設施農業雷電災害的發生與防雷對策研究

劉嘉欣?任菲瑩?樊嘉璐?劉洋

摘 要：隨著我國農業產業現代化建設步伐的不斷加快，設施農業在農業生產領域占據著越來越重要的地位，是我國農業未來發展的主流趨勢。在我國設施農業開展全面建設的過程中，雷電災害是影響設施農業高質量發展的主要因素?；诖?，對設施農業雷電災害的產生與防雷對策進行深入研究，結合設施農業雷電災害的類型和成因分析，有針對性地提出雷電災害的防御策略，為促進我國農業產業健康發展，提高設施農業建設水平提供參考。

關鍵詞：設施農業；雷電災害；類型和成因

中圖分類號：S429 文獻標志碼：B文章編號：2095–3305（2024）01–0-03

設施農業指的是通過應用現代科技和工程技術，結合農業生產的特點和需求，以提高農作物和畜禽養殖的生產效率為目標的一種農業經營模式。它以建筑設施、環境控制、自動化設備和先進管理技術為支撐，將農業生產與現代工業化緊密結合，通過優化資源配置，提高土地利用率，減少對自然環境的依賴，實現農業生產的可持續發展。

在設施農業中，建筑設施是核心要素之一。溫室大棚、日光溫室、魚塘等不同類型的建筑設施為種植作物和養殖動物提供了理想的生長環境。這些設施的設計充分考慮了光照、溫度、濕度、通風等因素，最大限度地滿足農作物和畜禽的需求并促進其生長發育。同時，自動化設備的應用也是設施農業的重要組成部分。自動播種機、自動灌溉設備、自動施肥機器人等先進設備的使用，大大提高了生產效率和勞動力利用率。通過計算機控制和智能化技術的應用，實現各項操作自動化和遠程監控，不僅減輕了農民的勞動強度，還提高了農業生產效益[1]。

設施農業還依靠先進的管理技術實現高效的農業生產?？茖W、合理的種植結構設計、精細化的管理模式和信息化管理系統的應用，能夠提高生產計劃的準確性和決策的科學性。通過數據分析和決策支持系統的建立，農民可以及時獲取生產過程中的各項指標和信息，以便做出合理的調整和決策，進一步提高農業生產效益。

1 雷電災害對設施農業的影響

雷電災害給設施農業帶來的巨大影響是不可忽視的，這種自然災害不僅給農作物的生長和產量帶來了巨大的損失，還對農業基礎設施的穩定性和安全性造成了威脅。第一，雷電災害會嚴重破壞設施農業中的溫室和大棚等建筑物。農業設施建設需要投入大量的人力、物力和財力，并承擔著促進農作物生長的任務。然而，雷電災害可能會引起火災，損毀溫室和大棚，不僅會增加農民的經濟負擔，還會延誤農作物的生產周期，對糧食供應和農產品市場穩定產生不利影響。第二，雷電災害對設施農業中的電力供應和自動化農業設備造成巨大的威脅?，F代設施農業依賴于穩定的電力供應來維持灌溉系統、溫度調控、照明和其他關鍵功能的運行。然而，雷電災害可能導致電力線路損壞和設備故障，使得農業生產無法正常進行。在雷電頻發區域，農民需要采取額外的防雷措施來保護農業設備和電力設施，這增加了他們的工作負擔和經濟成本[2]。

2 設施農業雷電災害的類型

2.1 直擊雷電

直擊雷電是指當雷云中的電荷達到一定值時，在空氣中形成閃電通道，并直接擊中建筑物、構筑物等可以導電的材料，最終將電荷引入地面。直擊雷電對農業設施造成嚴重影響。根據布置要求將農業設施分為戶內和戶外兩種類型，無論是哪種設施，都對過電壓和過電流具有極高的敏感性。當設施突然受到高電壓的影響，超過其自身的耐壓等級時，會發生電磁擾動，進而干擾設施的正常運行。當直擊雷電擊中設施農業設備以后，所產生的電效應、熱效應和機械效應會釋放出大量的能量，導致設備內部發生火災，進而影響設備的正常運行，嚴重情況下可能造成人員傷亡。

