考。随着防雷新技术和新方法的涌现使配网线路的防雷性能逐渐提高，通过灭弧防雷间隙装置可以抑制电弧，降低雷电灾害造成的损失。这表明电子信息技术的融入和雷电防护研究的不断深入使输电线路、电力和电器等设备抵御雷电灾害的能力也不断增强。

对关键词出现5次以上的高频关键词我们采用CitespaceV绘制了共现图谱，如图4所示。从图4中可以看出，节点较大且与其他研究主题之间的连线较为紧密的关键词有“雷电防护”“雷击”“耐雷水平”“防雷措施”“电气保护”“避雷器”“输电线路”“雷电流”等，它们是研究的热点与核心主题，学者对这些研究对象很重视。一方面说明了近年来关于雷电防护研究的中心比较固定;另一方面也反映学者越来越注重应用交叉学科的知识来进行雷电安全的研究。处在网络边缘的关键词，比如模拟实验、差异化防雷、雷电监测、灭弧防雷间隙等，与其它关键词之间的联系较少，但也代表了较为新兴或处于前沿的研究领域。总之，目前雷电防护研究已形成体系化，且相关研究主题之间的连线较为紧密。

四、发展趋势分析

关键词时区图谱可以直观的反映研究领域各时期的主要研究方向与研究热点，对其进行分析可以掌握该领域的研究前沿和发展态势。我们采用CiteSpace，选择视图显示类型为“Timzone”，时间切片为2，得到关键词时区图谱图。发现将演化路径图谱与学术文献相结合，可将2000-2018年间的雷电防护研究分为3个阶段：

基础性研究阶段（2000-2005年）1999年通过的《中华人民共和国气象法》指出：气象部门要加强雷电灾害的防护工作以及相关防雷装置的监测管理工作。至此，雷电防护研究逐步迈入全面化、体系化的发展阶段。从图谱中可以看到，许多的高频关键词都出现在2000-2005年这个阶段，比如防雷、耐雷水平、输电线路、避雷器、雷击、防雷措施、雷击跳闸率、雷电防护、电涌保护器、建筑物等关键词，它们既是研究的热点也是研究的发展趋势。这一时期的研究焦点主要从防雷装置与防雷技术的视角展开，说明电力、交通、通讯、建筑等行业基础设施的防雷研究一直是学者关注的热点话题。该时期的学者发文量虽然较少，却为后续的研究奠定了基石。张志劲、司马文霞等人利用改进的电气几何模型对超特高压线路绕击耐雷性能进行分析，为有效降低输电线路的跳闸提供了理论指导。赵海翔、王晓蓉风电机组的雷击机理与防雷技术进行了较全面的阐述。他们是我国防雷领域较早的研究者，为我国的雷电防护事业的发展注入了强大的动力。

快速发展阶段（2006-2011年）节点较大的关键词为电气几何模型、智能建筑、雷电定位系统、雷电监测、雷电灾害、地闪密度、配电线路、特高压和ATP-EMTP等。可以发现，这一阶段学者对雷电灾害和雷电防护技术的研究与探讨依然是研究重点，此外，对雷电定位和监测技术以及智能建筑也开始大量的研究，这是由于传统防雷技术和方法已经无法满足智能化建筑和社会对更高级的防雷产品的需求，对新产品、新技术的需求提上了日程。同时防雷领域研究方法的改进以及电子信息技术的应用使传统的防雷技术得到了较大的革新。学者们也在积极的探索新的防雷技术，例如马明[15]等人对我国雷电灾害及其相关因素进行分析，指出了雷电灾害的成因及分布规则，为我国的防雷工作提供了理论基础。杨庆、王荆基于ATP-EMTP，建立了计及冲击电晕影响的输电线路雷电过电压仿真模型，对线路的防雷保护提供了重要的数据参考。从关键词的演变可以看出：防雷技术日益呈现出智能化、一体化和交叉学科多元化的发展态势，并且今后防雷研究将朝着预测预警方向不断发展。一方面是因为社会的需求与防雷行业的发展;另一方面也与政府部门加大对防雷工作的重视有直接关系，中央近年来出台了诸多与防雷相关的法律法规，并增加了科研资金的投入，对防雷领域的研究者起到了很好的激励作用，从而使该时期发文量迅速增加。

