農(nóng)業(yè)雷電防護技術建設研究

胡 旻

陜西省突發(fā)事件預警信息發(fā)布中心，陜西西安 710014

設施農(nóng)業(yè)是指利用各種基礎設施建設為農(nóng)作物生產(chǎn)創(chuàng)造良好環(huán)境的生產(chǎn)作業(yè)方式，該作業(yè)模式包含了機械裝置、信息化管理和自動控制等模塊，是現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)發(fā)展的關鍵。目前，我國的東北地區(qū)已經(jīng)開始廣泛應用設施農(nóng)業(yè)，且取得了可觀的經(jīng)濟效益。但同時該生產(chǎn)模式的問題也開始凸顯。設施農(nóng)業(yè)對場地的要求較高，一般選擇高位置或者寬闊區(qū)域作為主要的生產(chǎn)場地，這類區(qū)域遭遇雷擊災害的風險較大，不僅農(nóng)田、牧場面臨被雷擊的威脅，甚至設施裝置也極易被雷電災害破壞。故需要研究如何建設雷電防護體系，為設施農(nóng)業(yè)的穩(wěn)定運行提供有力保護。

1 防雷工作開展對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的意義

我國是農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)是國民經(jīng)濟發(fā)展和建設中的支柱產(chǎn)業(yè)，農(nóng)業(yè)發(fā)展決定了民生發(fā)展。相比于工業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)，農(nóng)業(yè)種植受外界因素的影響更深，天氣、環(huán)境等因素都會影響到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效益。在眾多影響因素中，雷電活動的發(fā)生概率較低，但影響較大，一旦發(fā)生雷擊災害，農(nóng)地面臨不僅僅是作物損毀或者設施損壞等經(jīng)濟層面的損失，甚至會威脅到農(nóng)業(yè)從業(yè)者的人身安全[1]。

在農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展的大背景下，不少先進技術被應用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，如電子傳感器、測量設備和自動化系統(tǒng)等，這些設備提升了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，提高了農(nóng)業(yè)經(jīng)濟效益，但同時也產(chǎn)生了安全隱患。設施農(nóng)業(yè)中常用到的電子傳感器和自動化系統(tǒng)等都屬于弱電系統(tǒng)，且設施農(nóng)業(yè)出于容納各類設備設施的需要，選擇在廣闊范圍內(nèi)分散布設，這又加大了遭受雷電災害的風險，也增加了人員在作業(yè)中的風險。出于保護從業(yè)者安全和加快農(nóng)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展速度的需要，針對農(nóng)業(yè)行業(yè)開展防雷工作就被賦予了重大意義。

雷電活動的預防一般是根據(jù)采集的天氣信息進行分析后傳遞到相應的端口，如各種網(wǎng)絡平臺或者手機APP，相關人員從網(wǎng)頁或者手機中接收到天氣信息后，根據(jù)風向、氣壓和溫濕度等信息判斷雷擊災害發(fā)生的可能性，并做好防雷部署，減少自然災害對農(nóng)地帶來的不良影響，確保農(nóng)業(yè)的高效生產(chǎn)。在新時期中，農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化轉(zhuǎn)型正在快速推進，設施農(nóng)業(yè)的大面積推廣也促使相關單位進一步加強農(nóng)業(yè)防雷措施的制定[2]。因此，如何提高雷電防護水平，是當前農(nóng)業(yè)發(fā)展中必須思考和認真對待的問題。

2 雷電災害設施農(nóng)業(yè)的影響

雷電活動對農(nóng)業(yè)的災害影響分為直接影響和間接影響2種。直接影響是指直擊雷對農(nóng)田產(chǎn)生的災害影響。直擊雷在不需要介質(zhì)的情況下直接擊中建筑物或者各類設備，會由此引發(fā)強烈的電效應和熱效應，電、熱效應作用在農(nóng)業(yè)設備上，就會引起設備短路、損壞等[3]。具體而言，直擊雷擊中設施農(nóng)業(yè)的各類設備與裝置時，自身蘊含的巨大能量會在裝置內(nèi)引發(fā)熱效應，出現(xiàn)短路或者燃燒，如果沒有及時處理，會演變成火災事故，最終給農(nóng)業(yè)設施和附近區(qū)域帶來嚴重危害。例如，2018年發(fā)生于四川南部縣的水田雷擊事件，由于農(nóng)田空曠，農(nóng)民在其中位于區(qū)域高點，不幸導致了人員傷亡。同樣，在農(nóng)田中的設施設備，由于相對周邊的作物有更高的水平面，極易突出成為農(nóng)地的高點，也就增加了被雷擊的風險。