2.2 雷電電磁脈沖

雷電電磁脈沖（LEMP）在21世紀被視為對弱電控制系統和線路的一種嚴重威脅。隨著科技的不斷進步，弱電控制系統已廣泛應用于各種設施，包括農業設施。然而，這些系統的脆弱性使它們容易受到雷電電磁脈沖的侵害。

當雷電天氣發生時，大氣中的電荷放電會在極短的時間內產生高電流，導致周圍空間出現高頻率且變化不定的電磁場。這種急劇變化的電磁場具有強大的能量，會對附近的電氣和電子設備產生顯著的影響。金屬導體材料，如電線和電纜，在這種電磁場中會感應到電動勢的變化。若供電系統的線路形成閉合環路，或存在通路不暢、接觸不良等問題，這些感應電動勢就可能在線路中產生過高的電壓和電流。在這種情況下，很容易發生擊穿放電的現象，即電氣設備的絕緣材料被破壞，導致電流直接通過設備，從而造成設備損壞甚至引發火災。農業設施，尤其是那些依賴弱電控制系統的設施，特別容易受到雷電電磁脈沖的影響。當雷擊農業設施或附近的導電物時，高電流會通過電源線路進入配電裝置。由于農業設施的電源線路和電氣設備往往沒有設計承受如此高的電流的裝置，因此它們會受到嚴重損壞。這種損壞不僅會導致設施的正常運行中斷，還可能造成長時間的停產和重大的經濟損失。

2.3 閃電感應

一方面，靜電感應是指在雷雨天氣中，雷云下方的地面和建筑物會因為靜電感應產生與雷云相反的電荷，也被稱為閃電靜電感應[3]。當雷電發生和發展時，周圍的電荷場會受到影響，導致金屬物體上積聚感應電荷，從而產生感應電流。靜電感應會在農業設施的外部結構管線和設備外殼上產生相反的電荷。當雷電發生時，通過云地放電通道，這些電荷在較短時間內會被釋放掉。但由于大地電阻比周圍農業設施和設備的電阻高，感應電荷無法在短時間內釋放到大地上，因此會在管線和設備之間發生放電，對設施內的農業高靈敏度設備和弱電控制線路造成嚴重損壞。

另一方面，電磁感應是雷電放電時在周圍產生較大電磁場，使金屬構件上產生感應電動勢，形成電生磁和磁生電的電磁感應現象。高頻變化的電磁場會影響設施農業中的電磁控制設備，如電磁閥和磁控開關，導致這些設備無法正常啟動或受損。

3 造成設施農業產生雷電災害的成因

3.1 缺乏防雷知識，防雷意識薄弱

農民防雷意識的薄弱和缺乏防雷知識，會給設施農業帶來雷電災害的風險。第一，農民對雷電的認識不足，對雷電的形成原理和危害的了解不夠深入，會忽視雷電對農作物和設施的潛在危害，從而無法采取及時有效的防護措施。第二，農民缺乏防雷知識，無法正確判斷雷電天氣的跡象和預警信號，可能會天空中的烏云密布、大風驟起和電閃雷鳴等明顯的預警信號，進而錯過及時撤離或采取其他必要的防護措施的機會。這不僅會給設施農業帶來直接的損失，還有可能危及農民的生命安全。此外，農民無法正確使用防雷設備和器材，無法正確安裝避雷針或接地裝置，對維護和檢修設備不夠了解。這樣即使安裝了防雷設備，也無法發揮其應有的作用[4]。