研究的深化阶段（2012-2018年）研究热点转变为风险评估、雷电侵入波、高速铁路、接触网、复合材料杆塔、差异化防雷、灭弧防雷间隙、风电场等。可以看出，相较于前几年，在继续对雷电防护技术的相关研究外，这一时期高速铁路和新材料、新能源等高新技术产业的防雷成为学者们研究的切入点，对雷电灾害的风险评估也有了更加深入的探究，并且研究内容逐渐细化和拓展。高速铁路是近年来国家的重点项目，研究人员紧跟时代的步伐，发表了许多的高质量的论文：周利军基于相关数据对高铁路牵引供电系统的雷电防护进行了研究。向念文、陈维江等人通过地闪放电数据对京沪铁路的雷电分部进行统计，对确保铁路的雷电防护起到了积极作用。随着信息技术的发展以及大数据时代的到来，信息技术势必越来越多的运用到雷电防护，相关的实验设备必将更新换代，在此过程中航空航天等高新技术领域转变为了研究者的宠儿。段泽民[20]对国内外飞机的雷电防护进行了论述，为航空器的雷电防护提供了参考。司晓亮、李志宝[21]等人对碳纤维复合材料进行了实验，通过模型对比得出了适合复合材料的雷击防护方式。可以预测随着技术的革新和研究条件的日趋完善，雷电防护研究的成果会日益显著，雷电防护的理论研究与实际应用相结合的进程会不断加快。

总体来看，随着时间的推移和现代技术的发展，防雷领域的研究热点也在不断演进，相关研究也在不断扩展和深化。无论是在防雷研究方法、雷电监测还是雷电风险评估等方面，我国的雷电防护研究已经取得了丰富的成果。从发展动向来看，学者越来越注重理论与实际应用的结合。在未来一段时间内，高新技术产业群和国家的重点项目将成为学者们关注的重要对象。防雷技术将朝着更加智能化、精细化的方向深入。

五、结论

本文以2000-2018年CNKI数据库中有关雷电防护的文献为依据，利用可视化工具SATI和CiteSpace等软件对载文量、核心作者、相关机构、高频关键词等内容进行了统计分析，得到了以下结论：

首先，从总体来看，虽然近年来雷电防护研究的发文量有下降趋势，但发文量始终处于高位，并且有一个较为平稳的态势。这表明我国雷电防护的研究人员已经形成了较大的规模并取得了可喜的成绩。在主要发文期刊中，防雷领域已经形成了核心刊物群，便于学者之间展开合作与学术交流，并且防雷技术的研究更加偏向工学领域。防雷技术受到较多研究者关注，并已经形成了几个较大的作者合作团体，但合作较为松散，尚未形成稳定的核心作者群体。从机构分布来看，國家电网公司和高校是国内雷电防护研究的中坚力量，但机构间合作较为缺乏。另外，发文机构的区域分布极不平衡，东部地区机构的发文量与合作度都明显优于西部地区。其次，从研究热点看，发现目前我国的雷电防护研究热点主要分为三个方向。一是研究技术与方法，研究者大胆运用新方法和新技术开展雷电防护实验，实验过程也更加规范和严谨，这不仅体现了国家对科研的重视，更反映了国家对实施创新驱动发展战略的决心和坚定的信念。二是防雷产品在不同领域和行业的应用，包括电力等传统行业和新能源、航空航天等高新技术产业领域的应用。三是对雷电物理现象的研究，例如对电磁感应、雷电流等方面。

最后，从研究脉络看，发现研究的主要路径从对基础性的防雷装置和防雷技术的探究，渐渐地转向对雷电定位系统、雷电监测的研究，同时，ATP-EMTP等电子信息技术也不断的应用到了防雷技术的研究，提高了研究的精确性和科学性。近几年，高速铁路、复合材料、风力发电和航空航天等高新技术产业成为了雷电安全重要的研究对象，这与政府制定的产业结构调整和供给侧结构性改革是紧密联系的。可以发现，在雷电防护这条研究主线的基础上，每个时间段雷电防护研究的关键节点都是在国家的有关政策框架下展开研究。

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