間接影響是指雷擊電磁脈沖影響，當建筑物或設備遭受雷擊時，雷電流會沿系統(tǒng)中的防雷裝置的各分支導體流入大地，流過分支導體的雷電流會在系統(tǒng)內(nèi)部空間產(chǎn)生暫態(tài)脈沖電磁場，脈沖電磁場交連不同空間的導體回路，會在這些回路中感應出過電壓和過電流，導致設備接口損壞。雷電流產(chǎn)生的暫態(tài)脈沖電磁場不僅能在配電線路中感應過電壓和過電流，還能在設備之間的通信線路中感應出過電壓和過電流。過強的雷擊電磁脈沖會對建筑物、人體和各種電氣設備及線路造成不同程度的危害。

3 農(nóng)業(yè)防雷技術的設計

3.1 接地設計

結合農(nóng)業(yè)防雷的需要，應為設施農(nóng)業(yè)設計防雷接地機制，防雷接地的原理是在雷擊發(fā)生時，依靠接地裝置將雷電流引入大地，以此減小雷電流對設施農(nóng)業(yè)的破壞，但如果因為土壤電阻率太高，就會影響雷電流的泄放效率，設備運行的安全也難以得到保障。所以在防雷接地系統(tǒng)設計中，土壤電阻率問題要尤為注意，電阻率越低，才越有利于雷電流泄放，降低雷電災害事故對設施農(nóng)業(yè)的損害[5]。

在設計防雷接地系統(tǒng)時需要注意地區(qū)環(huán)境，如果沒有結合實地情況針對性進行接地設計，就很可能出現(xiàn)接地設計無法滿足農(nóng)田安全需求的情況，這種設計會導致接地裝置無法將雷電流引入大地，當雷擊發(fā)生時，接閃桿、塔的電位會上升，進而產(chǎn)生電位差，導致設備出現(xiàn)雷擊事故，影響農(nóng)戶的人身財產(chǎn)安全。

農(nóng)田的位置一般位于河岸、平原或者山坡等區(qū)域，這些區(qū)域的水源充足、土地肥沃，適于作物種植，但同時也是雷擊活動的高發(fā)區(qū)，因此防控的難度較大，如果接地設計不恰當，會直接損害農(nóng)業(yè)設施，給從業(yè)者造成經(jīng)濟損失。故在設計接地方式，如何選擇合適的接地方案是一個關鍵性要素，當雷擊發(fā)生時，設施農(nóng)業(yè)的設備線路中的低阻抗線路就會出現(xiàn)巨大的電位差，讓絕緣子等防雷裝置產(chǎn)生閃絡問題，尤其是當設施農(nóng)業(yè)位于高位置等雷擊易發(fā)的區(qū)域時，發(fā)生擊穿現(xiàn)象的概率和出現(xiàn)設備故障的可能性也更大，所以在設計接地方案時，要考慮到該地區(qū)的雷電發(fā)生頻率，通過恰當?shù)慕拥卦O計避免雷擊問題威脅農(nóng)戶的生命與財產(chǎn)安全。

3.2 材料選擇

接地材料的選擇也是防雷接地設計中需要考慮的重點，合理的材料運用才能發(fā)揮出理想的雷電流傳導效果，將雷擊危害控制在最低。常用的接地材料有熱鍍鋅鋼、銅包鋼和鍍鎳銅包鋼等，不同的材料在應用于接地系統(tǒng)時所采取的方法也不同，根據(jù)材料特性，選擇與之匹配的方案才能讓接地系統(tǒng)的雷電流傳導效果發(fā)揮到最佳[6]。

因為農(nóng)地的雷電活動發(fā)生概率較高，頻繁的雷擊會增加電涌保護器的運作負荷，影響到電涌保護器的正常運作。在設計防雷機制時，可以額外在設備的供電導線下加裝耦合地線，這條耦合地線的作用是為了讓接閃桿和接閃線能實現(xiàn)耦合和分流，讓接地電阻得到控制和降低，避免傳導不暢。除了增設耦合地線的做法，也可以在桿塔的頂部加裝一條單獨的接閃線，當雷電災害事故發(fā)生時，農(nóng)田可以依靠接閃線將雷電導入引下線，避免雷電擊中現(xiàn)場的設施設備，提高農(nóng)田對雷電災害事故的抵抗能力。

