朱彪 曾金全 林彬彬 許軍

摘 要：2020年12月29日，全國雷電災(zāi)害防御行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會正式發(fā)布了QXT 594-2020《地面大氣電場觀測規(guī)范》，標(biāo)準(zhǔn)于2021年4月15日開始實(shí)施。本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了地面大氣電場觀測的觀測內(nèi)容、觀測方法、觀測儀器、場地與安裝、數(shù)據(jù)記錄與傳輸及維護(hù)與檢查等技術(shù)要求，穩(wěn)定可靠的地面大氣電場監(jiān)測數(shù)據(jù)對提升雷電預(yù)警能力具有現(xiàn)實(shí)的指導(dǎo)意義。本文介紹了標(biāo)準(zhǔn)制定的背景和意義，對標(biāo)準(zhǔn)的主要內(nèi)容與技術(shù)考慮作了解讀，以更好地用于雷電災(zāi)害防護(hù)工作，推動標(biāo)準(zhǔn)的貫徹落實(shí)。

關(guān)鍵詞：QX/T 594-2020，地面大氣電場，觀測

DOI編碼：10.3969/j.issn.1674-5698.2023.04.014

1 引 言

雷電由于其強(qiáng)大的電流和猛烈的電磁輻射等物理效應(yīng)，容易造成嚴(yán)重的破壞，同時(shí)，雷電過程還常常伴隨強(qiáng)對流天氣過程[1]。地面大氣電場監(jiān)測設(shè)備是利用置于電場中的導(dǎo)體上產(chǎn)生的感應(yīng)電荷，來測量地面大氣電場強(qiáng)度和方向的，可以對其上空一定半徑范圍內(nèi)的云層帶電狀況進(jìn)行監(jiān)測，直觀監(jiān)測出監(jiān)測區(qū)域內(nèi)電場強(qiáng)度的分布情況。雷暴云內(nèi)及雷暴云和大地之間可產(chǎn)生放電，雷暴云頂和低電離層之間也存在大氣放電。地面大氣電場儀通過記錄云閃和地閃活動，連續(xù)監(jiān)測地面大氣電場的強(qiáng)度和極性，通過對雷暴云的放電過程進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測，既能夠記錄閃電發(fā)生前雷暴中的電活動， 又可記錄雷暴過程中發(fā)生的閃電。大氣電場儀根據(jù)導(dǎo)體在電場中產(chǎn)生感應(yīng)電荷的原理，能夠長時(shí)間連續(xù)測量大氣電場的強(qiáng)度和極性，完整記錄地面電場的變化情況[2]。

相比依托于防雷裝置、接地的傳統(tǒng)、被動方式，雷電監(jiān)測預(yù)警技術(shù)成為目前業(yè)界公認(rèn)能大幅降低雷擊傷亡與災(zāi)害最有效的措施之一。大氣電場儀主要用于連續(xù)監(jiān)測大氣電場強(qiáng)度，由于大氣電場強(qiáng)度的變化與雷電的發(fā)生及強(qiáng)降水等天氣現(xiàn)象密切相關(guān)，大氣電場監(jiān)測數(shù)據(jù)可以單獨(dú)預(yù)警，也可和氣象雷達(dá)、衛(wèi)星和閃電資料進(jìn)行雷電預(yù)警[3-4]，雷電監(jiān)測預(yù)警產(chǎn)品在機(jī)場及航空航天保障、電力系統(tǒng)安全、油田油庫石油鉆井平臺、高爾夫球場、旅游景區(qū)、海濱浴場、野外采礦區(qū)等場所發(fā)揮重要作用。同時(shí)，服務(wù)單位可以根據(jù)雷電監(jiān)測預(yù)警信息采取全自動隔離措施，當(dāng)雷電來臨時(shí)，對UPS電源進(jìn)行自動切換，規(guī)避雷電災(zāi)害對電子信息設(shè)備的影響[5]，來降低雷暴天氣對用電設(shè)備等造成的影響和損害。挖掘、探索雷電監(jiān)測預(yù)警技術(shù)與服務(wù)用戶需求的融合點(diǎn)，結(jié)合大氣電場儀開展雷電監(jiān)測預(yù)警業(yè)務(wù)服務(wù)。我國是雷電災(zāi)害高發(fā)國家，人口、經(jīng)濟(jì)、生產(chǎn)要素高度密集，雷電災(zāi)害對人身安全和安全生產(chǎn)的影響也更加突出，地面大氣電場觀測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的推廣應(yīng)用，對推進(jìn)防災(zāi)減災(zāi)工作具有重要的意義。應(yīng)急管理部印發(fā)《大型油氣儲存基地雷電預(yù)警系統(tǒng)基本要求（試行）》中的相關(guān)要求，不少?；袠I(yè)都完成了雷電預(yù)警系統(tǒng)的部署搭建，特別是碼頭油庫雷電預(yù)警系統(tǒng)、煉化廠區(qū)雷電預(yù)警系統(tǒng)、儲油庫區(qū)雷電預(yù)警系統(tǒng)、加油站雷電預(yù)警系統(tǒng)等等。大氣電場儀得到廣泛應(yīng)用，為人身安全和財(cái)產(chǎn)保護(hù)起到積極有效的預(yù)警防護(hù)作用，經(jīng)濟(jì)效益和社會效益顯著。

