鄭 宏

（黑龍江省森林防火預(yù)警監(jiān)測信息中心，黑龍江 哈爾濱 150036）

大興安嶺林區(qū)應(yīng)用“外移式防雷保護技術(shù)”預(yù)防森林火災(zāi)的設(shè)想

鄭 宏

（黑龍江省森林防火預(yù)警監(jiān)測信息中心，黑龍江 哈爾濱 150036）

為研究預(yù)防雷擊引發(fā)的森林火災(zāi)，分析了大興安嶺重點林區(qū)建立防雷保護技術(shù)的必要性。采取“外移式防雷保護技術(shù)”，該技術(shù)是運用由導(dǎo)閃系統(tǒng)、入射釋放系統(tǒng)、絕緣配合系統(tǒng)和接地阻抗匹配系統(tǒng)等構(gòu)成防雷保護系統(tǒng)，對外移式防雷保護技術(shù)進行研究，從而解決大區(qū)域防雷難的問題。從設(shè)想原則、總體思路、結(jié)構(gòu)組成、布局設(shè)想等方面對預(yù)防雷擊森林火災(zāi)可行性進行研究。

大興安嶺林區(qū)；外移式防雷保護技術(shù)；預(yù)防火災(zāi)設(shè)想

森林火險主要來自人為火和自然火（雷云放電），由于人為火險的管理和控制措施不斷加強和完善，人為火險已得到有效治理，雷電火險占據(jù)比例亦相應(yīng)增大。黑龍江省北部重點林區(qū)的雷擊森林火災(zāi)較多，由于近年來受到溫室效應(yīng)的影響，累計次數(shù)在增多[1-2]，2015、2016年兩年大興安嶺地區(qū)累計發(fā)生雷擊森林火災(zāi)105起，出動44 527人次撲火。特別是夏季雷擊火引發(fā)的森林火災(zāi)對森林的危害較大，撲救困難。雷電是在全球范圍內(nèi)普遍存在的自然現(xiàn)象，其最重要的危害之一就是引發(fā)雷擊火[3]。世界各地均有雷擊引起的森林火災(zāi)發(fā)生。由于大興安嶺呼中地區(qū)具備雷擊森林火災(zāi)發(fā)生的基本條件，雷電活動在逐步增強，未來的雷電火險亦可能越來越多，已有多個少雷區(qū)變?yōu)槎嗬讌^(qū)[4]。

以呼中區(qū)呼源林場雷電火災(zāi)較密集的小白山區(qū)域為設(shè)想保護區(qū)，為其配置外移式防雷保護系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)設(shè)想的基本原則

1.1 實用性和高效性原則

保護范圍大，外移式防雷保護技術(shù)本身即為長距離大范圍保護系統(tǒng)，保護范圍根據(jù)氣象、植被、地理等條件，一般設(shè)計為數(shù)十至數(shù)百平方公里，若達到數(shù)千平方公里時，可延續(xù)配置。

1.2 安全性和可靠性原則

實施外移式防雷保護之后，雷電強繞擊、強直擊、強感應(yīng)、強沖擊、強反擊等侵害將不再發(fā)生，被保護區(qū)的所有設(shè)備、設(shè)施、植被等均可處于長期安全狀態(tài)。

1.3 經(jīng)濟性和可持續(xù)原則

根據(jù)外移式防雷保護技術(shù)原理和在部分企業(yè)的應(yīng)用實驗，有效保護率可達99%以上。用于大面積保護時，常規(guī)防雷保護系統(tǒng)投資造價約100萬元/km2，外移式防雷保護系統(tǒng)投資造價小于6萬元/km2。

1.4 環(huán)保無污染性原則

外移式防雷保護系統(tǒng)配置導(dǎo)閃塔數(shù)量少，約每50 km2一基塔，對森林環(huán)境影響小。另一方面外移式防雷保護使用的接地材料為專用物理型材料，埋入地下后地面可照常種植花草樹木。

1.5 系統(tǒng)性和先進性原則

外移式防雷保護技術(shù)適用于大范圍林區(qū)雷電火災(zāi)預(yù)防，從防雷技術(shù)效果、適用性、工程造價與環(huán)境保護等方面綜合論證，大興安嶺林區(qū)雷電火災(zāi)預(yù)防適用外移式防雷保護技術(shù)，可使林區(qū)雷電得到較全面徹底的抑制。

