县级雷电预警网络建设方案.doc

县级雷电预警网络建设方案前言雷电灾害被联合国确定为世界最严重的十大自然灾害之一，全球每年因雷击造成人员伤亡、财产损失不计其数。在我国，每年因雷击造成的人员伤亡约为3000 - 4000人，财产损失在50100亿元左右。近年来，温室效应造成全球气候变暖，随之而来的是雷雨季节的延长，雷击事故也随之大幅度上升，下面是2004年内发生的一些重大雷击事故：5月11日下午约5点30分，海南省澄迈市中兴镇下起小雨，至6点许，突然一声巨响，雷暴狂袭而至。该镇南新村一小房里正避雨的3个孩子当场被雷电击倒。其中，靠在门框的2个女孩被雷电冲击波抛出门外1米多，衣服被击碎，经抢救无效死亡。小男孩被紧急送往县人民医院治疗，诊断为重伤。这次强雷击还造成中兴镇政府大院的1部电脑、数台电视机、多个电视放大器损坏。另在5月4日下午4时许，澄迈的瑞溪镇里加村发生雷暴，正在田地里劳动的一名村民被击倒地身亡。6月26日下午，浙江省临海市杜桥镇杜前村发生特大雷击事件，当场造成村民15人死亡，15人受伤，在随后的救治过程中，又有2人因伤势过重而死亡。该事件是近年来最大的雷击伤人事故。6月27日下午，位于常德市鼎城区斗姆湖镇的湖南常张高速公路建设工程三标段，发生一起雷击事故，造成1死5伤。河北省邯郸市峰峰矿区和村镇7月日发生一起雷击事件，造成人死亡，人受伤，其中人伤势严重。7月23日下午，一道闪电和紧跟着的一声巨雷终结了近百人的居庸关长城之旅-挤在烽火台避雨的数十人被震倒在地上，一些游客瞬时失去知觉。 雷击事件发生后，居庸关长城管理处的工作人员迅速组织人手上山用担架救人，至少有15人因伤住进医院。在众多的雷电伤害事故统计中，我们发现了一个发人深省的现象：雷击造成人员伤亡的事件大多发生在农村和旷野地带，而城市市区几乎为零！ 究其原因，主要有以下几点：1. 经济实力：与许多大中型城市相比，我国的大多数县份和农村的经济实力相对较弱，无论是政府机关还是企事业单位在防雷方面可以投入的资金均非常有限。广大农村住宅更是没有丝毫的考虑。并且由于自身经济规模的原因，有时候甚至会出现安装防雷设施与被保护设施成本倒置的问题（即按照规范要求安装的避雷针及三级避雷器的成本有的时候甚至会远远高于被保护设备的价值）。另外，由于县级城市和村镇农业所占比重大，因此露天空旷场所就相对要多于大中城市，从成本的角度来考虑，这些地点几乎没有安装完善的直击雷防护设施的可能。2. 防护意识：由于县级村镇居民相对而言受教育的水平低于大中城市，因此相对来说，对于防雷知识的了解和重视程度要差，雷电防护知识的普及率很低。这样在雷电灾害临近时，没有足够的防护知识通常成为事故发生的原因。3. 技术手段限制：采用现有雷电防护措施，如在广阔的空旷场地进行直击雷防护，依靠避雷针是远远达不到的，同时在960万平方公里的区域内的田间地头和旷野安装避雷针是不可想象的，不现实的事情。在上述客观条件下，我们认为，必须转换思路，采取“变被动为主动，主动和被动相结合”的积极做法。做到事前行动，事后防范。即在雷电发生之前通知广大群众事先采取积极的措施，如离开危险的区域(如离开旷野和树下，在安装了直击雷防护设备的场所躲避)，把室内的进出线插头拔掉（如电视机，电话等用电设备的插头拔掉）等方法；同时加强基本防雷设施的安装，如在民房和仓储根据规范尽可能的安装避雷针和避雷带等。而国家政府部门应该在其中起到引导和推动的作用，以达到有效利用资金，减少损失，使各单位基层能够将更多的资金用于促进地方经济发展的生产建设当中。在过去很长的时间里，由于科技水平的限制，上述想法在技术上还缺乏实现手段。进入21世纪，雷电预警系统的出现，加上个人移动通信设备的普及和移动通信网络对城镇乡村的全面覆盖，才真正使“事前行动”想法的实现具备了所有的技术条件。雷电预警系统的功能特点包括：1. 相对于其他系统，如多普勒雷达，雷电定位系统等设备，雷电预警系统具有针对性强，可即时发布近距离雷暴警报，结果准确和投资较节省的特点。