新型蜂窝布局雷电预警系统在海南地区的应用*

程 琪,张长秀,毕晓蕾

(1.中国石化销售股份有限公司,北京 1007282.中国石化青岛安全工程研究院化学品安全控制国家重点实验室,山东青岛 266071)

0 引言

闪电放电过程中产生的大电流、强电磁辐射、炙热高温等严重危害着石化行业的安全生产[1]。随着石油库、加油站自动化水平的不断提高,如计算机计量、计价、IC加油卡加油、远程申报、自动报警等电子产品的应用越来越普遍，每年因雷击造成的事故明显增加。

中国石化《加油站作业安全规范》和《加油站应急预案》均有针对雷暴天气下作业的详细规定，规定在雷雨期间，不得进行加油及装卸油作业。但是一般情况下，作业人员无法精确掌握该区域是否会有雷电发生或者雷电发生的具体时间段，这就会造成无法合理地安排作业，从而影响企业的正常作业及工作效率[2]。

组建雷电预警网，对于实现雷电活动的实时预警、提高石油石化行业雷灾预防能力和雷雨天气的工作效率、减少因雷灾引起的伤亡事故、促进行业的安全生产等具有重要意义[3]。海南地处热带/亚热带地区，雷暴活动频繁，是我国典型的雷击高发区之一[4]。为提升中国石化海南省石油分公司雷电应急响应及预防能力，指导工作人员在雷雨天气合理安排加油和卸油作业，在海南省部分加油站安装了70余套新型雷电预警系统，组建了覆盖海南省的新型蜂窝布局雷电预警网。

1 蜂窝布局雷电预警系统

新型蜂窝布局雷电预警系统主要由固态传感器、预警主机和太阳能供电系统组成的雷电预警装置、云服务器和系统软件组成的数据处理系统、电脑客户端和手机客户端组成的数据接收终端构成，如图1所示。雷电预警装置通过固态探头对大气环境电场进行连续观测并将采集到的数据信息实时传送到预警主机中；预警主机采用无线连接方式把数据发送到云服务器端，通过软件系统进行处理计算，得出本地电场的实际情况及变化趋势，并对未来的雷电活动进行预警；将预警信息传递到数据接收终端，为用户提供及时、有效、准确的雷电预警服务[5]。

图1 雷电预警系统组成示意

与传统机械式雷电预警系统相比，新型电子调制固态雷电预警探头稳定性好、免维护、防爆，满足了石油库、加油站等长期连续工作的场所的使用要求。雷电预警系统的服务器采用阿里云服务器，预警系统客户端软件按照使用权限和用户不同，分为台式机客户端和移动客户端两种，用户可在线对各个站点的预警情况进行实时监控。

为了实现对雷云运动轨迹的预测，基于无线传输及移动互联技术，将单点雷电预警装置按蜂窝布局组合成为蜂窝布局雷电预警系统，如图2所示。每个布局区域的预警探头采用蜂窝布局方式，雷电预警探头安装后可通过系统软件进行区域局部组网，并可扩展进行更高层次的组网。海南地区安装的雷电预警均进行了组网观测，形成海南蜂窝布局雷电预警网。组网后的雷电预警系统，可根据每个时段检测的电场强度判断雷暴云的移动轨迹和实现雷电临近预警。

图2 无线蜂窝布局雷电预警系统组网示意

2 应用现状

2.1 预警效率现状

为了探究海南地区安装的新型雷电预警系统的运行稳定情况及预警有效率，根据IEC 62793-2016中对雷电预警系统预警效率评估参数和评估方法的定义[6]，本文使用2017年的气象部门提供的地闪定位数据，对海南地区雷电预警站点的预警效率进行了统计分析。统计结果表明海南地区雷电预警站点运行状态稳定，平均有效预警率达到85.5%，对有效覆盖范围闪电事件的预警效率可达到95%，错误预警率约为73%，平均可提前14 min为用户提供有效预警。与国内外同类雷电预警系统相比[7-9]，海南地区新型蜂窝布局雷电预警系统的有效预警率和对闪电事件的预警效率处于领先水平，但仍存在错误预警率偏高的问题。

2.2 错误预警率的分析

为了探究海南地区新型雷电预警系统错误预警率偏高的问题，本文选取了错误预警记录数较多的某一天的预警数据，并选取了当天的闪电定位数及雷达数据进行了综合分析。由于雷达数据是每6 min一次，所以将当天的闪电数据按照雷达数据的时间进行了分段处理，并将分段后的闪电数据、雷达数据及预警站点信息进行了叠加绘图，如图3所示。

通过分析多条错误预警发生时间段内对应的雷达数据与闪电数据的分布，得出错误预警发生时站点周围的雷达回波主要有两种情况：

图3 海南岛某一时刻雷达回波、地闪定位数据、及预警站点的叠加

a)错误预警发生时，站点有效覆盖范围内有较强的雷达回波(>40 dBz)，但站点可能位于强雷达回波中，也可能位于回波的边缘或强回波移动过后的尾部区域，错误预警发生前/后有有效预警发生。此类错误预警发生时对应的电场，是典型的有效预警发生时的电场波形，如图4(a)所示。此类错误预警的触发可能是云中有闪电发生引起周围大气电场变化造成的，而本文所使用的闪电定位数据主要是针对地闪的探测[10-11]，对云闪的探测效率较低，所以导致了这些时间段内雷电预警系统有预警发出，但没有对应的闪电数据。初步认为此类错误预警主要是由于雷电预警系统对云闪造成的电场变化探测灵敏，而用来作对比分析的闪电定位资料对云闪的探测效率较低造成的，这需要进一步的分析来验证。

b)错误预警发生时，站点有效覆盖范围内无明显雷达回波出现，但雷电预警系统有预警数据发出，此类预警对应的电场一般与典型有效预警发生时预警电场波形有比较明显的差异，如图4(b)所示。此类情况，可能是站点周围有干扰信号出现或设备探头出现误测，产生虚假信号从而出现的错误预警，但该类情况出现概率远低于第一种情况。

基于以上分析，初步认为海南地区雷电预警系统错误预警率偏高的主要原因，是由于预警系统对云闪造成的电场变化探测灵敏，而用来作对比分析的闪电定位资料对云闪的探测效率较低造成的，但仍需要更多的数据分析来验证。

图4 错误预警发生时对应的预警电场波形

3 结论

为提升中国石化海南省石油分公司雷电应急响应及预防能力，提高雷暴天气的工作效率，减少石油石化行业因雷灾引起的伤亡事故，组建了覆盖海南省的新型蜂窝布局雷电预警网，对海南地区的雷电活动进行实时预警。通过用户使用意见反馈及使用气象部门提供的闪电定位数据对海南地区的新型蜂窝布局雷电预警系统的运行稳定情况及预警有效率进行了分析，结果表明：海南地区已安装的雷电预警系统基本均处于稳定运行状态，预警有效率及对闪电事件的预警能力在各类预警系统中均处于领先水平，但目前仍存在错误预警率偏高的现象，初步认为是由于预警系统对云闪造成的电场变化探测灵敏，而用来作对比分析的闪电定位资料对云闪的探测效率较低造成的。新型雷电预警系统的预警触发条件仍需要进行优化调整，进一步提高预警系统的预警效率，为海南石化行业提供更及时高效的雷电预警服务。