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摘要通过对电子设备防雷需求的计算，确定大气电场仪应有的探测距离；通过对几种情况下大气电场的分析、计算，结合大气电场仪的探测原理及探测公式，确定大气电场仪的探测距离，并对其进行分析。通过对大气电场仪探测距离和电子设备防雷需求的预警距离对比，得出单站式大气电场仪应根据使用者的需求，降低探测距离，提高探测准确度。
关键词单站式；大气电场仪；防雷；探测距离；探测准确度
中图分类号S16文献标识码
A文章编号0517-6611（2015）21-222-03
雷电监测与预警系统在国外早已应用，如美国等建立国家雷电监测网（NLDN，National Lightning Detection Network），多种探测仪器相结合捕捉雷电信息，对雷电的监测取得了较好的成果[1-2]。我国自动雷电监测系统的建设始于20世纪80年代，目前已完成全国闪电定位网的建设[3]。山东省气象局于2006年建成了雷电监测系统，根据时差定位原理，采用高精度授时型GPS定时，可以得到闪电每一个回击的全部信息[4]。这是在大范围内开展的雷电预警工作。大型企业利用单站式大气电场仪，为企业内部提供精细化的雷电预警工作还没有开展。根据具体需求情况，确定大气电场仪的探测距离与预警时间是开展这项工作的技术基础。笔者在此通过对大气电场仪探测距离和电子设备防雷需求的预警距离对比，对单站式大气电场仪探测距离进行分析。
1从电子设备防雷要求看探测距离
试验证明，0.3 Gs的磁场强度可以造成微电子设备误动作，0.75 Gs的电磁脉冲会出现假性损坏，2.4 Gs的电磁波冲击能造成电子设备的元件击穿[5]。所以，对于设备仪器稳定性要求较高的部门，设备所在地磁场强度不得高于0.3 Gs，也就是雷击点到该设备应保持一定的距离，该距离能够使电磁波传送到设备时强度衰减到0.3 Gs之下。而提前预警的目的就是该距离之外若有雷击将要发生，大气电场仪能报警。
在理想状态下，磁场强度公式为[6]：
H=i/2πSa（A/m） （1）
式中，i为雷电流（A）；Sa为雷击点到所考虑点的距离。对于雷电流i有不同的表达式，Bruce等提出了雷电流的双指数表达式将雷电流表示为[7]：
i（0，t）=0，t<0
I0η[exp（-αt-exp（-βt）]，t≥0 （2）
式中，常数α和β可由回击通道电荷密度、回击速度、先导电荷复合率等参数确定。
国际电工委员会（IEC）基于Heidlc模型和传输线模型定义了一个分析雷电流波形的解析表达式，称为Heidle函数模型[8]。其表达式为：
i（0，t）=I0η[ksn/（1+ksn）]exp（-t/τ2） （3）
式中，I0为峰值电流；n为电流陡度因子；ks=t/τ1；τ1为波头时间；τ2为波尾时间（GB50057-2010中称为半值时间）；η为峰值电流修正系数，当n1、τ2/τ11时η≈1；ksn/（1+ksn）决定雷电流波形的上升部分；exp（-t/τ2）决定衰减部分。
在此选用Heidle函数模型，把公式（2）带入公式（1），那么磁场强度为：
H（0，t）=I0η[ksn/（1+ksn）]exp（-t/τ2）/2πSa （4）
根据要求，设备所在地的磁场强度不得大于0.3 Gs，约为24 A/m，即Hmax<24 A/m。为确定雷击点的距离，应当假设一个最大雷电流、确定波头时间和半值时间等参数，GB50057-2010人为地给定了首次雷击的雷电流参数（表1）。
那么，假定最大雷电流为100～200 kA，依据Hmax<24 A/m，经计算Sa应为664～1 327 m，即在不考虑地形、建筑物、屏蔽层、大气气溶胶等对电磁波传播影响的理想状态下，雷电流幅值为200 kA的情况下，雷击点在1 327 m距离之外，对设备没有影响，而大气电场仪的探测距离应满足这个要求。
3结语
为建立单站式小型雷电预警系统，需要使用大气电场仪来探测雷雨云过境时的电场强度，从而确定是否在一定范围内有发生雷击放电的可能性。
对于地面大气电场仪的使用，大部分部门都是通过其组网并结合雷达、闪电定位等资料进行雷电预警。通过该研究可以看出，单独的企事业单位也可以利用单站式大气电场仪对自身进行雷电预警。目前，大气电场仪的探测距离一般为15～20 km[11]，1 327 m之外的雷击放电对电子设备影响不大。所以，对于个体用户来说不需要对如此远距离的雷电进行预警。那么预警时可以根据自身设备或人员的防雷需求，调小预警范围，增大传感器输出电流I，从而提高预警准确度。
安徽农业科学2015年
参考文献
[1]
CUMMINS K L，MURPHY M J，BARDO E A，et al.A combined TOA/MDF technology upgrade of the U.S .National lightning detect ion network [J].Geophys Res，1998，103（D8）： 9035-9044.
