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雷暴探测仪应根据其可探测的雷暴阶段进行分类，雷暴的阶段由该阶段可探测到的雷暴现象硕 如此，一个雷暴探测仪可以探测一种或几种雷暴现象。 般有几种途径可以评判雷暴探测仪探测雷暴，尤其是雷击的方法。一种是查看探测仪能够 暴阶段；另一种是比较雷击电磁辐射的频段和传感器可探测的电磁频段；第三种是查看传感器 并计算其位置的技术。 雷暴或雷击探测仪分类如下： 一A类：探测雷暴阶段1到阶段4的整个生命周期； B类：探测雷暴阶段2到阶段4的云闪及地闪； C类：仅探测雷暴阶段3到阶段4的地闪； D类：探测雷暴阶段3的地闪以及其他电磁源，其探测效率非常低。 附录B给出了这几种类型的详细解释。分类方法与系统的效率无关。 雷电探测中使用的频率范围如下： DC：静电场和准静电场； VLF:甚低频(3kHz~30kHz)； LF:低频(30kHz300kHz)； VHF：甚高频(30MHz~300MHz)。 所有这些现象均通过不同的传感器和定位技术进行测量，这些传感器和定位技术区分如下： MDF：磁定向法； TOA：到达时间法； RFI：射频干涉法； FSM：大气电场仪； RF：射频法。 black 上述技术清单并不完全。 这些探测技术的详细描述参见B.2。 雷暴探测仪应进行型式试验，方法参见附录F。 表1给出了探测仪的工作频率范围与其对应的雷暴阶段、工作分类和典型探测距离之间的联系

表1雷暴探测使用的技术及其相应特征

变电站标准规范范本表1雷暴探测使用的技术及其相应特征

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雷暴预警系统（TWS)也可以按照探测距离进行分类，探测距离通常从儿于米到500km甚至更远。 附录B给出了更多信息，以便选择基于特定目的探测仪

为了提醒用户，并方便其采取一切可能的预防措施，雷暴预警系统应为可能受到雷电相关事件 IRE)威胁的目标区域提供警报。这类雷电相关事件可由第9章提供的危险情况描述进行识别。一个 警报的产生来自对雷电活动的监测，可以是云闪或/和地闪，也可以是其他参数，如监测区域（MA)内的 静电场，通常还需要结合其他气象观测，例如气象雷达。对于能提供地图信息的探测系统（雷电探测网 络、雷达等），可以通过追踪具有潜在危险的雷暴云单体来提高雷暴预警系统的性能。有关雷暴预警系 统的信息参见附录B。 设置一个警报包括三个步骤： 划定区域； 警报触发判据； 发送警报信息。 以上三个步骤宜进行记录。本章给出了设定警报的准则，附录E列出了一些例子，

6.2.1且标区域(TA)

对区域的精确描述宜包含需要预警的物理延伸区域。目标区域可限制在一个单一的点，例如有工 人作业的塔、规模有限的工厂等，见图1a）；也可扩展到较大的区域，例如大型建筑、风电场、高尔夫球 汤等，见图1b）。但安全起见，宜使用较大区域作为目标区域。在许多情况下，将雷电相关事件限定到 也闪会使问题简单化，因此需调整目标区域的大小和形状以考到所有可能的诱导效应。例如，一个对 线路过电压敏感的系统，其目标区域应包括该系统场地、电源线以及附近区域见图1c），故该目标区 或发生的每一次地闪将被视为一个可引起过电压的雷电相关事件。因此，目标区域还取决于雷电相关 事件的类型及其可能产生的影响（见第9章）

6.2.2周边区域（SA）

图1不同形状目标区域示例

为确定雷暴预警系统警报的效率，评估时宜引入包含目标区域的周边区域，如图2所示。当周边区 域发生雷电相关事件，即使目标区域未发生雷电相关事件，此时对目标区域发出的雷电预警不宜统计为 整报（FA）。当周边区域没有发生雷电相关事件收到预警，宜视为一次虚报。此外，周边区域的引入兼 顾了定位精度的局限性

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6.2.3监测区域（MA）

6.2.4覆盖区域（CA)

一日确定监测区域，探测系统宜直划定一 包含监测区域而无法对目标区域进行可靠预警时，将几个基本探测系统并列使用是非常必要的。这需 要知道探测系统在监测区域内的探测效率（DE）和/或定位精度（L.A），并兼顾这些因素对预警性能的 影响（见图2）。 通常，对于探测网络来说，监测区域等于覆盖区域

域（CA）、监测区域（MA）、目标区域（TA）和周边区

一般情况下，监测区域内探测到雷暴预警系统提供的监测信息则会触发警报。警报触发判据宜依 居雷暴预警系统自身的特性及其在监测区域内的性能确定，例如一个或多个地闪，一个或多个云闪， 定的静电场强度，静电场极性，以及这些条件的组合。 一次雷电警报示例如图3所示

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A 划定区域（覆盖区域CA，监测区域MA，周边区域SA以及目标区域TA)内雷电相关事件发生的位置； B 雷电相关事件发生时间； C 划定区域内雷电相关事件发生的警报计时。

提前时间（LT）指目标区域可能发生首次雷电相关事件前采取预防措施的时间。 为避免频繁切换预警等级，即使警报判据不再满足时，雷暴预警系统仍应保留一段时间，即驻留时 间（DT)。如驻留时间设置的值太大，则警报持续时间（TTC)将明显变大，这使响应该警报的成本更高 （取决于应用程序）。值得注意的是，除通过探测监测区域内雷电的发生外，某些可通过其他手段精确监

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则警报结束的系统（例如A类大气电场仪系统）， 条件发生时解除警报， 总警报持续时间等于警报触发到驻留时间结束时的时间间隔

宜建立一套定义明确的警报信息发布程序和协议，以确保终端用户正确接收警报信息。 应监测雷暴探测仪和通信链路的工作情况，并将所有可能影响警报可用性和质量的故障 端用户，

