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【摘 要】新型雷电预警系统，通过测量大气电场强度，实现对雷暴全过程的检测和预警。探头的电子式设计，弥补了传统场磨式的不足。在实际应用中，电子式探测仪有效地完成了雷电预警的功能。证明了新型雷电预警系统在储油罐区应用的可行性。
【关键词】电子式；大气电场；雷电预警；储油罐区
前言
随着科学技术的发展，特别是电子计算机和微电子设备的广泛应用以及计算机网络的普及，雷电造成的灾害程度和范围日益扩大，对各行各业造成极大破坏，经济损失急剧增加。雷电，已被联合国国际减灾委员会确定为对人类造成最严重危害的十大自然灾害之一，并被国际电工委员会（IEC）确定为“电子化时代的一大公害”。 我国也是世界上雷暴日次数最多的国家。根据气象部门的统计资料近年来我国的雷电灾害呈增多趋势，已成为危害程度仅次于暴雨洪涝、气象地质灾害的第三大气象灾害。
从1989年8月的青岛市黄岛油库遭雷击起火，到2011年11月的大连大港集团油品码头两个十万吨级原油罐因雷击密封圈着火，雷电对石化行业所造成的损失和影响逐年增大。各类油库、储油罐区遭雷击的事故也越来越频繁。轻微者，造成电子设备的损坏，严重者，有可能会引起火灾及人员伤亡。因此，在做好直击雷防护，接地和浪涌保护的基础上，采用雷电预警系统是目前世界公认的能大幅降低储油罐区雷击事故的有效措施。
1 主动式雷电预警
随着雷电灾害的不断增加，越来越多的单位、集体以及各类组织开始意识到雷电防护的重要性，并且在实际工作中，采用了完善的雷电保护措施，如避雷针、接地系统、浪涌保护系统。这些雷电保护设备、系统都是遵循着为雷电流提供快速可靠泄放途径的原理来设计使用，它们都是在雷电来临之后才有机会进行防护，因此我们把这些设备或系统称之为被动式雷电保护。
然而，在很多情况下，以上所述的被动式雷动保护即使设计的再标准，也无法做到最全面的保护，每年依然有大量的雷电灾害损失产生。甚至，在一些特殊场合，无法采用被动式的雷电保护（例如，大面积的户外活动场所）。
因此，处于对重点单位，部门的防护等级提升的需求，在最新的欧洲标准EN50536中（IEC相关标准正在制订讨论中），提出了一个全新的概念____预防性保护：即，提前探测雷电的活动趋势，在精确的时间范围内，对特定的区域提供雷电预警信息，以便提前采取相应的雷电灾害预防性措施，从而便于用户提高防护等级，减少生命财产损失，提升管理水平。
需要注意的是，雷电预防性保护并不是用来替代传统被动式雷电保护，而是一种提升保护等级的补充措施，尤其适合石油石化、电力、通信、交通等防护等级要求较高的场所。
2 新型雷电预警系统
为了满足雷电本地预警的需求，人们通过测量附近及本地雷暴所引起的电场值的变化，实现对雷电全过程的监测。在市面上我们将这类产品称为雷电预警仪（或雷电探测仪）。
市面上大部分的雷电预警仪产品，都是场磨式（机械式）的， 其传感装置主要由定片（感应片，又称定子）、动片（接地屏蔽片，又称转子）、直流电机、前置放大器、同步信号发生器等部分组成，当动片旋转时，使定片交替地暴露在电场中或被接地屏蔽片所遮挡，使两个测量回路中的信号发生方向相反（大小相等）的变化，导致一个回路的感应电流增加，另一个回路的感应电流减小，从而产生交变的差动输出信号。定片上的感应电荷Q（t）为时间的函数，其值与外界电场强度E成正比：
Q（t） = -ε0EA（t）
式中：ε0为自由空间介电常数，一般取ε0=8.754pF/m；A（t）为定子的表面积；E的方向指向动片时为正。
