鄭 宏

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

大興安嶺林區(qū)應用“外移式防雷保護技術”預防森林火災的設想

鄭 宏

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

為研究預防雷擊引發(fā)的森林火災，分析了大興安嶺重點林區(qū)建立防雷保護技術的必要性。采取“外移式防雷保護技術”，該技術是運用由導閃系統(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)等構成防雷保護系統(tǒng)，對外移式防雷保護技術進行研究，從而解決大區(qū)域防雷難的問題。從設想原則、總體思路、結構組成、布局設想等方面對預防雷擊森林火災可行性進行研究。

大興安嶺林區(qū)；外移式防雷保護技術；預防火災設想

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，雷電火險占據比例亦相應增大。黑龍江省北部重點林區(qū)的雷擊森林火災較多，由于近年來受到溫室效應的影響，累計次數在增多[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)的森林火災對森林的危害較大，撲救困難。雷電是在全球范圍內普遍存在的自然現象，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發(fā)生。由于大興安嶺呼中地區(qū)具備雷擊森林火災發(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)呼源林場雷電火災較密集的小白山區(qū)域為設想保護區(qū)，為其配置外移式防雷保護系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)設想的基本原則

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本身即為長距離大范圍保護系統(tǒng)，保護范圍根據氣象、植被、地理等條件，一般設計為數十至數百平方公里，若達到數千平方公里時，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、強沖擊、強反擊等侵害將不再發(fā)生，被保護區(qū)的所有設備、設施、植被等均可處于長期安全狀態(tài)。

1.3 經濟性和可持續(xù)原則

根據外移式防雷保護技術原理和在部分企業(yè)的應用實驗，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)配置導閃塔數量少，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適用于大范圍林區(qū)雷電火災預防，從防雷技術效果、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)雷電火災預防適用外移式防雷保護技術，可使林區(qū)雷電得到較全面徹底的抑制。

2 系統(tǒng)設想的總體思路

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是遠距離、大面積保護方式。

外移式防雷保護主要由導閃系統(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)構成。是以接地阻抗匹配為核心，以削弱雷云先導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、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。

設想以大興安嶺呼中區(qū)呼源林場雷電火災較密集的小白山區(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早期預放電，削弱雷電強度并改變雷擊選擇，最終實現保護區(qū)內的森林安全。

3 系統(tǒng)的結構組成

外移式防雷技術是根據雷電的多種侵害形式和雷云放電的諸多特點設計，結構形式由阻抗匹配系統(tǒng)和導閃系統(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，以適應并利用雷云放電特點為實現方式，破壞強雷電生成條件，最終達到有效預防雷擊的目的。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、沿面放電和預放電等諸多特點，因此，技術措施和技術原理同樣應具有多元性，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)進行全面調整。當對整個系統(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、入射沖擊疊加等侵害。

4 系統(tǒng)的布局設想

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

雷擊森林火災發(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。當冷熱空氣溫差較大時，強對流必然產生，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。上述生成條件均與氣象、氣候和自然的地理及地質因素有關，大興安嶺呼中林區(qū)頻發(fā)雷電火災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，將雷電火災較嚴重的小白山大部分區(qū)域置于保護范圍內，每50 km2設置1處防雷保護站，共計12處，構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)，主要建設內容包括：4個接地網；4座導閃塔（塔高為39.4 m、18 m、51 m不等）；4套導閃器和阻抗匹配單元。

材料選擇：導閃器選用外移式防雷保護專用導閃器（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)各導閃塔上。

雷電閃擊：被保護區(qū)地面無閃擊點，空間40 m內無閃擊點。

圖1 保護范圍示意

5 結論

長期以來，國內外學者、專家和研究機構為此進行了大量的技術研究、試驗與實驗，成就了諸多技術成果。在日常生活、生產活動中發(fā)揮了重要作用，這也為預防雷擊引發(fā)森林火災奠定了基礎，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是在總結前人經驗的基礎上，研究出了問題的關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，利用雷電預放電和雷擊選擇性疏導雷電，實現了大面積的有效防護。技術應用實驗和實踐證明該技術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)火災概率大，雨中雷暴火災概率小。外移式防雷保護技術攻克了長距離、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)域布設防雷保護設施，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。

實施外移式防雷保護之后，保護區(qū)內的雷擊可降低99%以上，雷電直擊和感應強度將減弱。不發(fā)生雷電繞擊、強直擊和強感應。整個區(qū)域將處于長期較安全狀態(tài)。

常規(guī)防雷保護是近距離、小范圍保護方式，避雷針塔基數量大，排列密集，其接地網較多，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，配置導閃塔數量少，約每50 km2一基塔，面積越大基塔數量越少，對森林環(huán)境影響小，可實現大范圍、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從經濟效益、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].自然災害學報,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.內蒙古大興安嶺林區(qū)雷擊火成因初探[J].內蒙古林業(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,2003,39(6):94-99.

（責任編輯：韓煥金）

S762.3

：A

2017-03-10