所有雷暴探测仪均应根据制造商的说明书在最佳条件下安装，以保证其受到的环境干扰最少。为 比，应提前分析预计的安装位置，以使传感器适应特定的现场条件。 雷暴探测仪的安装易受多种因素影响：故新安装的探测仪在达到最佳工作状态之前需要一段时间 的调试。调试应由系统制造商或制造商特别授权的技术人员完成。 对集成在雷暴预警系统中的子系统（含警报传输）进行维护是必不可少的。雷暴预警系统信息的准 确性直接取决于其传感器的性能参数、环境（即植被、建筑物、塔楼等）以及传感器与雷暴预警系统之间、 雷暴预警系统和终端用户之间的通信链路。因此，应根据制造商的建议每年或甚至更短时间内进行系 充维护。 规范的安装和及时的维护对于预警系统的正常运行至关重要。 注：维护工作包括清洁、调整参数、确保运行状态良好，确保通信正常等

通过评估雷暴预警系统的运行情况，可以优化其参数，进而提升系统的质量和可靠性，系统发出的 警报可更好地满足终端用户需求。 评估结论可为以后系统警报设置、预防措施改进提供非常有价值的信息，并有助于了解目标区域的 雷电环境。 安装人员宜建立一套评估程序，该程序宜包括用户提供的警报期间的信息，如警报数、潜在的漏报 数、虚报数、损害量等。 基于验证信息的可用性，评估可通过不同方式进行，例如： 与准确度更高的其他来源的信息相互关联，如：其他雷电定位系统、气象雷达、气象卫星等的 数据； 利用能够记录详细警报相关有用信息的系统，处理其所有归档数据；这是微调和验证警报参数 设置合理性的唯一方法； 一经验：气候学，现场观测，不切实际的警报持续时间等。 一个雷暴预警系统主要性能参数为 以虚报数与总警报数（FA+EA）之比确定的虚报率（FAR），见式（1)：

以漏报次数（FTW)与应警报总数（FTW+EA)之比确定的漏报率（FTWR），见式（2）：

提前时间的设置： 警报持续时间的设置。 表2给出了有效警报（EA）、虚报及漏报的计算方式

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为改善雷暴预警系统性能，可以调整的主要参数有： 监测区域内的警报触发判据； 监测区域的大小和形状； 驻留时间。 预警系统参数的变化会导致性能的变化，例如： 监测区域面积的扩大将导致警报数的增加、提前时间的延长，以及虚报率的上升和警报持续时 间的延长； 监测区域面积的减少可能会提高漏报率，但降低虚报率和缩短提前时间： 提高警报触发判据的灵敏度将降低漏报率和增加提前时间，但可能提高虚报率； 缩短警报驻留时间将缩短警报持续时间，但将人为导致警报数的上升 根据警报应用，性能优化的目标可以不同： 在服务中断成本巨大的应用中要求虚报率最小，警报持续时间最短； 在涉及人身安全的应用中要求漏报率最小； 在预防措施需要较长时间激活的应用中要求有足够的提前时间

8.2雷暴预警系统评估

确度不同。这些数据可用于评 的性能，但需要考虑数据在探测效率和定位精度 的局限性，较低的探测效率，有可能

8.3雷暴预警系统微调

有些雷暴预警系统可长时间保存雷电位置、电场等原始数据，这些数据可用来优化预警参数。根据 目标区域对雷暴预警系统低漏报率、长提前时间等参数的性能要求，可在调整监测区域的大小、形状以 及触发条件等预警参数时检查所需指标的灵敏度。 基于场强测量的雷暴预警系统中，唯一可调参数将是触发判据。如归档数据有足够的时间分辨率， 可调整阅值、场强变化分析、峰值检测等参数并进行优化。实际上，此时监测区域的大小、形状与覆盖区 域严格合并。 在基于雷电探测网络的雷暴预警系统中，可通过调整监测区域的大小、形状以及触发判据达到最佳 性能。 注：对于有些雷暴预警系统，监测区域不可调

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9雷暴预警系统应用指导

使用雷暴预警系统的可行性评估包括三个步骤： a）危险情况识别； black b）损失类型确定； c）风险控制：包括控制和降低风险的措施选择、实施和跟进等降低风险的选择。 本标准未提出预防措施的任何细节。可推荐采取的预防措施示例参见附录D

9.2.2第1步危险情况的识别

表3列出了各种可能的危险情况。如果表中没有涉及的情况，则选择“其他情况”

9.2.3第2步—损失类型确定

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9.2.4第3 步风险控制

应确认雷暴预警系统提供的信息是否有助于采取降低风险的临时预防措施（参见附录C)。如 则该雷暴预警系统是无用的（与损失类型无关）。如有，则每一种危险情况（见表3）和损失类型

212019/IEC62793.20

表4～表7)确定了雷暴预警系统是否合适（见表8）。鉴于有多种不同解决方案，最终应选择最安全的 方案，

A.1雷暴云的成因和起电

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雷电是由起电的云产生的，但并非所有的云层都起电。产生雷电的雷暴云，通常具有显著的垂直 纵深)发展特征，同时云中有过冷云滴、冰晶和散（软苞）粒子存在。雷暴云也能在地面产生大风和灾害 天气（冰霍、龙卷风）。 雷暴或积雨云是由上升气流产生的，这些上升气流最初都来自太阳对地球表面和大气边界层空气 的加热。对流云形成的热力学基础是条件性热力不稳定和对该过程的初始触发。其触发机制主要包 括：边界层内的热力抬升、锋面与阵风锋边界之间的抬升、地形动力抬升（如典型山区）以及锋面动力拾 升。当上升气流进入低压环境，气流将膨胀并冷却，直到温度达到露点形成水汽，然后水汽凝结成云，水 汽凝结释放潜热使抬升动力增大。如果该气流的温度降低到冰点温度以下，就会形成冰晶和蔽，云就具 备了起电的基础，雷电将产生。 典型的雷暴单体的直径为10km，云顶高度为12km，生命周期小于30min。其他类型的雷暴比如 多单体雷暴带、雷暴簇、超级单体雷暴以及中尺度对流系统（MCS)具有更大的尺度，持续时间可长达数 个小时。不同类型的雷暴往往出现在不同的地理区域内。 单个雷暴云的电荷分布模型包含三个电荷区，云中部一个集中的负电荷区，其上方是较为分散的 个正电荷区，下方有一小正电荷区。雷电更容易在负电荷区的边缘或靠近边缘部分产生。如果雷电在 负电荷区的顶部附近产生，通常会发展为包含主负电荷区和主正电荷区的云闪。如果放电发生于负电 荷区下边缘或附近，它会产生下行负地闪