2. 只要在雷暴来临之前通过雷电预警系统准确侦测，及时发送报警信息（通过移动电话短信群发功能），并采取相应的措施（人员撤离、设备转移、断电、离线等），就可以将可能的损失降到最低；3. 节省了各单位，家庭的避雷器安装以及维护的投资；4. 作为预警设备的投资者，气象中心完全可以以有偿服务的方式为用户提供雷电预报信息，进而逐步收回设备投资。这也是符合国务院办公厅（国办发198525号）文件精神的做法；5. 积累雷电发生资料，准确统计当地雷电发生情况，如雷暴日的统计，雷暴烈度记录，为气象研究及加强雷电防护提供可靠数据。综上所述，并结合xx县的客观实际，我们对xx县所辖范围的雷电预警网络的构想如下：一、 总体构想：利用雷电预警系统能够准确侦测雷暴的产生和发展全过程，并在雷击危险来临前（不少于30分钟）发出警告信号的先进功能，与普及的个人通信设备和通信网络（各种移动通讯网络和手机短信）相结合，及时将危险警告通知需求用户，使用户可以在已知的规则下及时规避可能的危险，进而达到防灾减灾的目的。xx县整个辖区范围呈现倒五角星形状，北、西、南均为丘陵地貌，东面偏北濒临太湖；根据多年的气象资料积累，由于太湖湖面蒸腾作用的影响，雷云在夏季多由西部及西南的丘陵间隙向太湖移动，其中A镇和B镇因为所处地理位置及地貌关系，为雷击高发区。兼顾预警监测点的控制范围（预警设备的监测范围为1015公里）；监测的连续性；监测的有效性（居民及产业分布）以及构网成本因素；我们初步确定分别在（A）、（B）、(C）、（D）四个镇建立监测点，为方便叙述，下文中均以上述地点后括号内的字母来表述。由于雷电预警系统有其固有的工作特性，一般情况下，安装地点应选择空旷的平地为佳。二、 项目实施的技术可行性及设备选型：本项目涉及的技术主要包括雷电预警及移动电话短信息发送两方面。和国内大多数城市一样，目前xx县辖区内提供移动电话短信息服务的运营商有四种类型，它们分别是：中国移动：GSM数字移动电话网中国联通：GSM及CDMA数字移动电话网中国电信：小灵通PHS无线市话网中国网通：大灵通S-CDMA（CDMA450）无线市话网根据对上述公司的网络覆盖状况的调查，整个xx县的覆盖率为99%以上；同时依据上述公司提供的用户资料说明，xx县的移动电话普及率（指拥有上述任意一种移动电话的用户）在6575之间（少数用户拥有两种以上的通讯工具）。在上述条件下，我们认为雷电预警信息需求用户的信息传送渠道将不存在任何技术障碍。雷电预警系统设备，我们也对目前国内外的生产商作了一个调查了解，国际上各厂家的产品主要分为三大类：模拟信号型：处理流程为全模拟信号方式的产品，监测范围较小，准确率低；目前已接近淘汰，仅个别厂商还在生产，以个人便携式产品为主；模拟/数字混合式：室外探头以模拟方式工作，信号送入室内主机以后进行模拟数字（A-D）转换，然后以数字方式输出预警信号；由于设备电气元件存在老化的可能，在长期使用后监测能力可能会降低；数字式：室外探头在对环境取样后立即输出数字信号；全数字处理流程使系统在很大程度上避免了元器件误差，是目前最为先进的工作模式。通过对各种产品技术特点和参数比较，我们认为由法国杜尔梅森（中国）有限公司经销的猎雷者雷电预警系统（PW-R10型；西班牙原产）是比较理想的选择，该设备的技术特点包括：n 全数字化的信息处理流程：猎雷者的模拟信号AD（模拟数字）转换过程位于室外探头前端，与其他同类产品在室内主机进行AD转换的流程相比，猎雷者的测量精确性和传输抗干扰能力首屈一指！n 大动态的侦测范围：得益于数字传输模式的应用，猎雷者系统的侦测动态范围达到了100kV/m，相对于其他同类产品较小的动态范围（40kV/m），猎雷者系统的数据记录更能真实反映雷云电场的变化范围，更具科研资料价值。n 全天候的工作能力：猎雷者室外探头的外壳上盖采用整体铝压铸成形，并且采样口为向下设计，完全杜绝了雨雪侵入。