农业雷电防护技术建设研究

胡 旻

陕西省突发事件预警信息发布中心，陕西西安 710014

设施农业是指利用各种基础设施建设为农作物生产创造良好环境的生产作业方式，该作业模式包含了机械装置、信息化管理和自动控制等模块，是现代化农业发展的关键。目前，我国的东北地区已经开始广泛应用设施农业，且取得了可观的经济效益。但同时该生产模式的问题也开始凸显。设施农业对场地的要求较高，一般选择高位置或者宽阔区域作为主要的生产场地，这类区域遭遇雷击灾害的风险较大，不仅农田、牧场面临被雷击的威胁，甚至设施装置也极易被雷电灾害破坏。故需要研究如何建设雷电防护体系，为设施农业的稳定运行提供有力保护。

1 防雷工作开展对农业生产的意义

我国是农业大国，农业是国民经济发展和建设中的支柱产业，农业发展决定了民生发展。相比于工业和第三产业，农业种植受外界因素的影响更深，天气、环境等因素都会影响到农业生产效益。在众多影响因素中，雷电活动的发生概率较低，但影响较大，一旦发生雷击灾害，农地面临不仅仅是作物损毁或者设施损坏等经济层面的损失，甚至会威胁到农业从业者的人身安全[1]。

在农业现代化发展的大背景下，不少先进技术被应用于农业生产，如电子传感器、测量设备和自动化系统等，这些设备提升了农业生产效率，提高了农业经济效益，但同时也产生了安全隐患。设施农业中常用到的电子传感器和自动化系统等都属于弱电系统，且设施农业出于容纳各类设备设施的需要，选择在广阔范围内分散布设，这又加大了遭受雷电灾害的风险，也增加了人员在作业中的风险。出于保护从业者安全和加快农业经济发展速度的需要，针对农业行业开展防雷工作就被赋予了重大意义。

雷电活动的预防一般是根据采集的天气信息进行分析后传递到相应的端口，如各种网络平台或者手机APP，相关人员从网页或者手机中接收到天气信息后，根据风向、气压和温湿度等信息判断雷击灾害发生的可能性，并做好防雷部署，减少自然灾害对农地带来的不良影响，确保农业的高效生产。在新时期中，农业现代化转型正在快速推进，设施农业的大面积推广也促使相关单位进一步加强农业防雷措施的制定[2]。因此，如何提高雷电防护水平，是当前农业发展中必须思考和认真对待的问题。

2 雷电灾害设施农业的影响

雷电活动对农业的灾害影响分为直接影响和间接影响2种。直接影响是指直击雷对农田产生的灾害影响。直击雷在不需要介质的情况下直接击中建筑物或者各类设备，会由此引发强烈的电效应和热效应，电、热效应作用在农业设备上，就会引起设备短路、损坏等[3]。具体而言，直击雷击中设施农业的各类设备与装置时，自身蕴含的巨大能量会在装置内引发热效应，出现短路或者燃烧，如果没有及时处理，会演变成火灾事故，最终给农业设施和附近区域带来严重危害。例如，2018年发生于四川南部县的水田雷击事件，由于农田空旷，农民在其中位于区域高点，不幸导致了人员伤亡。同样，在农田中的设施设备，由于相对周边的作物有更高的水平面，极易突出成为农地的高点，也就增加了被雷击的风险。

间接影响是指雷击电磁脉冲影响，当建筑物或设备遭受雷击时，雷电流会沿系统中的防雷装置的各分支导体流入大地，流过分支导体的雷电流会在系统内部空间产生暂态脉冲电磁场，脉冲电磁场交连不同空间的导体回路，会在这些回路中感应出过电压和过电流，导致设备接口损坏。雷电流产生的暂态脉冲电磁场不仅能在配电线路中感应过电压和过电流，还能在设备之间的通信线路中感应出过电压和过电流。过强的雷击电磁脉冲会对建筑物、人体和各种电气设备及线路造成不同程度的危害。

3 农业防雷技术的设计

3.1 接地设计

结合农业防雷的需要，应为设施农业设计防雷接地机制，防雷接地的原理是在雷击发生时，依靠接地装置将雷电流引入大地，以此减小雷电流对设施农业的破坏，但如果因为土壤电阻率太高，就会影响雷电流的泄放效率，设备运行的安全也难以得到保障。所以在防雷接地系统设计中，土壤电阻率问题要尤为注意，电阻率越低，才越有利于雷电流泄放，降低雷电灾害事故对设施农业的损害[5]。