尽管地闪对人类活动危害最大。但一个雷暴产生的大多数雷电并不会到达地面，这些雷电一般祖 你为云闪。 当雷暴云中的电荷积累到一定程度后，雷电便发生了。云闪通常出现在第一次地闪前几分钟，但并 不总是如此。雷电的极性由传输到地面的电荷的极性确定。雷电的特征也取决于最初先导电荷的方 向，云对地闪电向下，地对云闪电则向上。图A.1给出了标准的地闪分类。下行地闪是最常见的，而上 行地闪通常由高建筑物引发（即高于100m的建筑物或处于山区的较小的建筑物）

图A.1标准地闪分类

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最常见的雷电类型是下行负地闪（通常约占90%），但在一些特殊情况下不是这样，比如冬季雷暴、 强雷暴或中尺度对流系统的层状云区域，正地闪占多数。通常，下行负地闪开始于云内的初始击穿过 程，紧接着产生下行先导，间款性、多分支、星梯级地向地面发展，这一过程就是梯级先导。当负极性梯 级先导接近地面时，该先导下方，在电场的作用下将产生一个或更多向上的、连接的先导，这些先导通常 来自最近的接地导体尖端。当两个先导连接时，回击开始了。回击过程是强烈的电流脉冲，它将电流传 输到地面，并沿电离的先导通道大约以光速三分之一的速度向上传播。回击通道的温度峰值约为 30000K，它是最亮的闪电过程。回击过程的持续时间为几百微秒到几十毫秒，取决于连续电流的持 续时间。后继回击通常发生在首次回击几十毫秒后，在一次典型的雷电过程中通常有3个～4个先导/ 回击过程。 更多详情参见参考文献9 black

A.3有助于雷电防护的雷暴和雷电特征

雷暴云内的电荷在地面上形成一个强静电场，该静电场通常比晴大时强得多。这样，随着雷暴的发 展和接近，测量雷暴静电场可以提供一个预警因子，但有一定的局限性。其中一个局限就是地面电场不 是云电荷产生的真实场，因为云和地面之间存在明显的空间电荷层，不可能确定一个与即将发生雷击相 寸应的精确电场阅值。第二个局限是只能测量距离雷暴最多几千米内的电场。 地闪和云闪产生的电场突变可用来探测雷电。如在多个站点同时测量到电场突变，则可以定位引 闪电变化的电荷的云内中心位置。不过，利用静电场变化定位闪电位置不是通常采用的方法

由于电流的快速、剧烈变化，雷云放电会产生电磁辐射，通过组合使用单项或多项技术，这种辐身 用于探测和定位雷电。附录B描述了目前使用的几种技术。 通过定位云闪、地闪或这两种闪电，可以追踪雷暴以实现预警和预防雷电灾害。

A.3.2.2 云闪的探测

在雷暴中，云闪通常出现在首次地闪之前。因此，云闪常用于雷电预警。 一般云闪比地闪多2倍～3倍，这为监测和跟踪雷电活动提供了更多手段

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相比地闪，云闪活动更加活跃，这要求云闪监测具有更强的数据处理能力。在甚高频频段内可能有 几万个电磁辐射源，这一高发生率将探测限制在几百千米范围内

A.3.2.3地闪的探测

1.3.3其他有助于闪电探测的参数

3.3.1雷电间隔与频次

常用于描述一次雷暴的雷电活动

A.3.3.2 云地闪比

内次数与地闪次数的比值提供了雷电活动和雷暴

正地闪常见于冬季雷暴和中尺度对流系统的层状云区域。此外，相对于负地闪，如果正地闪的百分 高可能预示有灾害天气。 所有这些参数对雷电定位系统的性能非常敏感

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本附录介绍了雷暴探测技术的分类，也描述了用于雷暴探测的技术方法，并且根据获取雷电信息的 需要，给出了选择正确类型探测仪和/或探测系统的指南。

B.2探测技术和传感器参数要求

用于探测雷暴的第一个征兆（阶段1），在云闪或地闪发生之前和存在雷电风险期间，提供早期预警 以便采取预防措施。该类雷暴探测仪是通过测量雷暴产生的静电场来实现的。 雷暴的起电过程或雷暴，会造成晴天天气静电场的变化。由于地表上方的大气带正电，晴天时，平 坦地面附近的大气静电场为正值，幅度约在100V/m150V/m。雷暴云时地面电场幅度可以达到每 米几千伏特。由于空间电荷层的存在，雷暴云产生的电场受到屏蔽，通常会使地面静电场保持在 10kV/m以下。 用于探测雷暴电场的传感器，分辨力应优于200V/m，电场测量范围至少为士20kV/m。初始阶段 的静电场变化相对较慢，每隔几秒采样就足够了。如需要电场变化的信息，最低采样频率宜为每秒 雷暴探测设备宜提供有关电场等级的信息。有些设备还可以提供电场变化的信息。 A类雷暴探测仪能够探测是否存在带电的云，但是不能确定雷暴云发生第一次放电的静电场 值。监测区域强烈受制于随距离增大而迅速减弱的静电场，故静电场测量的最大半径宜为距离电荷区 边界20km。因地理环境的限制，该类雷暴探测仪用于局部探测。 因附近任何雷电都可造成静电场的快速变化，故A类探测器也可在雷暴阶段2、阶段3、阶段4提 供信息。 任何情况下，制造商或服务商宜提供预警等级和预警方法的信息。当测量受局地电场增强影响时 预警等级信息取决于安装站点的环境