其内部电子装置可在-20 +50（室内主机为-10 +50）的温度下良好工作，足以满足任何应用场所。n 良好的错误自检机制：室外探头由于安装环境位于室外，无法完全避免意外故障的可能性，如果室内主机不能及时发现故障，将可能引致严重后果。为保证设备的可靠运行，猎雷者系统配备了完善的运行状态自检机制，具体包括： 外部感应器速度变化异常： 探头风扇转速异常。 连接中断：内部连接故障或探头与接收器相连的数据线断路。 异常温度：探头内部温度过高或过低。在上述故障出现时，主机以及与之连接的外部报警设备均会立即发出警告信号，提醒用户及时检修或更换故障设备。n 多种报警输出方式：为满足用户的不同需求，猎雷者系统提供了：主机声光报警、继电器输出、PC程序输出三种方式供用户选择。 n 简便的安装方式：设备分为四个部分（主机、探头、UPS、通讯线缆），安装非常方便，在用户无特殊要求的场合，所有设备安装工作可以在一个工作日内完成。n 丰富的外延设备：由于系统完全使用标准化的工业接口，因此可以与许多其它厂商的外延设备对接，从而满足特殊环境的要求。该系统的监测范围为1015公里半径，完全满足我们对设备选型的要求。另外，该系统还是目前国内唯一承诺提供“72小时备件更换”服务的产品，如发生设备意外损坏，用户可以在72小时内获得备件，并同时获得维修服务；服务商法国杜尔梅森公司是一家拥有超过170年历史的专业防雷公司，拥有丰富的人才和技术储备，其代表性产品卫星系列ESE避雷针多年稳据中国ESE避雷针市场第一位，服务质量广受赞誉。三、 猎雷者雷电预警系统的工作原理：众所周知，电场是由电荷建立的，雷闪的发生来源于雷云内部的电荷累积；这样，只要能够准确检测空间静电场的的改变，就可以间接了解雷云电荷累积的变化。根据世界各地所记录的相关气象资料表明，雷闪的发生需要一定条件，并且具有规律性：以在平地距地面约1.5m处设立的检测点为例，在一个无云天气检测到的平均场强约为250V/m，而当场强检测值达到2KV/m以上时，通常意味着该地点上方雷云已经产生；如果场强持续增大至4kV/m，发生雷闪现象的可能性就将超过90%；雷闪发生时，场强会增大至14KV/m以上。一般情况下，独立雷云（对流雷云）或雷云群的产生需要至少约20分钟。（请参考下图）猎雷者正是基于上述原理的高性能雷电预警系统，它能够不停地检测它所在位置的静电场场强变化，并排除/修正其它非雷云电场的干扰，然后反映在输出结果中并与三个场强门限相比较，以确定警报等级。这样，在第一次雷闪前，猎雷者就已经探测到雷闪发生的可能性，并且迅速发出危险信息。从而对人员、设备提供良好的保护，降低雷击造成的损失。同时由于雷云电场的自身建立存在客观规律，实际上猎雷者所检测到的是一个较大范围的场强变化，因此在通常情况下，系统的检测半径在10 - 15 km范围。基于上述气象资料的统计结果，猎雷者系统使用三个危险警报分级来界定雷闪的接近程度。为了获得足够的预警效果，第一等级的场强门限应设得相应较低，第二等级将提供进一步确定信息，而第三等级将激活自动操作系统。当场强降到门限场强水平以下时，警报声将停止。ALARM1 - 1级警报（门限默认值为2KV/m）雷暴形成，对雷暴的初始活动报警。ALARM2 - 2级警报（门限默认值为4KV/m）雷暴逼近，对正在接近的雷暴或在本地生成的雷暴报警 ALARM3 - 3级警报（门限默认值为4KV/m）雷暴即将发生，对即将在监测地发生的雷击报警。猎雷者设计者基于安全第一的理念，将门限默认值设定为一个可以满足绝大多数使用环境的安全值，但由于安装地点的环境以及海拔的关系，默认值并不一定适合所有的用户。为避免误报率过高的问题，用户可以将每一级门限的指标相应提高，以减少报警的频率，但是这样做可能会缩短用户采取反应措施的时间；更科学的做法是在设备新安装后的一段时间内，使用一台数据服务器（PC）来记录观测日记，然后根据日记的记录数据与实际情况进行对比，对门限值或环境参数作出调整，从而使警报的准确性得到进一步提高。