这种机械传感装置，其旋转电机需要全天24小时不间断工作来实现测量，如图1所示，如果电机因为故障、损坏等原因停止运转，那么传感装置将无法再提供正常的服务。而且，安装位置不灵活，需要现场校准，探头受海拔及其他环境因素的影响。同时，为了减少测量的误差，该类装置的部分元件还必须进行定期的清洗和维护。如果在恶劣的环境下，有必要进行更频繁的清洗。
为了解决场磨式雷电探测仪所存在的问题，市面上已经出现了采用电子式探测方式的雷电预警仪。这种新型的雷电预警仪，利用一个电子传感装置取代机械传感装置，摒弃了传统场磨式的不足之处，采用了纯电子式的传感装置，传感探头封闭式构造，没有任何可移动或机械部件，从而无需任何特别的维护和保养。
电子传感装置主要由导电元件、运算放大器和电控装置等部分组成，利用差分测量的方式对探头外部的大气电场值进行测量。
电子传感装置与场磨式的机械传感装置相比，尺寸更小，安装更方便，寿命也更长。由于是差分测量的方式，所以不受海拔及安装高度的影响，因而无需针对不同的海拔及安装高度对设备进行调校。
3 新型雷电预警系统针对储油罐区的技术特点
在上文中我们说到新型雷电预警系统采用了全电子式的探测方式，无任何可移动或机械部件，无需特别的维护和保养。针对储油罐区，新型雷电预警系统需有以下技术特点。
3.1 全封闭设计，耐腐蚀性强
储油罐区一般处于开阔区域，气候情况较为复杂，尤其是沿海地区，常位于高盐，高腐蚀环境中。全封闭设计确保了探头在各种环境下均能保持良好的工作性能。
3.2 免维护，使用寿命长
全电子式探头确保设备无需任何定期维护和清洗，保证了设备的连续工作性能，极大的提高了系统的可靠性和稳定性。对于大型储油罐区，避免了频繁维护带来的额外工作量，保证了365天，24小时连续工作的高等级防护需求。
3.3 安装调试操作简便
在默认设置下，不需任何人员操作分析，程序可自动完成所有数据分析处理工作并自动发出相应的报警。设备主机系统可安放在库区的消防泵站内，由消防监控人员管理。 3.4 实现自动控制
备有继电输出（常开，常闭，通用） 控制命令，实现设备的自动控制。
3.5 远程设置及监控
备有以太网输出，可通过网络或直接连接客户端电脑，实现设备的远程设置和监控。针对储油基地场地较大的特点，各区域均可通过客户端PC实时检查预警级别和大气电场活动趋势，便于灵活掌握预警状态，提高安全等级。
3.6 无干扰
电子式传感装置没有任何干扰或信号发射，不会对油库内的各类电气电子设备产生任何影响。
4 新型雷电预警系统在储油罐区的实际案例分析
图1为一次完整的雷击时序图，从图中可以清晰看出雷暴活动对大气电场强度变化的影响，根据该时序图，结合具体的应用情况，可以分析新型雷电预警系统在储油罐区的应用效果。
图1 一次完整雷击时序图
电子式雷电预警仪安装也很简单，一般将电子探头安装在罐区的消防中心楼顶，主机安装在消防中心监控室内，主机与探头通过电缆连接，实现对探头的供电。
通过全封闭式的电子探头测量周围大气的电场值，并实时反馈到主机，通过主机可以观测电场值的变化，记录相关数据，并通过软件设置报警。下面主要根据2013年8月22日该探头采集的相关数据，来具体验证和检验新型雷电预警系统在储油罐区的作用。
如图2所示，晴天无云天气时，电场值始终围绕0坐标上下微动，可以看出当时所在地地面电场值变化不大（600V/m以内），基本没有带电云层的电荷扰动。
图2 2013年8月22日0时至23时电场值折线图
2013年8月22日晚上11点20分左右，该储油罐区附近出现了一次雷暴天气，整个雷暴过程一直持续到8月23日凌晨0点30分，下面根据雷电预警系统的探测数据，进行具体的分析解读，如图3所示。
图3 2013年8月22日23时至次日0时40分电场值折线图