用于探测云闪和地闪（阶段2～阶段4）。云闪会在甚高频频段产生大量射频源。通常，云闪在此频 （大约100MHz）进行探测和测量 云闪探测仪的探测效率宜满足用户的应用需求（参见附录E）。因为云闪的定位对于采取预防措施 比较重要，制造商或服务商宜给出探测仪的探测半径和定位不确定度。地闪的定位不确定度宜与用户 的应用需求一致（参见附录E）。

制造商或服务商宜提供探测方法和预警的相关信息

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用于探测地内和部分云内。地内在低 (10kHz～500kHz)会产生明显的辐射。 地闪探测仪在监测区域的探测效率宜高于90%。因地闪的定位对于预防措施比较重要，制造商或 服务商宜给出探测半径和定位精度，监测区域内50%地闪的定位精度宜小于1km。 制造商或雷电数据供应商宜提供探测方法和预警的相关信息

用于探测地闪（阶段3），也可探测其他电磁脉冲 号和其他信号源（EMI）的区分能力较弱。

根据用途，雷暴探测仪可划分为两种定位技术。为了确定雷击位置，需要多传感器的雷电定位 如仅需了解雷电活动的一般信息和/或雷暴的大致距离与方位，则可以使用单传感器的雷暴 文

B.3.2多传感器定位技术

共有四种多传感器定位技术： MI1：磁定向法（MDF） 利用两个正交磁线圈测量磁场的H，和H，分量。磁环的磁通量与人射角成比例，其中一个磁环与 ac 人射源方位角的余弦相关，而另一个磁环与正弦相关，两者的比值就是方位角的正切值。用两个或多个 磁定向仪，通过计算定向仪方位角的交叉方位即可确定雷击位置。 MI2:到达时间法（TOA) 利用脉冲从辐射源到达传感器所需要的时间延迟进行定位：较近的传感器比较远的提前探测到信 号。到达时间法可在甚低频、低频范围和甚高频频段应用。 MIL.3：射频干涉法（RFI) 通过测量紧密放置的天线之间的相位差来实现。此方法与到达时间法的区别在于它可以处理连续 信号，因此不需要识别脉冲。 MIL4：光学成像测量法（OI) 空基（卫星）的传感器能够探测雷电产生光信号的快速变化并对它们进行成像。此技术不是非常精 确.但为在无法使用地基探测系统的 电研究提供了可能

B.3.3单传感器定位技术

单传感器（SS）定位技术如下： SS1：场强测量法（FSM） 在雷暴形成期间，电场的上升可用于对即将发生的雷电活动进行预警。雷击产生的电场快速变化 可用于确认雷击的发生。 SS2：磁定向法（MDF) 由于单个磁定向仪能够给出雷击的方位角，如果能通过测量信号强度和/或信号波形确定雷击的大 改距离，则用于雷电监测网的磁定向技术也可以用于单传感器系统。 SS3.射频信号强度测量法（RFM)

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由于雷电流特性的多样性，测量天线接收的雷电信号强度不是一个有效的方法。复杂的信号处理 方法并结合光学探测有可能明显提高雷电定位的精度。但该方法本质上是不准确的。 所有可用的雷暴探测技术都有其对应的应用。 ML1、ML.2、ML3定位方法在雷电探测网络中的应用既实用又科学，常被用于向公众开放数据的商 业网络，这些网络可以在世界各地找到， MI4定位方法主要用于科学研究，由高校和政府机构安装使用。 单传感器技术也有不同的应用特性。 SS1探测仪用于雷电发生前及雷暴整个生命周期的局地预警。 SS2探测仪可提供实际雷击的方向和距离信息。它们在需要准确、实时信息和不想依赖商业雷电 案测网络提供所需数据的公司中找到用户。然而，这些用户应注意，与多传感器雷电探测网络相比 SS2探测仪所提供的信息不够十分准确。 SS3探测仪可以分为两个质量等级。较复杂的探测仪包含了复杂的信号处理模块，能够给出具有 定精度的雷电距离。某些探测仪还使用光学传感器确认探测的信号与闪电有关 较简易的探测仪使用一个小天线进行信号强度的简单测量，并且探测仪仅有有限的信号处理模块 只能给出非常粗略的局地雷击信 一般性地提示，不适用于雷电预警

B.4雷暴探测仪的评估

为使预警系统准确和高效，用于预警的雷暴探测仪应具有一定性能水平。可以使用一些方法验证 这些特性，如： 基于系统结构和探测技术的理论计算； black 实验室测试； 不同系统之间进行比较； 用安装了监测仪器的高塔或带时间标记的视频或图片进行实验验证； 现场验证。

B.5雷暴探测系统的选择

根据附录C中给出的风险评估和附录D中描述的预 预防措施，可以选择雷暴探测仪建立雷暴预警系 统。根据预警的应用和可用的雷电信息，可能存在若干合适的探测技术。最终决定采用哪种技术应经 过多方面详细的分析，包括预警需求（必要提前时间、可接受的虚报和虚报率）、允许的预算和每种探测 技术能提供的信息。 雷暴预警系统如何保障机场安全的范例参见参考文献[4]

表格中，相关的选择以白色背录显示，不相关的选择以

1中列出了可能情景下识别的一个或几个危险

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给水排水标准规范范本附录C （资料性附录） 雷暴预警系统应用示例