2 系統(tǒng)設(shè)想的總體思路

防雷保護是相對于國家規(guī)程規(guī)定的近距離保護而言，國際技術(shù)規(guī)范規(guī)定的也是近距離保護方式，如避雷線與避雷針的45°或30°近距離保護角和線路避雷器的幾百米保護半徑等。外移式防雷保護技術(shù)是遠距離、大面積保護方式。

外移式防雷保護主要由導(dǎo)閃系統(tǒng)、入射釋放系統(tǒng)、絕緣配合系統(tǒng)和接地阻抗匹配系統(tǒng)構(gòu)成。是以接地阻抗匹配為核心，以削弱雷云先導(dǎo)電位和人為建立低阻抗通道方式，阻止雷電強繞擊、強直擊、強感應(yīng)、強沖擊和強反擊，改變雷擊自由選擇，人為控制雷云放電。

若用于保護大面積林區(qū)可實施系統(tǒng)接地阻抗匹配，大幅度削弱雷云先導(dǎo)電位，降低雷電強度，并人為改變雷擊選擇點等措施，從而達到對大面積區(qū)域有效保護的目的。

設(shè)想以大興安嶺呼中區(qū)呼源林場雷電火災(zāi)較密集的小白山區(qū)域為保護區(qū)。配置外移式防雷保護系統(tǒng)，以阻抗匹配方式實現(xiàn)早期預(yù)放電，削弱雷電強度并改變雷擊選擇，最終實現(xiàn)保護區(qū)內(nèi)的森林安全。

3 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成

外移式防雷技術(shù)是根據(jù)雷電的多種侵害形式和雷云放電的諸多特點設(shè)計，結(jié)構(gòu)形式由阻抗匹配系統(tǒng)和導(dǎo)閃系統(tǒng)組成。保護范圍超過50 km2時增加子系統(tǒng)。該系統(tǒng)是以接地阻抗匹配為核心，以適應(yīng)并利用雷云放電特點為實現(xiàn)方式，破壞強雷電生成條件，最終達到有效預(yù)防雷擊的目的。雷云放電亦有隨機性、選擇性、入射疊加、主流注放電、分支流注放電、沿面放電和預(yù)放電等諸多特點，因此，技術(shù)措施和技術(shù)原理同樣應(yīng)具有多元性，針對雷電的多種侵害形式和雷云放電的諸多特點，由阻抗匹配系統(tǒng)進行全面調(diào)整。當(dāng)對整個系統(tǒng)波阻抗、接地阻抗等諸多因素進行系統(tǒng)匹配后，可降低先導(dǎo)電位強度，改變雷擊選擇，使被保護區(qū)不發(fā)生雷電繞擊、強直擊、強感應(yīng)、入射沖擊疊加等侵害。

4 系統(tǒng)的布局設(shè)想

大興安嶺林區(qū)雷電引發(fā)森林火災(zāi)頻繁發(fā)生，呼中區(qū)2012-2016年5年內(nèi)共發(fā)生雷電火災(zāi)31次，直接經(jīng)濟損失巨大，生態(tài)環(huán)境破壞慘重。防止雷擊引起的森林火災(zāi)是森林防火工作中重要難題之一。

雷擊森林火災(zāi)發(fā)生主要具備以下幾個方面條件：空氣對流、大氣放電、多風(fēng)少雨、溫度偏高、干旱、可燃物干燥易燃。大興安嶺是國家一級自然生態(tài)保護區(qū)，大興安嶺位于東亞季風(fēng)區(qū)，受貝加爾湖冷空氣和太平洋、印度洋等暖濕空氣影響較大。當(dāng)冷熱空氣溫差較大時，強對流必然產(chǎn)生，為大氣放電提供了條件。特別是6～7月最多，晴好天氣雷暴比例大，加之這個季節(jié)少雨干旱，地面可燃物干燥易燃，雷擊任何一點都可能引發(fā)火災(zāi)。上述生成條件均與氣象、氣候和自然的地理及地質(zhì)因素有關(guān)，大興安嶺呼中林區(qū)頻發(fā)雷電火災(zāi)的原因就是具備了上述全部條件。

在大興安嶺呼中區(qū)呼源林場小白山區(qū)域周圍602 km2范圍內(nèi)，將雷電火災(zāi)較嚴(yán)重的小白山大部分區(qū)域置于保護范圍內(nèi)，每50 km2設(shè)置1處防雷保護站，共計12處，構(gòu)成完整的外移式防雷保護系統(tǒng)，以達到降低雷電強度、改變雷擊選擇的目的。保護區(qū)域邊界坐標(biāo)見圖1。