[2] JERAULD J，RAKOV V A，UMAN M A，et al.An evaluation of the performance characteristics of the U.S.National Lightning Detection Network in Florida using rockettriggered lighting [C].Helsinki： 18th Lightning Detection Conference，2004.
[3] 许小峰.雷电灾害与监测预报[J].气象，2004，12（30）：277-284.
[4] 张玉洁.山东省雷电监测系统常见故障及解决方法[J].山东气象，2008，28（4）： 40-42.
[5] 魏明，刘尚合，程景升.LEMP成因与特性[J].高电压技术，2000，26（4）：28-30.
[6] 邓海利，朱桂林，李华昭.PLC系统的防雷保护[J].山东气象，2011，31（1）： 34-35.
[7] BRUCE C E R，GOLDE R H.The lightning discharge[J].J Instn Eleet Eng，1941，88（P2）：487-520.
[8] International eleetroteehnieal commission.IEC61312-1.Proteetionagainst 1ightning electromagnetic im pulse-Partl：General Prinei ple[S].Geneva，Switzerland，1995：23-107.
[9] 陳瑶.雷电监测预警系统-地面电场处理软件的设计与闪电活动特点的分析[D].北京：中国科学院研究生院，2006.
[10] 罗福山，何渝晖，张键，等.新型倒装式旋转电场仪[J].空间科学学报，2004，24（6）： 470-473.
[11] 陈渭民.雷电学原理[M].2版.北京：气象出版社，2003.
关键词单站式；大气电场仪；防雷；探测距离；探测准确度
中图分类号S16文献标识码
A文章编号0517-6611（2015）21-222-03
雷电监测与预警系统在国外早已应用，如美国等建立国家雷电监测网（NLDN，National Lightning Detection Network），多种探测仪器相结合捕捉雷电信息，对雷电的监测取得了较好的成果[1-2]。我国自动雷电监测系统的建设始于20世纪80年代，目前已完成全国闪电定位网的建设[3]。山东省气象局于2006年建成了雷电监测系统，根据时差定位原理，采用高精度授时型GPS定时，可以得到闪电每一个回击的全部信息[4]。这是在大范围内开展的雷电预警工作。大型企业利用单站式大气电场仪，为企业内部提供精细化的雷电预警工作还没有开展。根据具体需求情况，确定大气电场仪的探测距离与预警时间是开展这项工作的技术基础。笔者在此通过对大气电场仪探测距离和电子设备防雷需求的预警距离对比，对单站式大气电场仪探测距离进行分析。
1从电子设备防雷要求看探测距离
试验证明，0.3 Gs的磁场强度可以造成微电子设备误动作，0.75 Gs的电磁脉冲会出现假性损坏，2.4 Gs的电磁波冲击能造成电子设备的元件击穿[5]。所以，对于设备仪器稳定性要求较高的部门，设备所在地磁场强度不得高于0.3 Gs，也就是雷击点到该设备应保持一定的距离，该距离能够使电磁波传送到设备时强度衰减到0.3 Gs之下。而提前预警的目的就是该距离之外若有雷击将要发生，大气电场仪能报警。
在理想状态下，磁场强度公式为[6]：
H=i/2πSa（A/m） （1）
式中，i为雷电流（A）；Sa为雷击点到所考虑点的距离。对于雷电流i有不同的表达式，Bruce等提出了雷电流的双指数表达式将雷电流表示为[7]：
i（0，t）=0，t<0
I0η[exp（-αt-exp（-βt）]，t≥0 （2）
式中，常数α和β可由回击通道电荷密度、回击速度、先导电荷复合率等参数确定。
国际电工委员会（IEC）基于Heidlc模型和传输线模型定义了一个分析雷电流波形的解析表达式，称为Heidle函数模型[8]。其表达式为：
i（0，t）=I0η[ksn/（1+ksn）]exp（-t/τ2） （3）