表C.1危险情况识别

C.1.2第2步：损失类型

针对表C.1中每个选择的情况，评估关于财产（表C.2)、服务（表C.3)和环境（表C.4)的不同损失以 便确定损失（A、B、C或一）类型

防火标准规范范本GB/T38121—2019/IEC62793:2016

重要设备可能直接或间接被雷电损坏而中断服务。

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雷暴探测仪应根据其可探测的雷暴阶段进行分类，雷暴的阶段由该阶段可探测到的雷暴现象硕 如此，一个雷暴探测仪可以探测一种或几种雷暴现象。 般有几种途径可以评判雷暴探测仪探测雷暴，尤其是雷击的方法。一种是查看探测仪能够 暴阶段；另一种是比较雷击电磁辐射的频段和传感器可探测的电磁频段；第三种是查看传感器 并计算其位置的技术。 雷暴或雷击探测仪分类如下： 一A类：探测雷暴阶段1到阶段4的整个生命周期； B类：探测雷暴阶段2到阶段4的云闪及地闪； C类：仅探测雷暴阶段3到阶段4的地闪； D类：探测雷暴阶段3的地闪以及其他电磁源，其探测效率非常低。 附录B给出了这几种类型的详细解释。分类方法与系统的效率无关。 雷电探测中使用的频率范围如下： DC：静电场和准静电场； VLF:甚低频(3kHz~30kHz)； LF:低频(30kHz300kHz)； VHF：甚高频(30MHz~300MHz)。 所有这些现象均通过不同的传感器和定位技术进行测量，这些传感器和定位技术区分如下： MDF：磁定向法； TOA：到达时间法； RFI：射频干涉法； FSM：大气电场仪； RF：射频法。 black 上述技术清单并不完全。 这些探测技术的详细描述参见B.2。 雷暴探测仪应进行型式试验，方法参见附录F。 表1给出了探测仪的工作频率范围与其对应的雷暴阶段、工作分类和典型探测距离之间的联系

表1雷暴探测使用的技术及其相应特征

表1雷暴探测使用的技术及其相应特征

水质标准B/T38121—2019/IEC62793:2016

雷暴预警系统（TWS)也可以按照探测距离进行分类，探测距离通常从儿于米到500km甚至更远。 附录B给出了更多信息，以便选择基于特定目的探测仪

为了提醒用户，并方便其采取一切可能的预防措施，雷暴预警系统应为可能受到雷电相关事件 IRE)威胁的目标区域提供警报。这类雷电相关事件可由第9章提供的危险情况描述进行识别。一个 警报的产生来自对雷电活动的监测，可以是云闪或/和地闪，也可以是其他参数，如监测区域（MA)内的 静电场，通常还需要结合其他气象观测，例如气象雷达。对于能提供地图信息的探测系统（雷电探测网 络、雷达等），可以通过追踪具有潜在危险的雷暴云单体来提高雷暴预警系统的性能。有关雷暴预警系 统的信息参见附录B。 设置一个警报包括三个步骤： 划定区域； 警报触发判据； 发送警报信息。 以上三个步骤宜进行记录。本章给出了设定警报的准则，附录E列出了一些例子，

6.2.1且标区域(TA)

对区域的精确描述宜包含需要预警的物理延伸区域。目标区域可限制在一个单一的点，例如有工 人作业的塔、规模有限的工厂等，见图1a）；也可扩展到较大的区域，例如大型建筑、风电场、高尔夫球 汤等，见图1b）。但安全起见，宜使用较大区域作为目标区域。在许多情况下，将雷电相关事件限定到 也闪会使问题简单化，因此需调整目标区域的大小和形状以考到所有可能的诱导效应。例如，一个对 线路过电压敏感的系统，其目标区域应包括该系统场地、电源线以及附近区域见图1c），故该目标区 或发生的每一次地闪将被视为一个可引起过电压的雷电相关事件。因此，目标区域还取决于雷电相关 事件的类型及其可能产生的影响（见第9章）

6.2.2周边区域（SA）

图1不同形状目标区域示例

为确定雷暴预警系统警报的效率，评估时宜引入包含目标区域的周边区域，如图2所示。当周边区 域发生雷电相关事件，即使目标区域未发生雷电相关事件，此时对目标区域发出的雷电预警不宜统计为 整报（FA）。当周边区域没有发生雷电相关事件收到预警，宜视为一次虚报。此外，周边区域的引入兼 顾了定位精度的局限性

GB/T38121—2019/IEC62793:2016

6.2.3监测区域（MA）

6.2.4覆盖区域（CA)

一日确定监测区域，探测系统宜直划定一 包含监测区域而无法对目标区域进行可靠预警时，将几个基本探测系统并列使用是非常必要的。这需 要知道探测系统在监测区域内的探测效率（DE）和/或定位精度（L.A），并兼顾这些因素对预警性能的 影响（见图2）。 通常，对于探测网络来说，监测区域等于覆盖区域

域（CA）、监测区域（MA）、目标区域（TA）和周边区

一般情况下，监测区域内探测到雷暴预警系统提供的监测信息则会触发警报。警报触发判据宜依 居雷暴预警系统自身的特性及其在监测区域内的性能确定，例如一个或多个地闪，一个或多个云闪， 定的静电场强度，静电场极性，以及这些条件的组合。 一次雷电警报示例如图3所示

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A 划定区域（覆盖区域CA，监测区域MA，周边区域SA以及目标区域TA)内雷电相关事件发生的位置； B 雷电相关事件发生时间； C 划定区域内雷电相关事件发生的警报计时。

提前时间（LT）指目标区域可能发生首次雷电相关事件前采取预防措施的时间。 为避免频繁切换预警等级，即使警报判据不再满足时，雷暴预警系统仍应保留一段时间，即驻留时 间（DT)。如驻留时间设置的值太大，则警报持续时间（TTC)将明显变大，这使响应该警报的成本更高 （取决于应用程序）。值得注意的是，除通过探测监测区域内雷电的发生外，某些可通过其他手段精确监

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则警报结束的系统（例如A类大气电场仪系统）， 条件发生时解除警报， 总警报持续时间等于警报触发到驻留时间结束时的时间间隔

宜建立一套定义明确的警报信息发布程序和协议，以确保终端用户正确接收警报信息。 应监测雷暴探测仪和通信链路的工作情况，并将所有可能影响警报可用性和质量的故障 端用户，