3.2 雷電預警體系響應不及時

雷電預警體系響應不及時是設施農業產生雷電災害的一個重要因素。第一，雷電是一種突發性天氣現象，其發展和演變速度極快。若雷電預警體系不能及時捕捉到雷電的跡象并發出預警，農民將無法在雷電來臨前采取相應的防護措施，從而導致設施農業受到嚴重破壞。第二，雷電災害常常伴隨著強風、暴雨等惡劣天氣條件。這些惡劣天氣會給設施農業帶來巨大的損失，如破壞溫室大棚、沖刷土壤、倒伏作物等。若雷電預警體系響應不及時，農民無法提前獲取天氣信息，無法采取緊急措施保護設施農業的設備和農作物，從而使災害的影響進一步擴大。

3.3 雷電防護裝置和技術相對落后

雷電釋放的強大能量對人類社會，尤其是農業設施，構成了不容忽視的威脅。雷電的產生伴隨著電荷的急劇分離和中和，在這一過程中所釋放的能量具有極強的破壞力。對于農業設施而言，這種能量的釋放可能造成嚴重的后果，包括設施直接被物理損壞或引發火災，以及農作物和牲畜被傷害甚至死亡。在現代農業中，設施農業的發展使得農業生產更高效和可控，也帶來了新的問題，如何有效地抵御雷電災害。若雷電防護裝置和技術落后，意味著設施農業在面對雷擊時缺乏充分的保護。在這種情況下，設施農業更容易受到雷電的影響，因為現有的防護措施無法有效吸收或分散雷電的能量。缺乏有效的防護裝置和技術還意味著設施農業無法及時檢測到雷電活動。在現代防雷技術中，雷電監測系統可以實時監測雷電活動，并在雷電即將擊中目標前發出警告。然而，若設施農業沒有配備這樣的系統，就無法提前獲知雷電的威脅，也無法及時采取必要的措施來降低雷擊風險。此外，雷電防護裝置和技術的落后還反映在設施農業工作者應對雷電災害的知識和技能不足上。防雷不僅僅是一項技術工作，還需要人們的積極參與和正確應對。若設施農業工作者沒有接受過相關的專業培訓，他們在遭受雷擊時就可能無法進行正確的處理，如及時疏散人員、保護農作物和設備等，會增加人員傷亡和經濟損失的風險。

4 設施農業防御雷電災害的策略

4.1 加強防雷知識宣傳，增強農民防雷意識

設施農業發展要想有效規避雷電災害就需要不斷加強防雷知識宣傳工作，增強農民和設施農業工作者的防雷意識，提高他們應對雷擊災害的能力和避免災害的發生。第一，必須充分重視設施農業發展中的防雷措施的重要性。針對農民和設施農業工作人員，政府和相關部門可以組織專門的培訓和教育活動，向他們傳授防雷知識和技能。這些培訓包括雷電基本知識、防雷設備的使用方法和注意事項等內容，使他們更好地理解和應對雷電災害[5]。第二，建立健全設施農業防雷的制度和規范至關重要。相關部門可以制定和完善設施農業防雷的相關標準與規范，確保農業設施的防雷設備符合安全要求，并進行定期檢查和維護。

4.2 構建科學完善的防雷體系和預警機制

要提高農業設施的抵御雷電災害能力，設施農業建設需要構建科學完善的防雷工作體系和防雷預警機制，這不僅需要政府部門和專業機構的支持，還需要農民積極參與和科研人員的技術支持。第一，科學完善的防雷工作體系是提高農業抵御雷電災害能力的關鍵。這一體系應包括雷電監測、預警、應急處置等環節。通過合理布設雷電監測設備，及時掌握雷電頻率和分布規律，有助于提前預警和采取相應的防護措施。第二，在預警方面，可以利用現代化技術手段，如氣象衛星、雷達系統等，提供準確的氣象信息和雷電預警提示，幫助農民做出應對決策。政府部門和專業機構應與農民建立緊密的溝通與合作關系，定期組織培訓和宣傳活動，提高農民對雷電災害的認知和應對能力。同時，建立健全的信息發布與傳遞機制，確保預警信息能夠及時、準確地傳達給農民，使他們能夠及時采取相應的防護措施。