四、 猎雷者系统构成：猎雷者系统包括以下部分：1. 室外探头2. 室内主机 （带报警继电器及RS232接口）3. 连接电缆 （主机至探测器的专用数据电缆）4. UPS电源 （AC 220V 输入 DC 24V输出）5. 随机软件（WINDOWS环境）如用户需要对检测数据进行记录，则需要另备一台普通PC机作为数据服务器。通过RS232 （串口）连接器，猎雷者系统主机（MAD）可以与普通PC（我们称之为主控机，并且推荐使用更可靠的低端服务器）连接。通过使用一个在WINDOWS环境下使用的专用软件，主控机可以显示并记录： 1、 所有参数2、 真实场强3、 历史事件在MAD至主控机传输距离超出RS232协议范围时，我们还可以提供各种转换方案（如RS485、RJ45、无线等）供用户选择。设备部分技术规格：MAD 室内主机规格MAD 室内主机电 源24V DC工作电流最小400mA最大1A设备工作温度-10 +50继 电 器250V / 10A（静功率）系统均经出厂检验，并符合IEC防护规范IP33等级的要求MCE 室外探头规格MCE 室外探头动态范围100 KV/m精 度10 V/m探测距离（半径）10 15 Km工作温度范围-20 +50系统均经出厂检验，并符合IEC防护规范IP54等级的要求设备外观简图如下：五、 猎雷者系统的网络功能：猎雷者系统的网络传输功能是使其被我们选用的重要原因，相对于许多早期产品的单系统工作模式，网络传输功能无疑更加便于监控中心对各地监测点的信息进行收集汇总及管理，从而使“雷电预警网络”这一概念得以实现。通过对软件进行网络设置，主机输出的数据经由数据网络服务程序可以被多台PC共享。数据的传输遵循最常用的TCP/IP网络协议，通过对各系统站点的IP地址的访问，中央监控程序可以实时监控各地的雷云的生成和变化状况，从而达到辅助决策的作用。在本方案中，通过使用中国电信的光纤宽带接入服务（由服务商提供固定的网络IP地址），所有的监测点信息将被实时传输到位于A镇的防雷中心监控机房内。在雷暴接近时，将由专职人员进行监控，并依据警报级别即时发布信息（具体实施方案详节七“雷电预警信息的发布工作流程”）。六、 猎雷者系统的安装：根据猎雷者系统用户手册的要求，我们选取了A B C D四个点作为监测站：上述地点安装环境均符合猎雷者系统安装要求的“地势平坦，无高大树木及建筑物遮挡”的要求。探头将固定于50，顶部距地1.5m的镀锌钢管（或不锈钢管）上；主机到探头的数据线则穿20镀锌钢管安装（上述所有钢管均作等电位连接并与相邻的建筑物地网共地，接地电阻10）。根据现场条件的不同，部分主机可能安装在防水机柜内，主机到主控PC的连接亦依据现场条件的不同而采用RS232（连接距离 连接距离 3m）进行连接。系统安装示意图如下：整个预警网络拓扑图如下：七、 雷电预警信息的发布工作流程：根据猎雷者雷电预警系统的工作特点，以及必须最大限度确保安全的原则，我们制定了以下工作流程以便用户能够准确无误地利用预警信息：1. 预警信息使用规范的制订：鉴于多数用户可能缺乏防雷知识这一客观现实，制订完善的用户须知有利于用户正确地采取防护行动。同时，这也是提高广大群众防雷意识的一个良好途径。用户须知的要点如下：1) 不同报警信息的释义，使用户能够正确理解报警信息的含义2) 接收到不同报警信息应该采取的行动3) 报警区域的划分示意图4) 安全躲避场所的选择以及感应雷的防范措施5) 其他必须的防雷知识2. 警报发送流程：猎雷者系统可以根据雷暴发展的不同阶段发出三级警报，但从实际情况出发，我们认为在系统发出第二级警报后用户仍有充足的行动时间，因此我们考虑的警报发送流程如下：系统一级警报 专职监测人员立即就位，由接收到警报起三小时内不得离开岗位。系统二级警报 监测人员立即确认并连续两次向用户发送报警信息（该信息应由移动服务商设为最高优先级予以发送）。系统三级警报 同上系统警报解除 监测人员确认危险已解除后，连续两次向用户发送报警解除