所有雷暴探测仪均应根据制造商的说明书在最佳条件下安装，以保证其受到的环境干扰最少。为 比，应提前分析预计的安装位置，以使传感器适应特定的现场条件。 雷暴探测仪的安装易受多种因素影响：故新安装的探测仪在达到最佳工作状态之前需要一段时间 的调试。调试应由系统制造商或制造商特别授权的技术人员完成。 对集成在雷暴预警系统中的子系统（含警报传输）进行维护是必不可少的。雷暴预警系统信息的准 确性直接取决于其传感器的性能参数、环境（即植被、建筑物、塔楼等）以及传感器与雷暴预警系统之间、 雷暴预警系统和终端用户之间的通信链路。因此，应根据制造商的建议每年或甚至更短时间内进行系 充维护。 规范的安装和及时的维护对于预警系统的正常运行至关重要。 注：维护工作包括清洁、调整参数、确保运行状态良好，确保通信正常等

通过评估雷暴预警系统的运行情况，可以优化其参数，进而提升系统的质量和可靠性，系统发出的 警报可更好地满足终端用户需求。 评估结论可为以后系统警报设置、预防措施改进提供非常有价值的信息，并有助于了解目标区域的 雷电环境。 安装人员宜建立一套评估程序，该程序宜包括用户提供的警报期间的信息，如警报数、潜在的漏报 数、虚报数、损害量等。 基于验证信息的可用性，评估可通过不同方式进行，例如： 与准确度更高的其他来源的信息相互关联，如：其他雷电定位系统、气象雷达、气象卫星等的 数据； 利用能够记录详细警报相关有用信息的系统，处理其所有归档数据；这是微调和验证警报参数 设置合理性的唯一方法； 一经验：气候学，现场观测，不切实际的警报持续时间等。 一个雷暴预警系统主要性能参数为 以虚报数与总警报数（FA+EA）之比确定的虚报率（FAR），见式（1)：

以漏报次数（FTW)与应警报总数（FTW+EA)之比确定的漏报率（FTWR），见式（2）：

提前时间的设置： 警报持续时间的设置。 表2给出了有效警报（EA）、虚报及漏报的计算方式

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为改善雷暴预警系统性能，可以调整的主要参数有： 监测区域内的警报触发判据； 监测区域的大小和形状； 驻留时间。 预警系统参数的变化会导致性能的变化，例如： 监测区域面积的扩大将导致警报数的增加、提前时间的延长，以及虚报率的上升和警报持续时 间的延长； 监测区域面积的减少可能会提高漏报率，但降低虚报率和缩短提前时间： 提高警报触发判据的灵敏度将降低漏报率和增加提前时间，但可能提高虚报率； 缩短警报驻留时间将缩短警报持续时间，但将人为导致警报数的上升 根据警报应用，性能优化的目标可以不同： 在服务中断成本巨大的应用中要求虚报率最小，警报持续时间最短； 在涉及人身安全的应用中要求漏报率最小； 在预防措施需要较长时间激活的应用中要求有足够的提前时间

8.2雷暴预警系统评估

确度不同。这些数据可用于评 的性能，但需要考虑数据在探测效率和定位精度 的局限性，较低的探测效率，有可能

8.3雷暴预警系统微调

有些雷暴预警系统可长时间保存雷电位置、电场等原始数据，这些数据可用来优化预警参数。根据 目标区域对雷暴预警系统低漏报率、长提前时间等参数的性能要求，可在调整监测区域的大小、形状以 及触发条件等预警参数时检查所需指标的灵敏度。 基于场强测量的雷暴预警系统中，唯一可调参数将是触发判据。如归档数据有足够的时间分辨率， 可调整阅值、场强变化分析、峰值检测等参数并进行优化。实际上，此时监测区域的大小、形状与覆盖区 域严格合并。 在基于雷电探测网络的雷暴预警系统中，可通过调整监测区域的大小、形状以及触发判据达到最佳 性能。 注：对于有些雷暴预警系统，监测区域不可调

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9雷暴预警系统应用指导

使用雷暴预警系统的可行性评估包括三个步骤： a）危险情况识别； black b）损失类型确定； c）风险控制：包括控制和降低风险的措施选择、实施和跟进等降低风险的选择。 本标准未提出预防措施的任何细节。可推荐采取的预防措施示例参见附录D

9.2.2第1步危险情况的识别

表3列出了各种可能的危险情况。如果表中没有涉及的情况，则选择“其他情况”

9.2.3第2步—损失类型确定

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9.2.4第3 步风险控制

应确认雷暴预警系统提供的信息是否有助于采取降低风险的临时预防措施（参见附录C)。如 则该雷暴预警系统是无用的（与损失类型无关）。如有，则每一种危险情况（见表3）和损失类型

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表4～表7)确定了雷暴预警系统是否合适（见表8）。鉴于有多种不同解决方案，最终应选择最安全的 方案，

A.1雷暴云的成因和起电

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雷电是由起电的云产生的，但并非所有的云层都起电。产生雷电的雷暴云，通常具有显著的垂直 纵深)发展特征，同时云中有过冷云滴、冰晶和散（软苞）粒子存在。雷暴云也能在地面产生大风和灾害 天气（冰霍、龙卷风）。 雷暴或积雨云是由上升气流产生的，这些上升气流最初都来自太阳对地球表面和大气边界层空气 的加热。对流云形成的热力学基础是条件性热力不稳定和对该过程的初始触发。其触发机制主要包 括：边界层内的热力抬升、锋面与阵风锋边界之间的抬升、地形动力抬升（如典型山区）以及锋面动力拾 升。当上升气流进入低压环境，气流将膨胀并冷却，直到温度达到露点形成水汽，然后水汽凝结成云，水 汽凝结释放潜热使抬升动力增大。如果该气流的温度降低到冰点温度以下，就会形成冰晶和蔽，云就具 备了起电的基础，雷电将产生。 典型的雷暴单体的直径为10km，云顶高度为12km，生命周期小于30min。其他类型的雷暴比如 多单体雷暴带、雷暴簇、超级单体雷暴以及中尺度对流系统（MCS)具有更大的尺度，持续时间可长达数 个小时。不同类型的雷暴往往出现在不同的地理区域内。 单个雷暴云的电荷分布模型包含三个电荷区，云中部一个集中的负电荷区，其上方是较为分散的 个正电荷区，下方有一小正电荷区。雷电更容易在负电荷区的边缘或靠近边缘部分产生。如果雷电在 负电荷区的顶部附近产生，通常会发展为包含主负电荷区和主正电荷区的云闪。如果放电发生于负电 荷区下边缘或附近，它会产生下行负地闪

