浅析广西雷电定位系统及其应用

陆金凤 庞焕华 姜殿荣

摘要 雷击是重要的自然灾害之一，对人类生产生活造成了极大的危害。雷电定位系统是研究雷电规律和指导防雷减灾工作的有效手段，该文介绍了广西雷电定位系统的监测原理及基本概况，并详细分析了雷电定位系统在雷电预警、雷击风险评估、雷电事故调查、防雷安全检测、雷电活动规律研究等各类雷电防护业务中的应用情况。广西雷电定位系统自投入使用以来，积累了海量的雷电活动数据，可有效指导雷击事故分析，为雷电活动规律研究及差异化雷电防护提供科学依据。

关键词 雷电定位系统;原理;业务应用

中图分类号：TM862 文献标识码：A 文章编号：2095-3305（2019）04-042-03

DOI： 10.19383/j.cnki.nyzhyj.2019.04.018

Abstract Lightning is one of the important natural disasters，which has caused great harm to human production and life. Lightning location system is an effective mean to study lightning law and guide lightning protection and reduction work. This paper introduced the monitoring principle and basic overview of lightning location system in Guangxi，and analysed in detail the application of lightning location system in lightning early warning，lightning stroke risk assessment，lightning accident investigation，lightning safety detection，lightning law research. Since it was put into use，Guangxi lightning location system had accumulated a large amount of lightning activity data，which can effectively guide lightning accident analysis and provide scientific basis for lightning activity research and differential lightning protection.

Key words   Lightning location system;Principle;Business application

廣西地处低纬度地区，南临热带海洋，北为南岭山地，西延云贵高原，境内河流纵横，地理环境比较复杂[1]。在太阳辐射、大气环流和下垫面综合作用下，雷暴特征呈现东南—西北递减的特点，广西沿海地带一般为90 d/a，西北内陆地区为60 d/a，最多的是南部临海的东兴市，达105 d/a，属于多雷区。我国每年因雷灾造成的人身伤亡约100人，直接经济失约1亿。雷击是造成输电线路跳闸的主要原因，南方电网110 kV及以上电压等级输电线路雷击跳间1 894次，占总数的65.4%[2]。雷电定位系统正是在这样的形势下应运而生，已成为一种为社会生产、生活服务的有效工具。

雷电定位系统 （ Lightning Locating System，简称LLS）是一种大面积、全自动、实时性雷电定位系统[3]。系统采用GIS（地理信息系统）、CPS（全球卫星定位系统）和RS（遥测系统）等先进的现代技术，自动实时遥测雷击发生的时间、地点、雷电流幅值、极性和回击次数等雷电特征参数，对快速查找雷击事故点、雷暴预警、保证系统安全运行以及进行雷电观测、掌握雷电话动规律有着重要意义[4]，是当今研究雷电活动最先进的手段[5]。

1 雷电定位系统定位原理

TOA定位技术采用闪电电磁脉冲到达不同测站的时间差进行闪电定位。其定位原理如图1。2个以上放置于不同位置的探测子站通过探测闪电电磁脉冲到达各自站点的绝对时间，则每2个测站之间的时间差构成1条双曲线，双曲线的交点就是闪电电磁脉冲发生的位置[6]。

2 广西雷电定位系统概况

广西三维雷电定位监测系统由广西壮族自治区防雷中心建设，由20个三维闪电探测子站（ADTD？鄄2C型闪电定位仪）和1个数据处理中心站组成。该系统采用空间时差定位算法（TOA），实现闪电VLF/LF辐射源的时间、位置、高度、强度及极性等主要参数的三维定位[7]。系统既能探测云地闪（云对地放电），又能探测到云闪（云内、云气、云云放电），站网内闪电回击时间精度大于10-4 s，回击分辨率小于3 ms，闪电强度与极性误差小于10%，极性准确率高于99.9%，水平面探测精度在500 m以内，垂直方向探测精度在1 000 m以内，单站有效探测半径大于300 km，实现了对广西境内发生的闪电事件的全方位监测（图2）。监测的闪电数据具有精准性、连续性（毫秒级）、实时性（秒级）等特点。

3 雷电定位系统在防雷业务中的应用

3.1 雷电定位系统在雷电预报预警中的应用

通过雷电定位系统，实时获取雷电观测数据，结合雷达、卫星等其他观测资料和数值模式产品，将雷电区域内的雷达图像分解，结合雷电定位资料，追踪雷电的时空变化，最后将这一变化按指数趋势对未来状态进行描述。将描述性的指标按超前时间重新组合，形成特定区域的雷电预报。使用雷达、闪电定位资料估计雷电区域移动轨迹，并利用统计、外推、决策树等方法，综合利用雷电定位资料、新一代天气雷达资料和其他相关资料，建立关于闪电影响时间、强度、移向等的临近预报方程和模型，实现雷电临近预警的客观化、定量化、精细化（图3）[8]。