式中，I0为峰值电流；n为电流陡度因子；ks=t/τ1；τ1为波头时间；τ2为波尾时间（GB50057-2010中称为半值时间）；η为峰值电流修正系数，当n1、τ2/τ11时η≈1；ksn/（1+ksn）决定雷电流波形的上升部分；exp（-t/τ2）决定衰减部分。
在此选用Heidle函数模型，把公式（2）带入公式（1），那么磁场强度为：
H（0，t）=I0η[ksn/（1+ksn）]exp（-t/τ2）/2πSa （4）
根据要求，设备所在地的磁场强度不得大于0.3 Gs，约为24 A/m，即Hmax<24 A/m。为确定雷击点的距离，应当假设一个最大雷电流、确定波头时间和半值时间等参数，GB50057-2010人为地给定了首次雷击的雷电流参数（表1）。
那么，假定最大雷电流为100～200 kA，依据Hmax<24 A/m，经计算Sa应为664～1 327 m，即在不考虑地形、建筑物、屏蔽层、大气气溶胶等对电磁波传播影响的理想状态下，雷电流幅值为200 kA的情况下，雷击点在1 327 m距离之外，对设备没有影响，而大气电场仪的探测距离应满足这个要求。
3结语
为建立单站式小型雷电预警系统，需要使用大气电场仪来探测雷雨云过境时的电场强度，从而确定是否在一定范围内有发生雷击放电的可能性。
对于地面大气电场仪的使用，大部分部门都是通过其组网并结合雷达、闪电定位等资料进行雷电预警。通过该研究可以看出，单独的企事业单位也可以利用单站式大气电场仪对自身进行雷电预警。目前，大气电场仪的探测距离一般为15～20 km[11]，1 327 m之外的雷击放电对电子设备影响不大。所以，对于个体用户来说不需要对如此远距离的雷电进行预警。那么预警时可以根据自身设备或人员的防雷需求，调小预警范围，增大传感器输出电流I，从而提高预警准确度。
安徽农业科学2015年
参考文献
[1]
CUMMINS K L，MURPHY M J，BARDO E A，et al.A combined TOA/MDF technology upgrade of the U.S .National lightning detect ion network [J].Geophys Res，1998，103（D8）： 9035-9044.
[2] JERAULD J，RAKOV V A，UMAN M A，et al.An evaluation of the performance characteristics of the U.S.National Lightning Detection Network in Florida using rockettriggered lighting [C].Helsinki： 18th Lightning Detection Conference，2004.
[3] 许小峰.雷电灾害与监测预报[J].气象，2004，12（30）：277-284.
[4] 张玉洁.山东省雷电监测系统常见故障及解决方法[J].山东气象，2008，28（4）： 40-42.
[5] 魏明，刘尚合，程景升.LEMP成因与特性[J].高电压技术，2000，26（4）：28-30.
[6] 邓海利，朱桂林，李华昭.PLC系统的防雷保护[J].山东气象，2011，31（1）： 34-35.
[7] BRUCE C E R，GOLDE R H.The lightning discharge[J].J Instn Eleet Eng，1941，88（P2）：487-520.
[8] International eleetroteehnieal commission.IEC61312-1.Proteetionagainst 1ightning electromagnetic im pulse-Partl：General Prinei ple[S].Geneva，Switzerland，1995：23-107.
[9] 陳瑶.雷电监测预警系统-地面电场处理软件的设计与闪电活动特点的分析[D].北京：中国科学院研究生院，2006.
[10] 罗福山，何渝晖，张键，等.新型倒装式旋转电场仪[J].空间科学学报，2004，24（6）： 470-473.
[11] 陈渭民.雷电学原理[M].2版.北京：气象出版社，2003.