尽管地闪对人类活动危害最大。但一个雷暴产生的大多数雷电并不会到达地面，这些雷电一般祖 你为云闪。 当雷暴云中的电荷积累到一定程度后，雷电便发生了。云闪通常出现在第一次地闪前几分钟，但并 不总是如此。雷电的极性由传输到地面的电荷的极性确定。雷电的特征也取决于最初先导电荷的方 向，云对地闪电向下，地对云闪电则向上。图A.1给出了标准的地闪分类。下行地闪是最常见的，而上 行地闪通常由高建筑物引发（即高于100m的建筑物或处于山区的较小的建筑物）

图A.1标准地闪分类

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最常见的雷电类型是下行负地闪（通常约占90%），但在一些特殊情况下不是这样，比如冬季雷暴、 强雷暴或中尺度对流系统的层状云区域，正地闪占多数。通常，下行负地闪开始于云内的初始击穿过 程，紧接着产生下行先导，间款性、多分支、星梯级地向地面发展，这一过程就是梯级先导。当负极性梯 级先导接近地面时，该先导下方，在电场的作用下将产生一个或更多向上的、连接的先导，这些先导通常 来自最近的接地导体尖端。当两个先导连接时，回击开始了。回击过程是强烈的电流脉冲，它将电流传 输到地面，并沿电离的先导通道大约以光速三分之一的速度向上传播。回击通道的温度峰值约为 30000K，它是最亮的闪电过程。回击过程的持续时间为几百微秒到几十毫秒，取决于连续电流的持 续时间。后继回击通常发生在首次回击几十毫秒后，在一次典型的雷电过程中通常有3个～4个先导/ 回击过程。 更多详情参见参考文献9 black

A.3有助于雷电防护的雷暴和雷电特征

雷暴云内的电荷在地面上形成一个强静电场，该静电场通常比晴大时强得多。这样，随着雷暴的发 展和接近，测量雷暴静电场可以提供一个预警因子，但有一定的局限性。其中一个局限就是地面电场不 是云电荷产生的真实场，因为云和地面之间存在明显的空间电荷层，不可能确定一个与即将发生雷击相 寸应的精确电场阅值。第二个局限是只能测量距离雷暴最多几千米内的电场。 地闪和云闪产生的电场突变可用来探测雷电。如在多个站点同时测量到电场突变，则可以定位引 闪电变化的电荷的云内中心位置。不过，利用静电场变化定位闪电位置不是通常采用的方法

由于电流的快速、剧烈变化，雷云放电会产生电磁辐射，通过组合使用单项或多项技术，这种辐身 用于探测和定位雷电。附录B描述了目前使用的几种技术。 通过定位云闪、地闪或这两种闪电，可以追踪雷暴以实现预警和预防雷电灾害。

A.3.2.2 云闪的探测

在雷暴中，云闪通常出现在首次地闪之前。因此，云闪常用于雷电预警。 一般云闪比地闪多2倍～3倍，这为监测和跟踪雷电活动提供了更多手段

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相比地闪，云闪活动更加活跃，这要求云闪监测具有更强的数据处理能力。在甚高频频段内可能有 几万个电磁辐射源，这一高发生率将探测限制在几百千米范围内

A.3.2.3地闪的探测

1.3.3其他有助于闪电探测的参数

3.3.1雷电间隔与频次

常用于描述一次雷暴的雷电活动

A.3.3.2 云地闪比

内次数与地闪次数的比值提供了雷电活动和雷暴

正地闪常见于冬季雷暴和中尺度对流系统的层状云区域。此外，相对于负地闪，如果正地闪的百分 高可能预示有灾害天气。 所有这些参数对雷电定位系统的性能非常敏感

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本附录介绍了雷暴探测技术的分类，也描述了用于雷暴探测的技术方法，并且根据获取雷电信息的 需要，给出了选择正确类型探测仪和/或探测系统的指南。

B.2探测技术和传感器参数要求

用于探测雷暴的第一个征兆（阶段1），在云闪或地闪发生之前和存在雷电风险期间，提供早期预警 以便采取预防措施。该类雷暴探测仪是通过测量雷暴产生的静电场来实现的。 雷暴的起电过程或雷暴，会造成晴天天气静电场的变化。由于地表上方的大气带正电，晴天时，平 坦地面附近的大气静电场为正值，幅度约在100V/m150V/m。雷暴云时地面电场幅度可以达到每 米几千伏特。由于空间电荷层的存在，雷暴云产生的电场受到屏蔽，通常会使地面静电场保持在 10kV/m以下。 用于探测雷暴电场的传感器，分辨力应优于200V/m，电场测量范围至少为士20kV/m。初始阶段 的静电场变化相对较慢，每隔几秒采样就足够了。如需要电场变化的信息，最低采样频率宜为每秒 雷暴探测设备宜提供有关电场等级的信息。有些设备还可以提供电场变化的信息。 A类雷暴探测仪能够探测是否存在带电的云，但是不能确定雷暴云发生第一次放电的静电场 值。监测区域强烈受制于随距离增大而迅速减弱的静电场，故静电场测量的最大半径宜为距离电荷区 边界20km。因地理环境的限制，该类雷暴探测仪用于局部探测。 因附近任何雷电都可造成静电场的快速变化，故A类探测器也可在雷暴阶段2、阶段3、阶段4提 供信息。 任何情况下，制造商或服务商宜提供预警等级和预警方法的信息。当测量受局地电场增强影响时 预警等级信息取决于安装站点的环境