2 主要內(nèi)容概述

標(biāo)準(zhǔn)針對地面大氣電場觀測數(shù)據(jù)格式、設(shè)備的維護(hù)和安裝環(huán)境等部分的條文內(nèi)容作了重要參考，在標(biāo)準(zhǔn)制定過程中開展大氣電場觀測科學(xué)比對試驗(yàn)，并對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，保障標(biāo)準(zhǔn)編制的科學(xué)性。大氣電場強(qiáng)度是大氣電場觀測的重要內(nèi)容，近年來，在防雷減災(zāi)等方面發(fā)揮了重要作用，應(yīng)用領(lǐng)域較廣。在實(shí)際應(yīng)用中由于不同廠家觀測設(shè)備性能不一致、數(shù)據(jù)格式不統(tǒng)一、安裝場地不規(guī)范、設(shè)備維護(hù)不及時(shí)等一系列問題，影響了地面大氣電場設(shè)備作用的發(fā)揮。本標(biāo)準(zhǔn)基于存在的問題，側(cè)重規(guī)范地面大氣電場觀測的重要內(nèi)容，更好地保障地面大氣電場觀測數(shù)據(jù)發(fā)揮作用。主要內(nèi)容從地面大氣電場觀測的業(yè)務(wù)應(yīng)用角度出發(fā)，側(cè)重于地面大氣電場觀測方法、內(nèi)容、設(shè)備安裝的場地選擇、技術(shù)要求、數(shù)據(jù)格式和運(yùn)維等內(nèi)容。本標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容涵蓋了地面大氣電場觀測的觀測內(nèi)容、觀測方法、觀測儀器、場地與安裝、數(shù)據(jù)記錄與傳輸及維護(hù)與檢查等技術(shù)要求，在防雷減災(zāi)工作中發(fā)揮了重要作用。

2.1 觀測設(shè)備的通用要求

觀測設(shè)備的通用要求主要對觀測設(shè)備的組成、觀測方法和觀測內(nèi)容進(jìn)行描述，規(guī)定了觀測設(shè)備主要性能指標(biāo)、電源供電要求、供電安全性、遠(yuǎn)程智能監(jiān)控管理和異常告警等[6-8]。

觀測方法、觀測內(nèi)容以及觀測流程是根據(jù)地面大氣電場觀測設(shè)備的原理提出的，同時(shí)，結(jié)合實(shí)際業(yè)務(wù)對地面大氣電場觀測數(shù)據(jù)的實(shí)際需求，保障觀測數(shù)據(jù)有效。在觀測比對試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，征求了相關(guān)領(lǐng)域多位專家的意見，保障標(biāo)準(zhǔn)條文內(nèi)容符合業(yè)務(wù)發(fā)展需求。

2.2 場地和安裝

場地選擇主要規(guī)定了安裝場地的選擇情況，針對空曠范圍給出了安裝點(diǎn)和最近遮擋物的距離的指標(biāo)要求，考慮到安裝環(huán)境對觀測設(shè)備的干擾，對觀測設(shè)備數(shù)據(jù)有影響的不宜安裝的安裝場所進(jìn)行明確。安裝場地應(yīng)選擇在無遮擋以及周邊無高大物體的室外空曠地帶，應(yīng)避免在陡坡、洼地等地形安裝，電磁環(huán)境干擾嚴(yán)重、局地性霧、煙等大氣污染嚴(yán)重的場所避免安裝，同時(shí)鄰近有叢林、鐵路、工礦、高（低）壓線路對監(jiān)測數(shù)據(jù)的場所有也不宜安裝。