3.2 雷电定位系统在雷击风险评估中的应用

随着广西雷电定位系统的运行，将雷电定位系统的雷电资料充分运用到雷击风险评估中，主要是雷电数据的采集与分析。地闪密度过去一直无法通过人工观测获得，我国规程采用的是刘继等人在20世纪60年代对35～220 V共9 400 km/a架空线路雷电灾害事故统计得出的地面年落雷密度与雷电日的经验表达式，即：Ng=0.023Td13次/（km2·a）[9]，其中Ng表示落雷密度，Td表示雷电日。而雷电日是气象观测站人工观测的结果，人工观测到的雷电出现范围仅限于20～30 km，超过30 km范围出现的落雷就记录不到[10]。而该雷电定位系统ADTD？鄄2C型闪电定位仪能够直接统计出1 km×1 km网格的地闪网需电密度。地闪电密度再也不受人工观测资料不准确等因素的限制和经验公式的约束，数据将更真实可靠。

雷电定位系统能够监测到发生行政区域内90%以上的地闪，并能记录雷电流幅值及其陡度，通过编写雷电流查询的小程序能够清晰地掌握雷电流强度的分布、最大雷电流，得出雷击风险评估项目所在地雷电活动的特点[11]。此外，将可以根据雷电定位系统历年来的雷电数据，统计出雷击风险评估项目所在地的最大雷电流、正负地闪平均强度、地闪平均强度几个典型的雷电流数值，用来计算被保护物体被直接雷击时流过引下线的雷电流及其周围磁场强度估算值，然后根据《电子计算机场地通用规范》（GB/T2887-2000）机房内磁场干扰场强不大于800 A/m的要求，计算出机房屏蔽网格最小宽度和安全距离估算值，以及电源系统雷击过电流估算，同时考虑到由感应环路产生的感应电流，将各级SPD的通流量加上约10%的安全裕量，则设计出各级SPD的通流量。GPS定位仪测出雷击风险评估项目所在地的经纬度，然后根据雷电定位系统资料统计出上一年该项目所在地10 km范围内的雷电数据，一年来所有的雷闪点、闪击时间、雷电强度、陡度等均清断地显示在实际的地形图上，极大地加强了雷击风险评估数据的真实性与可靠性，为防雷设计提供科学的指导意见

3.3 雷电定位系统在雷电灾害调查与鉴定中的应用

雷电定位系统能够监测到地闪的地点和时间，为雷灾的分析与判断提供了依据，可应用于雷电灾害调查与鉴定[12]。

2018年8月4日11：00左右，三江侗族自治县富禄苗族乡高安村村民韦奶连（女，46岁）及其女儿韦艳琼（26岁）遭受雷击身亡。接到事故报告后，利用GPS定位仪测得事故现场位于109.235° E，25.732° N。

ADTD闪电定位监测系统监测显示：2018年8月4日08：00—12：00，三江侗族自治县境内共发生闪电14次，发生区域主要集中在县城中部、南部地区，发生的时间主要集中在10：00—11：00之间。事故发生地点半径5 000 m范围内共监测到闪电1次，发生时间为8月4日10：52，为负地闪，强度为126.2 kA，位于事故发生点偏北方约362 m处。

雷电定位系统ADTD？鄄2C型闪电定位仪理论误差一般在1 km，以及GPS存在一定的定位误差，因此可以认定雷电定位系统监测到的雷击数据与该雷击事故的时空分布基本吻合，并排除其他原因造成设备损坏的可能性，故鉴定此次事故是由雷击引起。

3.4 雷电监测在防雷检测工作中的应用

在对年度检测单位进行常规检测时，还要根据価电监测资料，结合该单位的地理、地貌、土质和雷电环境情况，为其制定防雷减灾注意事项，通过对雷电实时监测记录的雷电强度、雷电密度等参数的分析，为这些单位在雷雨季节提出针对性的保护措施。

（1）通过监测雷电在电网、主要通讯线路、微波站、无线通讯基站附近的活动情况，及时抢修雷击故障点，并根据雷电活动统计结果，对雷电活动较频繁区域的电网线路、微波站、无线通讯基站进行重点防雷维护。

（2）通过监测到的民航航线、机场附近、高速公路、电气化铁路附近雷电活动情况，提供安全指导意见，加强防雷装置特别是通信系统的防护措施。

（3）通过对输油、输气管道、油站（库）、气站（库）及泵站附近雷电监测资料的整理分析，特别是对这些场所雷电活动情况的实地勘察，提供安全指导意见及详细的防护措施建议。

4 结语

雷电活动是随机的，但也有其形成机理，通过对雷电定位系统资料的积累和剖析，可以对某一区域内闪电频数、强度、时空分布及极性有一个概括性的认识，据此对该区域的防雷减灾提出科学规划，为雷击风险评估和防雷检测提供科学依据。雷电灾害鉴定的实时性要求高，要求及时提供准确的雷击位置及发生时间，判定结果要客观公正。雷电定位系统能准确记录雷击位置、时间及强度，在雷电灾害调查与鉴定中发挥着重要作用，为雷电灾害的分析与判断提供了有力的依据，具有重大的实际应用价值。

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责任编辑：李杨