每處防雷保護站為一個獨立的外移式防雷保護子系統(tǒng)，主要建設(shè)內(nèi)容包括：4個接地網(wǎng)；4座導(dǎo)閃塔（塔高為39.4 m、18 m、51 m不等）；4套導(dǎo)閃器和阻抗匹配單元。

材料選擇：導(dǎo)閃器選用外移式防雷保護專用導(dǎo)閃器（裝置性材料；降阻劑選用TWS型（物理型），配套外移式防雷保護工程。

雷擊選擇：全部集中在雷電保護區(qū)各導(dǎo)閃塔上。

雷電閃擊：被保護區(qū)地面無閃擊點，空間40 m內(nèi)無閃擊點。

圖1 保護范圍示意

5 結(jié)論

長期以來，國內(nèi)外學(xué)者、專家和研究機構(gòu)為此進行了大量的技術(shù)研究、試驗與實驗，成就了諸多技術(shù)成果。在日常生活、生產(chǎn)活動中發(fā)揮了重要作用，這也為預(yù)防雷擊引發(fā)森林火災(zāi)奠定了基礎(chǔ)，解決了制約森林防火工作發(fā)展的瓶頸問題。

外移式防雷保護技術(shù)是在總結(jié)前人經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，研究出了問題的關(guān)鍵是雷電的能量釋放渠道、球雷的生成條件兩大問題，采取了阻抗匹配方式，利用雷電預(yù)放電和雷擊選擇性疏導(dǎo)雷電，實現(xiàn)了大面積的有效防護。技術(shù)應(yīng)用實驗和實踐證明該技術(shù)是成功的大范圍保護系統(tǒng)，適用于森林區(qū)等重要區(qū)域雷電預(yù)防。

林區(qū)特點是范圍廣、面積大，晴好天氣雷暴和雨前雷暴引發(fā)火災(zāi)概率大，雨中雷暴火災(zāi)概率小。外移式防雷保護技術(shù)攻克了長距離、大范圍防雷難題。大面積保護全覆蓋、無死角，不影響樹木生長，不影響野生動植物生存環(huán)境，不污染土地和自然環(huán)境，減少占地面積。

森林防雷，被保護物主體是樹木和地面干燥落葉、干燥植被等所有易燃物。在雷擊森林火災(zāi)頻發(fā)的大興安嶺呼中林區(qū)，選擇雷擊頻繁的區(qū)域布設(shè)防雷保護設(shè)施，防止雷電擊中地被物，最大限度地減少因雷擊引發(fā)的森林火災(zāi)。

實施外移式防雷保護之后，保護區(qū)內(nèi)的雷擊可降低99%以上，雷電直擊和感應(yīng)強度將減弱。不發(fā)生雷電繞擊、強直擊和強感應(yīng)。整個區(qū)域?qū)⑻幱陂L期較安全狀態(tài)。

常規(guī)防雷保護是近距離、小范圍保護方式，避雷針?biāo)鶖?shù)量大，排列密集，其接地網(wǎng)較多，不利于樹木等植物生長。用于大范圍保護時，為解決繞擊球雷，必須高密度配置防雷裝置且單位成本造價高昂。外移式防雷保護是以阻抗匹配為核心，配置導(dǎo)閃塔數(shù)量少，約每50 km2一基塔，面積越大基塔數(shù)量越少，對森林環(huán)境影響小，可實現(xiàn)大范圍、大面積保護，效果顯著；另一方面工程造價只是常規(guī)防雷保護的6%左右，使用的接地材料為專用物理型材料，埋入地下后地面可照常種植花草樹木。因此，外移式防雷保護技術(shù)從經(jīng)濟效益、生態(tài)效益、社會效益都非常適用于大面積林區(qū)保護。

[1]杜春英，李帥，劉丹，等.大興安嶺地區(qū)森林雷擊火發(fā)生的時空分布[J].自然災(zāi)害學(xué)報,2010,19(3):72-76.

[2]田曉瑞，舒立福，王明玉，等.林火與氣候變化研究進展[J].世界林業(yè)研究,2006,19(5):38-42.

[3]武文杰，孫福琴.內(nèi)蒙古大興安嶺林區(qū)雷擊火成因初探[J].內(nèi)蒙古林業(yè),2008(6):18-19.

[4]舒立福，王明玉，李忠琦，等.我國大興安嶺呼中林區(qū)雷擊火發(fā)生火環(huán)境研究[J].林業(yè)科學(xué),2003,39(6):94-99.

（責(zé)任編輯：韓煥金）

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2017-03-10