4.3 提高設施農業雷電災害防御基礎設施和技術水平

4.3.1 直擊雷防護策略

在設施農業中，建立高效的避雷系統是抵御直擊雷的首要任務。這可通過在溫室或大棚頂部安裝避雷針，將雷電引導到地下進行安全釋放。避雷系統的設計應考慮農業設施的特殊需求，充分結合設施農業的特點和結構，確保其可靠性和穩定性。通常情況下，設施農業抵御直擊雷的防護技術主要應用接閃器、引下線、接地裝置等，在設計和施工防雷裝置時，必須考慮接觸電壓和跨步電壓的保護，以確保工作人員的生命安全。為預防接觸電壓的危險，需要在大棚鋼柱或鋼架自然引下線周圍設置明顯的警示標志，并在適當的位置采取絕緣措施，以防人員碰觸。為預防跨步電壓的危險，在防雷裝置附近設置明顯的警示標志，提示人們在雷雨天氣時不要靠近，并提醒他們縮小步間距等注意事項。同時，應增加接地裝置的埋設深度，縮小接地裝置的間距，降低接地電阻值。通過這些措施可以有效預防接觸電壓和跨步電壓帶來的安全風險。

4.3.2 閃電電涌防護策略

為了解決設施農業大棚在雷電季節面臨的閃電電涌問題，應采取措施包括安裝高壓避雷器和電涌保護器。這些措施能夠有效地將雷電流導向地下，減少對電源設備的破壞，并確保設備在雷電高發季節的正常運行。這些設備的主要功能是將雷電流引導到地下，確保其安全釋放。在室內電源線路上安裝電涌保護器也是必要的。電涌保護器的作用是迅速將電涌過流引導到地下，從而保護設備免受雷電沖擊。不同于高壓避雷器，電涌保護器的主要功能是屏蔽雷電流，防止其進入設備內部。因此，在選擇電涌保護器時，需要考慮其泄放能力和設備的耐壓能力。根據多級釋放的原理，可以分級屏蔽雷電流，確保設備在雷電高發季節能夠正常運行。

4.3.3 綜合布線防護策略

設施農業在抵御雷電災害的過程中可以采用綜合布線的防護策略，以提高農業設施的雷電防護能力。第一，設施農業建設需要合理規劃布局，應根據地形、氣候和農作物類型等因素，合理規劃設施的布局。將農田、大棚、倉庫等設施分散布置，避免集中在一個區域，以降低雷擊風險。第二，構建科學完善的接地系統電路，設施農業區域的設備、管道等都應建立良好的接地系統。通過將設備與大地連接，及時將雷電的電荷導入地下，減輕雷擊的影響，并保護設施內的農作物和人員安全。此外，設施農業還要規劃布線的引導雷電路徑設施農業區域的建筑物、大棚等應設計合理的屋頂和墻體結構，以引導雷電流經過安全路徑。例如，在大棚頂部設置金屬導線網，將雷電流引導到地下，減少對農作物的傷害。同時，還要做好線路的定期檢查維護工作，檢查避雷設施的完好性，保證接地系統的正常運作，并及時修復或更換受損的部件，以提升設施農業電氣設備和線路防雷體系的穩定性。

參考文獻

[1] 劉建偉，李云杰.設施農業雷電災害影響及防雷對策[J].農村實用技術，2021（9）：133-134.

[2] 于洋洋，吳福杰，張濤，等.設施農業雷電災害影響途徑及防雷對策探究[J].農村實用技術，2020（5）：167.

[3] 朱加紅.設施農業雷電災害成因途徑及防雷對策分析研究[J].農業開發與裝備，2020（12）：105-106.

[4] 張原瑞.設施農業雷電災害類型及防御措施[J].現代農業科技，2023（3）：170-173.