安裝要求主要規(guī)定了觀測設(shè)備安裝的穩(wěn)固性，探頭感應(yīng)面離地高度1.5m，對觀測設(shè)備防雷措施和獨(dú)立安裝的觀測設(shè)備的圍欄材質(zhì)和尺寸作了規(guī)定，對安裝在屋面的觀測設(shè)備，安裝高度對數(shù)據(jù)的影響進(jìn)行了模擬。

通過現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)，不同的探頭感應(yīng)面離地高度對監(jiān)測數(shù)據(jù)有一定的影響，本標(biāo)準(zhǔn)編制組在江蘇無錫采用0.5m、1.0m和1.5m3個(gè)探頭感應(yīng)面離地高度開展對比試驗(yàn)，選取同樣的下墊面，在觀測試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)不同的高度，試驗(yàn)數(shù)據(jù)差異較大，同時(shí)結(jié)合生產(chǎn)設(shè)備廠家的生產(chǎn)需求，為了保持觀測數(shù)據(jù)的一致性，在標(biāo)準(zhǔn)文本中規(guī)定了探頭感應(yīng)面離地高度1.5m。標(biāo)準(zhǔn)附錄中，針對建筑物高度對觀測數(shù)據(jù)的影響作了模擬分析，通過軟件模擬了建筑物高度對大氣電場監(jiān)測數(shù)據(jù)畸變的影響，同時(shí)給出了修正系數(shù)，模擬給出了一種理想環(huán)境，僅考慮了建筑物高度的影響，未考慮觀測設(shè)備周邊干擾的情況，在實(shí)際應(yīng)用中僅提供參考。探頭感應(yīng)面高度的確定主要是基于觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量和安裝場地選擇順利實(shí)施的考慮，充分保障觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量不受外界環(huán)境的影響。圍欄材質(zhì)和尺寸的要求是為了避免或減少外界環(huán)境對觀測設(shè)備數(shù)據(jù)的干擾。

2.3 數(shù)據(jù)記錄傳輸

數(shù)據(jù)記錄結(jié)合地面觀測規(guī)范制定[9]，主要對數(shù)據(jù)記錄、大氣電場數(shù)據(jù)格式和數(shù)據(jù)要求進(jìn)行規(guī)定，規(guī)定了數(shù)據(jù)記錄的方式和時(shí)間，數(shù)據(jù)格式規(guī)定了數(shù)據(jù)的基本格式，保障數(shù)據(jù)格式統(tǒng)一性，為大氣電場數(shù)據(jù)的進(jìn)一步應(yīng)用提供基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)傳輸包括傳送方式、傳輸狀態(tài)管理、傳輸時(shí)間、傳輸頻率等，規(guī)定了大氣電場數(shù)據(jù)格式。

2.4 維護(hù)與檢測

維護(hù)主要包括日常維護(hù)、定期檢查和性能檢查。主要規(guī)定了對觀測設(shè)備的日常維護(hù)以及安裝后進(jìn)行定期維護(hù)，規(guī)定了不同環(huán)境下的運(yùn)行維護(hù)時(shí)間，針對觀測設(shè)備及性能的檢查維護(hù)項(xiàng)目等。

3 主要技術(shù)內(nèi)容解讀

3.1 觀測設(shè)備通用性

觀測設(shè)備的主要性能指標(biāo)參照了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[10]中關(guān)于設(shè)備的要求指標(biāo)，且征求不同生產(chǎn)設(shè)備廠家的意見，文本中的設(shè)備性能指標(biāo)滿足設(shè)備的通用要求。電源供電主要根據(jù)調(diào)研情況確定兩種電源供電方式，觀測設(shè)備安全性能符合GB 4793.1-2007的要求，設(shè)備的電源供電方式和要求符合常規(guī)設(shè)備的要求，觀測設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控管理功能和異常告警根據(jù)實(shí)際應(yīng)用中存在的問題進(jìn)行規(guī)定，遠(yuǎn)程監(jiān)控和異常告警功能根據(jù)湖北、黑龍江等省市的實(shí)際應(yīng)用情況，為了保障設(shè)備的有效運(yùn)行，對異常情況及時(shí)處理。