用于探测云闪和地闪（阶段2～阶段4）。云闪会在甚高频频段产生大量射频源。通常，云闪在此频 （大约100MHz）进行探测和测量 云闪探测仪的探测效率宜满足用户的应用需求（参见附录E）。因为云闪的定位对于采取预防措施 比较重要，制造商或服务商宜给出探测仪的探测半径和定位不确定度。地闪的定位不确定度宜与用户 的应用需求一致（参见附录E）。

制造商或服务商宜提供探测方法和预警的相关信息

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用于探测地内和部分云内。地内在低 (10kHz～500kHz)会产生明显的辐射。 地闪探测仪在监测区域的探测效率宜高于90%。因地闪的定位对于预防措施比较重要，制造商或 服务商宜给出探测半径和定位精度，监测区域内50%地闪的定位精度宜小于1km。 制造商或雷电数据供应商宜提供探测方法和预警的相关信息

用于探测地闪（阶段3），也可探测其他电磁脉冲 号和其他信号源（EMI）的区分能力较弱。

根据用途，雷暴探测仪可划分为两种定位技术。为了确定雷击位置，需要多传感器的雷电定位 如仅需了解雷电活动的一般信息和/或雷暴的大致距离与方位，则可以使用单传感器的雷暴 文

B.3.2多传感器定位技术

共有四种多传感器定位技术： MI1：磁定向法（MDF） 利用两个正交磁线圈测量磁场的H，和H，分量。磁环的磁通量与人射角成比例，其中一个磁环与 ac 人射源方位角的余弦相关，而另一个磁环与正弦相关，两者的比值就是方位角的正切值。用两个或多个 磁定向仪，通过计算定向仪方位角的交叉方位即可确定雷击位置。 MI2:到达时间法（TOA) 利用脉冲从辐射源到达传感器所需要的时间延迟进行定位：较近的传感器比较远的提前探测到信 号。到达时间法可在甚低频、低频范围和甚高频频段应用。 MIL.3：射频干涉法（RFI) 通过测量紧密放置的天线之间的相位差来实现。此方法与到达时间法的区别在于它可以处理连续 信号，因此不需要识别脉冲。 MIL4：光学成像测量法（OI) 空基（卫星）的传感器能够探测雷电产生光信号的快速变化并对它们进行成像。此技术不是非常精 确.但为在无法使用地基探测系统的 电研究提供了可能

B.3.3单传感器定位技术

单传感器（SS）定位技术如下： SS1：场强测量法（FSM） 在雷暴形成期间，电场的上升可用于对即将发生的雷电活动进行预警。雷击产生的电场快速变化 可用于确认雷击的发生。 SS2：磁定向法（MDF) 由于单个磁定向仪能够给出雷击的方位角，如果能通过测量信号强度和/或信号波形确定雷击的大 改距离，则用于雷电监测网的磁定向技术也可以用于单传感器系统。 SS3.射频信号强度测量法（RFM)

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由于雷电流特性的多样性，测量天线接收的雷电信号强度不是一个有效的方法。复杂的信号处理 方法并结合光学探测有可能明显提高雷电定位的精度。但该方法本质上是不准确的。 所有可用的雷暴探测技术都有其对应的应用。 ML1、ML.2、ML3定位方法在雷电探测网络中的应用既实用又科学，常被用于向公众开放数据的商 业网络，这些网络可以在世界各地找到， MI4定位方法主要用于科学研究，由高校和政府机构安装使用。 单传感器技术也有不同的应用特性。 SS1探测仪用于雷电发生前及雷暴整个生命周期的局地预警。 SS2探测仪可提供实际雷击的方向和距离信息。它们在需要准确、实时信息和不想依赖商业雷电 案测网络提供所需数据的公司中找到用户。然而，这些用户应注意，与多传感器雷电探测网络相比 SS2探测仪所提供的信息不够十分准确。 SS3探测仪可以分为两个质量等级。较复杂的探测仪包含了复杂的信号处理模块，能够给出具有 定精度的雷电距离。某些探测仪还使用光学传感器确认探测的信号与闪电有关 较简易的探测仪使用一个小天线进行信号强度的简单测量，并且探测仪仅有有限的信号处理模块 只能给出非常粗略的局地雷击信 一般性地提示，不适用于雷电预警

B.4雷暴探测仪的评估

为使预警系统准确和高效，用于预警的雷暴探测仪应具有一定性能水平。可以使用一些方法验证 这些特性，如： 基于系统结构和探测技术的理论计算； black 实验室测试； 不同系统之间进行比较； 用安装了监测仪器的高塔或带时间标记的视频或图片进行实验验证； 现场验证。

B.5雷暴探测系统的选择

根据附录C中给出的风险评估和附录D中描述的预 预防措施，可以选择雷暴探测仪建立雷暴预警系 统。根据预警的应用和可用的雷电信息，可能存在若干合适的探测技术。最终决定采用哪种技术应经 过多方面详细的分析，包括预警需求（必要提前时间、可接受的虚报和虚报率）、允许的预算和每种探测 技术能提供的信息。 雷暴预警系统如何保障机场安全的范例参见参考文献[4]

表格中，相关的选择以白色背录显示，不相关的选择以

形位公差标准1中列出了可能情景下识别的一个或几个危险

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附录C （资料性附录） 雷暴预警系统应用示例

表C.1危险情况识别

C.1.2第2步：损失类型

针对表C.1中每个选择的情况，评估关于财产（表C.2)、服务（表C.3)和环境（表C.4)的不同损失以 便确定损失（A、B、C或一）类型

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硅钢片标准重要设备可能直接或间接被雷电损坏而中断服务。