在设计防雷接地系统时需要注意地区环境，如果没有结合实地情况针对性进行接地设计，就很可能出现接地设计无法满足农田安全需求的情况，这种设计会导致接地装置无法将雷电流引入大地，当雷击发生时，接闪杆、塔的电位会上升，进而产生电位差，导致设备出现雷击事故，影响农户的人身财产安全。

农田的位置一般位于河岸、平原或者山坡等区域，这些区域的水源充足、土地肥沃，适于作物种植，但同时也是雷击活动的高发区，因此防控的难度较大，如果接地设计不恰当，会直接损害农业设施，给从业者造成经济损失。故在设计接地方式，如何选择合适的接地方案是一个关键性要素，当雷击发生时，设施农业的设备线路中的低阻抗线路就会出现巨大的电位差，让绝缘子等防雷装置产生闪络问题，尤其是当设施农业位于高位置等雷击易发的区域时，发生击穿现象的概率和出现设备故障的可能性也更大，所以在设计接地方案时，要考虑到该地区的雷电发生频率，通过恰当的接地设计避免雷击问题威胁农户的生命与财产安全。

3.2 材料选择

接地材料的选择也是防雷接地设计中需要考虑的重点，合理的材料运用才能发挥出理想的雷电流传导效果，将雷击危害控制在最低。常用的接地材料有热镀锌钢、铜包钢和镀镍铜包钢等，不同的材料在应用于接地系统时所采取的方法也不同，根据材料特性，选择与之匹配的方案才能让接地系统的雷电流传导效果发挥到最佳[6]。

因为农地的雷电活动发生概率较高，频繁的雷击会增加电涌保护器的运作负荷，影响到电涌保护器的正常运作。在设计防雷机制时，可以额外在设备的供电导线下加装耦合地线，这条耦合地线的作用是为了让接闪杆和接闪线能实现耦合和分流，让接地电阻得到控制和降低，避免传导不畅。除了增设耦合地线的做法，也可以在杆塔的顶部加装一条单独的接闪线，当雷电灾害事故发生时，农田可以依靠接闪线将雷电导入引下线，避免雷电击中现场的设施设备，提高农田对雷电灾害事故的抵抗能力。

针对接闪线的具体设计，其设计目的始终是围绕有效转移雷电流，将雷电流导入大地而展开。导入的效果越好，各类设备设施被击穿的概率越低，发生线路跳闸的概率越少，设备的使用寿命越长，农业效益越高。接闪线的铺设位置一般设置在导线上部，但如果线路密度过大，就要进行静电屏蔽分流。同时，也要注意绝缘子的材料性能和特点，目前市场上常见的绝缘子有陶瓷、有机合成、玻璃3类，陶瓷和玻璃的绝缘性能良好，但材质的脆性大，被击穿的概率较高，农田属于雷电灾害频繁的区域，极易因为击穿而发生不可逆的问题，因此选用陶瓷和玻璃的效果并不理想，且容易增加农户的防雷成本。有机合成类的绝缘子虽然绝缘性能较弱，但抗击穿能力要优于陶瓷类和玻璃类绝缘子，出于成本和安全性考虑，在农田这种雷电灾害频发的地段，使用有机合成类绝缘子要比陶瓷类绝缘子和玻璃类绝缘子更合理。

不同的接地材料，其接地方式也不同，采用热镀锌角钢和热镀锌圆钢作为接地材料时，角钢的垂直埋设深度必须大于0.5 m，角钢之间的水平间隔必须在4 m以上。采用铜包钢与镀镍铜包钢作为接地材料时，需要采用地基套筒的做法一根一根依次打入，这是因为铜包钢与镀镍铜包钢对场地条件的要求较为苛刻，限制条件较多，因此只能在一些特殊环境中使用。

3.3 电阻控制

土壤电阻率和防雷设备的防雷电效果呈反比，土壤电阻率越高，防雷设备的防雷电效果越差，而土壤电阻率越低，则防雷设备的防雷电效果越好。故防雷电系统的设计需以降低土壤电阻率为目标。降阻设备需要埋设于30.0～40.0 cm的地下土层中，其自身带有半圆筒，具备相应的渗水和蓄水的能力[7]。设备埋设到土层中后，若空气湿度低不能满足雷电形成的天气，则半圆筒内就没有蓄水，一般在下雨时，半圆筒中的积水如果符合接地电阻运行的标准后，就会立即将接地体两端导线相连接，直接作用于接地体回填土，使土壤湿度增大、扩大接地体面积，从而降低防雷装置的接地电阻值，提高设备的防雷效果，使设施农业的防雷设备更有效地抵御雷击。