針對接閃線的具體設計，其設計目的始終是圍繞有效轉(zhuǎn)移雷電流，將雷電流導入大地而展開。導入的效果越好，各類設備設施被擊穿的概率越低，發(fā)生線路跳閘的概率越少，設備的使用壽命越長，農(nóng)業(yè)效益越高。接閃線的鋪設位置一般設置在導線上部，但如果線路密度過大，就要進行靜電屏蔽分流。同時，也要注意絕緣子的材料性能和特點，目前市場上常見的絕緣子有陶瓷、有機合成、玻璃3類，陶瓷和玻璃的絕緣性能良好，但材質(zhì)的脆性大，被擊穿的概率較高，農(nóng)田屬于雷電災害頻繁的區(qū)域，極易因為擊穿而發(fā)生不可逆的問題，因此選用陶瓷和玻璃的效果并不理想，且容易增加農(nóng)戶的防雷成本。有機合成類的絕緣子雖然絕緣性能較弱，但抗擊穿能力要優(yōu)于陶瓷類和玻璃類絕緣子，出于成本和安全性考慮，在農(nóng)田這種雷電災害頻發(fā)的地段，使用有機合成類絕緣子要比陶瓷類絕緣子和玻璃類絕緣子更合理。

不同的接地材料，其接地方式也不同，采用熱鍍鋅角鋼和熱鍍鋅圓鋼作為接地材料時，角鋼的垂直埋設深度必須大于0.5 m，角鋼之間的水平間隔必須在4 m以上。采用銅包鋼與鍍鎳銅包鋼作為接地材料時，需要采用地基套筒的做法一根一根依次打入，這是因為銅包鋼與鍍鎳銅包鋼對場地條件的要求較為苛刻，限制條件較多，因此只能在一些特殊環(huán)境中使用。

3.3 電阻控制

土壤電阻率和防雷設備的防雷電效果呈反比，土壤電阻率越高，防雷設備的防雷電效果越差，而土壤電阻率越低，則防雷設備的防雷電效果越好。故防雷電系統(tǒng)的設計需以降低土壤電阻率為目標。降阻設備需要埋設于30.0～40.0 cm的地下土層中，其自身帶有半圓筒，具備相應的滲水和蓄水的能力[7]。設備埋設到土層中后，若空氣濕度低不能滿足雷電形成的天氣，則半圓筒內(nèi)就沒有蓄水，一般在下雨時，半圓筒中的積水如果符合接地電阻運行的標準后，就會立即將接地體兩端導線相連接，直接作用于接地體回填土，使土壤濕度增大、擴大接地體面積，從而降低防雷裝置的接地電阻值，提高設備的防雷效果，使設施農(nóng)業(yè)的防雷設備更有效地抵御雷擊。

相關單位還要借助傳感器和信號調(diào)理技術，得到設施農(nóng)業(yè)設備結構、設施農(nóng)業(yè)設備系統(tǒng)等運行狀態(tài)下的監(jiān)測信息。另外，還借助于電子系統(tǒng)嵌入式測試技術，逐步構建更加完善的芯片級、電路板級、設備及系統(tǒng)級的立體化監(jiān)測體系，有效掌握設施農(nóng)業(yè)中各類設備設施的具體運行信息，為設施農(nóng)業(yè)雷電災害診斷工作和健康管理工作提高更好的技術支持，并及時將信息傳導給農(nóng)戶，保證設備設施的及時更換和維護。