从图中电场值变化的过程来，从23时至23时10分内，大气电场值一直在小范围内波动，属于雷云形成阶段。23时10分开始，电场值大小在短时间内逐渐增强，开始触发预警信号，至23时21分首次雷击，电场值大小已升高至9000V/m，随后发生了多次雷击。整个雷暴过程中，电场值大小最高曾达到18848V/m。23日凌晨0时32分开始，电场值大小急剧减少，1000V/m大小内趋于平稳，雷击减弱。0时40分后，电场值大小恢复正常，雷云消退，雷暴活动结束。预警信息是按当天某一雷电连续发生，从开始报警到自动解除终了这一整个时间段为一次。为了获得足够的预警效果，按三个等级划分预警信息，第一等级，主要是提示消防泵房操作人员注意；第二等级，将提供进一步确定雷电存在的信息；第三等级，告知强雷电将至罐区，将激活自动操作系统，并转告其它重要岗位人员引起重视，注意监控和观察储油罐的情况，做好安全应急准备。当场强降到门限场强水平以下时，警报将自动解除。经过一个月左右时间的调试磨合，电子式雷电预警系统成功预警6次，该地区雷电信息无一漏报，储油罐区防雷监视效果显著。
5 结语
从上述实验结果来看，对于储油罐区，新型雷电预警系统起到了很好的雷电预警作用，通过主机中软件的观测和分析可以很好地对大气电场的实时变化进行有效的测量，一定程度上可以提前数十分钟对闪电进行预警，这很好地说明了电子式探测仪的设计，及其在雷电预警中的应用是可行而有效的。如果采用降低报警电场值或者加大预警仪的布控范围进行预警仪组网等方法，预警的时间可以近一步延长，这需要根据实际环境经过多次实验验证和数据积累。
参考文献：
[1]杨扬，谢静蓉等.大型储油罐区防雷方式及测雷预警安全措施[J].油气储运，2009 （4）.
[2]蔡仁刚.电磁兼容原理、设计与预测技术[M].北京航空航天大学出版社，1997.
[3]周毅，赵晓刚等.石油库大型储罐的综合防雷[J].石油工程建设，2012（1）.
[4]宋欣，王克奇等.场磨式电场仪在雷电预警中的研究与应用[J].自动化与仪表，2011（2）.
【关键词】电子式；大气电场；雷电预警；储油罐区
前言
随着科学技术的发展，特别是电子计算机和微电子设备的广泛应用以及计算机网络的普及，雷电造成的灾害程度和范围日益扩大，对各行各业造成极大破坏，经济损失急剧增加。雷电，已被联合国国际减灾委员会确定为对人类造成最严重危害的十大自然灾害之一，并被国际电工委员会（IEC）确定为“电子化时代的一大公害”。 我国也是世界上雷暴日次数最多的国家。根据气象部门的统计资料近年来我国的雷电灾害呈增多趋势，已成为危害程度仅次于暴雨洪涝、气象地质灾害的第三大气象灾害。
从1989年8月的青岛市黄岛油库遭雷击起火，到2011年11月的大连大港集团油品码头两个十万吨级原油罐因雷击密封圈着火，雷电对石化行业所造成的损失和影响逐年增大。各类油库、储油罐区遭雷击的事故也越来越频繁。轻微者，造成电子设备的损坏，严重者，有可能会引起火灾及人员伤亡。因此，在做好直击雷防护，接地和浪涌保护的基础上，采用雷电预警系统是目前世界公认的能大幅降低储油罐区雷击事故的有效措施。
1 主动式雷电预警
随着雷电灾害的不断增加，越来越多的单位、集体以及各类组织开始意识到雷电防护的重要性，并且在实际工作中，采用了完善的雷电保护措施，如避雷针、接地系统、浪涌保护系统。这些雷电保护设备、系统都是遵循着为雷电流提供快速可靠泄放途径的原理来设计使用，它们都是在雷电来临之后才有机会进行防护，因此我们把这些设备或系统称之为被动式雷电保护。
然而，在很多情况下，以上所述的被动式雷动保护即使设计的再标准，也无法做到最全面的保护，每年依然有大量的雷电灾害损失产生。甚至，在一些特殊场合，无法采用被动式的雷电保护（例如，大面积的户外活动场所）。