相关单位还要借助传感器和信号调理技术，得到设施农业设备结构、设施农业设备系统等运行状态下的监测信息。另外，还借助于电子系统嵌入式测试技术，逐步构建更加完善的芯片级、电路板级、设备及系统级的立体化监测体系，有效掌握设施农业中各类设备设施的具体运行信息，为设施农业雷电灾害诊断工作和健康管理工作提高更好的技术支持，并及时将信息传导给农户，保证设备设施的及时更换和维护。

对于传感器和嵌入式测试数据，应实施数字化处理，重点针对数据格式统一化、数据交换和数据融合等相关问题进行研究。其中主要涉及 模数转换、噪声抑制和滤波压缩等相关核心技术；探讨数据融合挖掘的具体措施，借助统一化的数据格式实现数据交换和存储，从而更加便捷地进行数据到信息的过滤。针对机械和动力传动系统，如各类农机设备数据信息的整理收集，源于设施农业设备结构、设施农业设备系统的相关信息，对监测信息实施统一集中分析，最终利用统一标准的格式有效融合相关数据。对电子系统来说，获取到源于电路板以及设备、分析其监测数据，通过统一标准的格式构建更加全面系统的信息数据库，从而对雷电灾害预测与安全生产管理带来充足的信息支持。

3.4 技术推广

第一种是政府部门与气象部门的结合模式，在最大化发挥政府优势的情况下使防雷技术得以顺利规范的推广，并借助各个气象部门的力量进一步提高设施农业防雷水平，这种模式的优势在于避免遭受市场风险。第二种是相关企业、政府部门与合作社的结合的“三位一体”推广模式，建立三者之间的联系并合理利用三者之间的相互促进作用，让企业参与到防雷设备的生产和输送中，由政府或者合作社统一向某企业购买防雷设备，减轻农户的经济负担，同时提高售后保障质量。面临多个防雷技术的取舍问题时，应选择防雷效果好、使用寿命长的技术，政府部门为企业发展提供资金支持，企业也要与合作社签订生产协议。在乡村振兴战略背景下就要选择更加高效且具有实际发展意义的推广模式，充分发挥政府监督职能，助力企业积极引领，激励农民热情参与。

此外，防雷技术在实际推广过程中要立足于当地产业现状，从全局角度出发做好综合布局，确保地区农业的可持续性、循环性发展，政府要关注基础资源保障问题，如制度、资源和资金投入等，通过网络平台实行一站式行政审批服务，有效提高技术应用的便捷性。安全性、可靠性是防雷技术应用首要检验的2项指标，对此可拓展更多便捷的检验渠道；巧用政府平台力量推进防雷技术宣传工作，以政府部门为主，当地媒体为辅，拓宽防雷信息宣传面，加深基层群众对防雷安全的认识。

无论何种先进的防雷技术，其价值的体现都要通过应用实现，从科技成果转化再到科技成果入户，真正地将科技应用到每位基层种植户。各地政府部门要立足于设施农业发展现状合理安排防雷技术人员，在确定防雷推广任务的前提下量化任务，以此保证工作质量。科技入户管理离不开完整的绩效考核制度的激励作用，奖惩有度的考核能够强化防雷技术推广人员的工作态度和责任感。

4 结束语

我国农业经济在快速发展，现代化农业转型也越发迫切，由此带来的雷击灾害事故也成为发展中要重点思考和防御的问题。农田由于场地宽阔，水平面高，形成区域高点的概率较大，也比一般设施农业更易遭遇雷电灾害。雷电灾害问题的发生不仅会影响农业效益，还会危及从业者的人身安全，造成严重的雷电灾害。目前主要的防雷手段是通过气象预警，向从业人员发布雷击预警信息，督促从业者自行进行防雷安全预防工作。但该方法的不可控性过大，加之从业者的个人水平参差不齐，难以保障所有从业者都能及时应对雷击事故。故提出加强防雷技术建设，在农地设立现代化的防雷设备，以此提高农业产业的雷电防护能力，通过接闪杆、接闪线的布置，以及更先进传感器的引入，提高农地对雷电活动的预防能力，最大限度地降低雷电活动带来的危害，保证农业生产的安全进行。