3.2 場地和安裝要求

通過多地的調(diào)研報(bào)告和實(shí)際應(yīng)用情況發(fā)現(xiàn)，觀測設(shè)備受安裝環(huán)境影響很大，導(dǎo)致地面大氣電場觀測數(shù)據(jù)受環(huán)境干擾影響較大，不利的安裝環(huán)境易產(chǎn)生電場畸變，導(dǎo)致監(jiān)測數(shù)據(jù)質(zhì)量下降，為了保障地面大氣電場監(jiān)測數(shù)據(jù)質(zhì)量，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用情況，結(jié)合觀測設(shè)備安裝環(huán)境的可操作性，在實(shí)際應(yīng)用中，如果無法避免不利的安裝環(huán)境，觀測設(shè)備廠家應(yīng)該對設(shè)備的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行訂正，保障數(shù)據(jù)可靠。大氣電場觀測設(shè)備的應(yīng)用領(lǐng)域很廣，不同行業(yè)和不同場所均有需求，高大建筑物及樹木等會對地面大氣電場強(qiáng)度產(chǎn)生影響，因此在保障一定的空曠度環(huán)境下，規(guī)定觀測設(shè)備各安裝點(diǎn)與周邊最近遮擋物的距離宜大于探頭感應(yīng)面高度與周圍障礙物高度的高度差2倍，保障觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量的可靠性。

3.3 數(shù)據(jù)存儲與傳輸

通過多省市調(diào)研情況來看，現(xiàn)有幾種觀測設(shè)備在實(shí)際應(yīng)用中，存在不同廠家觀測設(shè)備的觀測數(shù)據(jù)傳輸格式不一致，導(dǎo)致數(shù)據(jù)存儲入庫不兼容，影響觀測數(shù)據(jù)的效益發(fā)揮。本標(biāo)準(zhǔn)中，對數(shù)據(jù)的傳輸和存儲格式作了相關(guān)規(guī)定，數(shù)據(jù)格式包含了大氣電場觀測的基本內(nèi)容，目的是為了規(guī)范數(shù)據(jù)傳輸和存儲格式，考慮兼容不同觀測設(shè)備廠家的數(shù)據(jù)，最大限度提升觀測數(shù)據(jù)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

3.4 設(shè)備維護(hù)

觀測設(shè)備需要定期維護(hù)和檢測，保障觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量，包括設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)異常和數(shù)據(jù)異常等問題，確定了不同環(huán)境下觀測設(shè)備的運(yùn)維要求和檢測維護(hù)項(xiàng)目等內(nèi)容，保障設(shè)備的有效運(yùn)行和數(shù)據(jù)監(jiān)測質(zhì)量。

4 實(shí)施建議

本標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布后建議通過相關(guān)行業(yè)主管理部門對標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行宣貫和應(yīng)用指導(dǎo)，科學(xué)引導(dǎo)相關(guān)單位有效應(yīng)用，確保該防雷技術(shù)應(yīng)用安全有效。本文件發(fā)布后，預(yù)期將獲得以下效益：該標(biāo)準(zhǔn)為雷電監(jiān)測網(wǎng)和臨近預(yù)警預(yù)報(bào)技術(shù)開辟一條全新的應(yīng)用途徑，保障了大氣電場的運(yùn)行穩(wěn)定，深受用戶好評，為公眾提供及時(shí)的雷電預(yù)警預(yù)報(bào)，便于公眾掌握天氣變化，防范雷電災(zāi)害，做好防護(hù)措施。隨著國務(wù)院安全生產(chǎn)委員會、國家應(yīng)急管理部和各省應(yīng)急廳等文件的陸續(xù)出臺，對大型油氣儲存基地和?；瘓鏊睦纂婎A(yù)警系統(tǒng)配備應(yīng)用的要求升級，未來，預(yù)警系統(tǒng)將得到更廣泛應(yīng)用，切實(shí)保障我國危險(xiǎn)化工與能源基地的安全生產(chǎn)。該標(biāo)準(zhǔn)為拓展安全保障服務(wù)思路和領(lǐng)域提供支撐，有利于最大限度地減少災(zāi)害造成的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，減少受災(zāi)人口，為防雷安全管理方面提供支撐，有利于社會穩(wěn)定，保證社會正常的生產(chǎn)和生活活動，從而促進(jìn)社會經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。為充分發(fā)揮標(biāo)準(zhǔn)的作用，下一步工作中應(yīng)重視標(biāo)準(zhǔn)的宣貫工作。本標(biāo)準(zhǔn)是推薦性標(biāo)準(zhǔn)，宣貫是標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施的首要工作。起草單位將聯(lián)合大氣電場觀測設(shè)備廠家和相關(guān)應(yīng)用單位等進(jìn)行宣傳、貫徹和應(yīng)用指導(dǎo)。

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