因此，处于对重点单位，部门的防护等级提升的需求，在最新的欧洲标准EN50536中（IEC相关标准正在制订讨论中），提出了一个全新的概念____预防性保护：即，提前探测雷电的活动趋势，在精确的时间范围内，对特定的区域提供雷电预警信息，以便提前采取相应的雷电灾害预防性措施，从而便于用户提高防护等级，减少生命财产损失，提升管理水平。
需要注意的是，雷电预防性保护并不是用来替代传统被动式雷电保护，而是一种提升保护等级的补充措施，尤其适合石油石化、电力、通信、交通等防护等级要求较高的场所。
2 新型雷电预警系统
为了满足雷电本地预警的需求，人们通过测量附近及本地雷暴所引起的电场值的变化，实现对雷电全过程的监测。在市面上我们将这类产品称为雷电预警仪（或雷电探测仪）。
市面上大部分的雷电预警仪产品，都是场磨式（机械式）的， 其传感装置主要由定片（感应片，又称定子）、动片（接地屏蔽片，又称转子）、直流电机、前置放大器、同步信号发生器等部分组成，当动片旋转时，使定片交替地暴露在电场中或被接地屏蔽片所遮挡，使两个测量回路中的信号发生方向相反（大小相等）的变化，导致一个回路的感应电流增加，另一个回路的感应电流减小，从而产生交变的差动输出信号。定片上的感应电荷Q（t）为时间的函数，其值与外界电场强度E成正比：
Q（t） = -ε0EA（t）
式中：ε0为自由空间介电常数，一般取ε0=8.754pF/m；A（t）为定子的表面积；E的方向指向动片时为正。
这种机械传感装置，其旋转电机需要全天24小时不间断工作来实现测量，如图1所示，如果电机因为故障、损坏等原因停止运转，那么传感装置将无法再提供正常的服务。而且，安装位置不灵活，需要现场校准，探头受海拔及其他环境因素的影响。同时，为了减少测量的误差，该类装置的部分元件还必须进行定期的清洗和维护。如果在恶劣的环境下，有必要进行更频繁的清洗。
为了解决场磨式雷电探测仪所存在的问题，市面上已经出现了采用电子式探测方式的雷电预警仪。这种新型的雷电预警仪，利用一个电子传感装置取代机械传感装置，摒弃了传统场磨式的不足之处，采用了纯电子式的传感装置，传感探头封闭式构造，没有任何可移动或机械部件，从而无需任何特别的维护和保养。
电子传感装置主要由导电元件、运算放大器和电控装置等部分组成，利用差分测量的方式对探头外部的大气电场值进行测量。
电子传感装置与场磨式的机械传感装置相比，尺寸更小，安装更方便，寿命也更长。由于是差分测量的方式，所以不受海拔及安装高度的影响，因而无需针对不同的海拔及安装高度对设备进行调校。
3 新型雷电预警系统针对储油罐区的技术特点
在上文中我们说到新型雷电预警系统采用了全电子式的探测方式，无任何可移动或机械部件，无需特别的维护和保养。针对储油罐区，新型雷电预警系统需有以下技术特点。
3.1 全封闭设计，耐腐蚀性强
储油罐区一般处于开阔区域，气候情况较为复杂，尤其是沿海地区，常位于高盐，高腐蚀环境中。全封闭设计确保了探头在各种环境下均能保持良好的工作性能。
3.2 免维护，使用寿命长
全电子式探头确保设备无需任何定期维护和清洗，保证了设备的连续工作性能，极大的提高了系统的可靠性和稳定性。对于大型储油罐区，避免了频繁维护带来的额外工作量，保证了365天，24小时连续工作的高等级防护需求。
3.3 安装调试操作简便
在默认设置下，不需任何人员操作分析，程序可自动完成所有数据分析处理工作并自动发出相应的报警。设备主机系统可安放在库区的消防泵站内，由消防监控人员管理。 3.4 实现自动控制
备有继电输出（常开，常闭，通用） 控制命令，实现设备的自动控制。
3.5 远程设置及监控