對于傳感器和嵌入式測試數(shù)據(jù)，應實施數(shù)字化處理，重點針對數(shù)據(jù)格式統(tǒng)一化、數(shù)據(jù)交換和數(shù)據(jù)融合等相關問題進行研究。其中主要涉及 模數(shù)轉(zhuǎn)換、噪聲抑制和濾波壓縮等相關核心技術；探討數(shù)據(jù)融合挖掘的具體措施，借助統(tǒng)一化的數(shù)據(jù)格式實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和存儲，從而更加便捷地進行數(shù)據(jù)到信息的過濾。針對機械和動力傳動系統(tǒng)，如各類農(nóng)機設備數(shù)據(jù)信息的整理收集，源于設施農(nóng)業(yè)設備結構、設施農(nóng)業(yè)設備系統(tǒng)的相關信息，對監(jiān)測信息實施統(tǒng)一集中分析，最終利用統(tǒng)一標準的格式有效融合相關數(shù)據(jù)。對電子系統(tǒng)來說，獲取到源于電路板以及設備、分析其監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過統(tǒng)一標準的格式構建更加全面系統(tǒng)的信息數(shù)據(jù)庫，從而對雷電災害預測與安全生產(chǎn)管理帶來充足的信息支持。

3.4 技術推廣

第一種是政府部門與氣象部門的結合模式，在最大化發(fā)揮政府優(yōu)勢的情況下使防雷技術得以順利規(guī)范的推廣，并借助各個氣象部門的力量進一步提高設施農(nóng)業(yè)防雷水平，這種模式的優(yōu)勢在于避免遭受市場風險。第二種是相關企業(yè)、政府部門與合作社的結合的“三位一體”推廣模式，建立三者之間的聯(lián)系并合理利用三者之間的相互促進作用，讓企業(yè)參與到防雷設備的生產(chǎn)和輸送中，由政府或者合作社統(tǒng)一向某企業(yè)購買防雷設備，減輕農(nóng)戶的經(jīng)濟負擔，同時提高售后保障質(zhì)量。面臨多個防雷技術的取舍問題時，應選擇防雷效果好、使用壽命長的技術，政府部門為企業(yè)發(fā)展提供資金支持，企業(yè)也要與合作社簽訂生產(chǎn)協(xié)議。在鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略背景下就要選擇更加高效且具有實際發(fā)展意義的推廣模式，充分發(fā)揮政府監(jiān)督職能，助力企業(yè)積極引領，激勵農(nóng)民熱情參與。

此外，防雷技術在實際推廣過程中要立足于當?shù)禺a(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀，從全局角度出發(fā)做好綜合布局，確保地區(qū)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)性、循環(huán)性發(fā)展，政府要關注基礎資源保障問題，如制度、資源和資金投入等，通過網(wǎng)絡平臺實行一站式行政審批服務，有效提高技術應用的便捷性。安全性、可靠性是防雷技術應用首要檢驗的2項指標，對此可拓展更多便捷的檢驗渠道；巧用政府平臺力量推進防雷技術宣傳工作，以政府部門為主，當?shù)孛襟w為輔，拓寬防雷信息宣傳面，加深基層群眾對防雷安全的認識。

無論何種先進的防雷技術，其價值的體現(xiàn)都要通過應用實現(xiàn)，從科技成果轉(zhuǎn)化再到科技成果入戶，真正地將科技應用到每位基層種植戶。各地政府部門要立足于設施農(nóng)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀合理安排防雷技術人員，在確定防雷推廣任務的前提下量化任務，以此保證工作質(zhì)量?？萍既霊艄芾黼x不開完整的績效考核制度的激勵作用，獎懲有度的考核能夠強化防雷技術推廣人員的工作態(tài)度和責任感。

4 結束語

我國農(nóng)業(yè)經(jīng)濟在快速發(fā)展，現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型也越發(fā)迫切，由此帶來的雷擊災害事故也成為發(fā)展中要重點思考和防御的問題。農(nóng)田由于場地寬闊，水平面高，形成區(qū)域高點的概率較大，也比一般設施農(nóng)業(yè)更易遭遇雷電災害。雷電災害問題的發(fā)生不僅會影響農(nóng)業(yè)效益，還會危及從業(yè)者的人身安全，造成嚴重的雷電災害。目前主要的防雷手段是通過氣象預警，向從業(yè)人員發(fā)布雷擊預警信息，督促從業(yè)者自行進行防雷安全預防工作。但該方法的不可控性過大，加之從業(yè)者的個人水平參差不齊，難以保障所有從業(yè)者都能及時應對雷擊事故。故提出加強防雷技術建設，在農(nóng)地設立現(xiàn)代化的防雷設備，以此提高農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的雷電防護能力，通過接閃桿、接閃線的布置，以及更先進傳感器的引入，提高農(nóng)地對雷電活動的預防能力，最大限度地降低雷電活動帶來的危害，保證農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的安全進行。