备有以太网输出，可通过网络或直接连接客户端电脑，实现设备的远程设置和监控。针对储油基地场地较大的特点，各区域均可通过客户端PC实时检查预警级别和大气电场活动趋势，便于灵活掌握预警状态，提高安全等级。
3.6 无干扰
电子式传感装置没有任何干扰或信号发射，不会对油库内的各类电气电子设备产生任何影响。
4 新型雷电预警系统在储油罐区的实际案例分析
图1为一次完整的雷击时序图，从图中可以清晰看出雷暴活动对大气电场强度变化的影响，根据该时序图，结合具体的应用情况，可以分析新型雷电预警系统在储油罐区的应用效果。
图1 一次完整雷击时序图
电子式雷电预警仪安装也很简单，一般将电子探头安装在罐区的消防中心楼顶，主机安装在消防中心监控室内，主机与探头通过电缆连接，实现对探头的供电。
通过全封闭式的电子探头测量周围大气的电场值，并实时反馈到主机，通过主机可以观测电场值的变化，记录相关数据，并通过软件设置报警。下面主要根据2013年8月22日该探头采集的相关数据，来具体验证和检验新型雷电预警系统在储油罐区的作用。
如图2所示，晴天无云天气时，电场值始终围绕0坐标上下微动，可以看出当时所在地地面电场值变化不大（600V/m以内），基本没有带电云层的电荷扰动。
图2 2013年8月22日0时至23时电场值折线图
2013年8月22日晚上11点20分左右，该储油罐区附近出现了一次雷暴天气，整个雷暴过程一直持续到8月23日凌晨0点30分，下面根据雷电预警系统的探测数据，进行具体的分析解读，如图3所示。
图3 2013年8月22日23时至次日0时40分电场值折线图
从图中电场值变化的过程来，从23时至23时10分内，大气电场值一直在小范围内波动，属于雷云形成阶段。23时10分开始，电场值大小在短时间内逐渐增强，开始触发预警信号，至23时21分首次雷击，电场值大小已升高至9000V/m，随后发生了多次雷击。整个雷暴过程中，电场值大小最高曾达到18848V/m。23日凌晨0时32分开始，电场值大小急剧减少，1000V/m大小内趋于平稳，雷击减弱。0时40分后，电场值大小恢复正常，雷云消退，雷暴活动结束。预警信息是按当天某一雷电连续发生，从开始报警到自动解除终了这一整个时间段为一次。为了获得足够的预警效果，按三个等级划分预警信息，第一等级，主要是提示消防泵房操作人员注意；第二等级，将提供进一步确定雷电存在的信息；第三等级，告知强雷电将至罐区，将激活自动操作系统，并转告其它重要岗位人员引起重视，注意监控和观察储油罐的情况，做好安全应急准备。当场强降到门限场强水平以下时，警报将自动解除。经过一个月左右时间的调试磨合，电子式雷电预警系统成功预警6次，该地区雷电信息无一漏报，储油罐区防雷监视效果显著。
5 结语
从上述实验结果来看，对于储油罐区，新型雷电预警系统起到了很好的雷电预警作用，通过主机中软件的观测和分析可以很好地对大气电场的实时变化进行有效的测量，一定程度上可以提前数十分钟对闪电进行预警，这很好地说明了电子式探测仪的设计，及其在雷电预警中的应用是可行而有效的。如果采用降低报警电场值或者加大预警仪的布控范围进行预警仪组网等方法，预警的时间可以近一步延长，这需要根据实际环境经过多次实验验证和数据积累。
参考文献：
[1]杨扬，谢静蓉等.大型储油罐区防雷方式及测雷预警安全措施[J].油气储运，2009 （4）.
[2]蔡仁刚.电磁兼容原理、设计与预测技术[M].北京航空航天大学出版社，1997.
[3]周毅，赵晓刚等.石油库大型储罐的综合防雷[J].石油工程建设，2012（1）.
[4]宋欣，王克奇等.场磨式电场仪在雷电预警中的研究与应用[J].自动化与仪表，2011（2）.