关于雷电灾害防御人工干预技术的探讨

关于雷电灾害防御人工干预技术的探讨

祝新宇 荣庆华 徐杨 金涛 王斌

辽宁龙天防雷技术有限责任公司，辽宁 沈阳 110170

摘要：2016年11月7日，国务院颁布了《中华人民共和国气象法》（第三次修正版），随着雷电灾害防御的管理体制、机制更加完备，相关产品制造、工程设计和施工标准日趋完善，部分通用防雷行业标准与世界接轨，人民防雷减灾意识明显提高，防雷行业及相关领域稳步发展、创新增效。在建筑雷电防护工作中，减少接闪落雷引起的雷电电磁脉冲对周边微电子设备的影响是重要的研究课题，尤其是涉及关键的、重要的、危险的、核心设备的建筑及区域，此研究更为重要，本文对雷电灾害防御人工干预技术进行探讨。

关键词：雷电；灾害防御

1 问题的提出

1.1 现实与现状

在接触和探访的雷击事故及部分行业统计工作中，雷击事故区域常伴随着接闪落雷现象。众所周知，接闪落雷点≤83 m半径区域，几乎所有电子、微电子设备及通信设备都基本无法回避接闪后引起的LEMP雷电电磁脉冲过电压引起的永久性损坏这个基本现实。在接闪落雷点≤2 000 m半径区域，部分电子、微电子及通信设备不同程度地遭受部分可修复性损坏。雷电落雷时引起的破坏通常包括：电场能、磁场能及电磁混合能。依据现在执行的各类电涌保护器标准及建筑物防雷设计的相关规范，对接闪落雷的磁场能引起的电涌有明显的抵御功能和防护效果。但对于电场能侵袭时，抵御效果十分有限。

1.2 问题的思考与提出

雷电首先是具备了高能量电能电场，雷电现象的关键是雷云与大地完成电场能量传递与交换行为过程。电场能量传递与交换行为过程，通常是以变化电流形式呈现，变化电流引起周边特定区域产生变化磁场，变化磁场在特定区域（电子设备）内相对切割磁力线产生感应高压，入侵特定区域（电子设备）造成各种破坏现象，破坏形式通常为电流电涌。

既然以接闪落雷为破坏源，那么建筑物接闪落雷基本条件是什么？建筑物能否通过人工干预的方法减少局部的接闪落雷？

2 人工干预接闪落雷技术的整体解决方案

2.1 确定接闪落雷成型的关键条件

雷电其实就是一个典型的等离子体原理与工作过程。接闪落雷点就是大气物理条件下等离子体的有条件全接通模式，这个模式以运动电荷为衡量单位，通过静电感应原理，地面建筑物顶端突出物感应出反方向电荷，形成运动电荷形式的上行先导后与雷云下行先导的等离子通道，最终形成接闪落雷点。物理学家开尔文先生揭示雷云是具备能量的电场物质，雷击是异性电场的接触行为，接闪落雷是异性电场能量转移的一种形态，即：电场能量转移。雷电防护工作就是设法抵御与减少电场能量转移过程中威胁人身安全和设备安全的各种破坏隐患。接闪落雷点的基本性质：电场不均匀和电场电位极性。

2.2 人工干预接闪落雷技术核心突破口与关键技术

2.2.1 核心突破口

上行先导和下行先导决定落雷接闪端点，上、下先导具备变极性电荷库仑量，如何消除上行先导电场电荷，如何消耗下行先导电荷，是接闪落雷干预工作的核心突破口。

2.2.2 关键技术

在人工干预装置顶部，实现弧曲线端点/端面，提高电场均匀性。人工干预装置处建立人工半导体物理电场，其电场方向与雷云电场同极性，目的是消除（异极性）上行先导的存在。在建筑物所在地面，铺设电荷补充库池，即：体电容接地网与干预装置底部连接，不断地提供人工半导体物理电场所需要的电荷。人工干预装置安装在建筑物顶部，作为均匀同极性电荷的反向储能发射装置，向雷云层补充与雷云同极性电荷，消耗雷云下行先导电荷。人工干预装置处建立人工半导体物理电场的核心是电场能量，在雷云选择落雷时向雷云层补充同极性电荷消耗下行先导电荷需要具备一定的库仑量运动电荷。人工干预装置应该具备的等离子体工作时的核心参数与测试方法符合现有技术及仿真。

3 人工干预接闪落雷技术的核心

3.1 人工干预接闪落雷技术关键点

a.雷云补偿漏电流发射器装置实现电场均匀性，同时垂直发射雷云泄漏电流。发射装置补偿同极电荷，装置上方局部雷云泄漏电流增大，减少接闪落雷现象。

b.功率变极电场储能装置补偿电荷的合成与量是关键，不论从25～150 C以上，都需装载与合成足够的电荷量。目前技术原则上可以完成0.5～2.5 C/s的电荷装载，足以完成恶劣环境下雷电干预。功率变极电场储能装置由若干个半导体陶瓷储能片并联组合，半导体陶瓷储能片主要核心材料：Ba Ti O3、Mg O、Y2O3、Ga2O3、Si O2，按所述摩尔当量百分比进行配料，在搅拌磨中混合球磨，干燥过筛，得到粉末状混合物，将粉末状混合物加入至聚乙烯醇中混匀，并在200～400 Mpa压制成圆片坯体。将圆片坯体放在承烧板上，在1360～1 420℃烧结，圆片实施表面金属化引出电极，同时环氧树脂表面封装。

c.电荷补充库池核心技术：体电容接地系统，人工添加介电常数，实施电荷常态储藏，便于后期提供系统电荷电量。

d.系统数据与监管核心技术：雷云电场与雷云电荷变化的实时监控；雷电预警及落雷电荷的实时监控；电容补充库池（体电容接地网）的工作状态与运行效果的实时监控；PC端管理。

e.人工电场发射装置：发射装置的电场均匀性，如配合一定的补偿与补充电荷量，则决定了保护角度的大小。

f.人工电场合成装置创新点：装置在多少时间内补偿与补充同极性电荷的库仑量，如果按照25 C设计，1 s补偿0.2 C，则125 s内能否补充完成，补充的电荷越多则越安全。

g.电荷补充库池创新点：体电容接地系统，核心在于接地网的结构电容，人工添加材料学的介电常数，以加大容量同时在无雷击状态下的电荷聚合为出发点，实施电荷常态储存，便于后期提供干预装置电荷电量。

3.2 核心技术承载的人工干预接闪落雷技术成败要素

a.极性问题：人工实施有条件的同极性处理及电场均匀性，是关键问题，补充与补偿电荷是在同极性的基础上，电位差式补充电荷的活动，目的就是破坏雷云电容。

b.电荷电量问题：补充与补偿的电荷量是人工设计的。例如：假设≥25 C的雷电，需要这个系统依据开尔文计算，则系统补偿电荷量：>0.2 C/s。易燃易爆场所干预1～300 C以上的雷电，则系统补偿电量：>1～1.5 C/s。

c.补充库池问题：补偿与补充电荷需要一个体电容接地系统，如果简单地理解为普通的体电阻接地网，则效率较低，在监管系统中是可以读取的。同时直接影响整个系统的构建与效果。补偿电荷：I=U×C0/ρ>0.2 C。

4 结语

人工干预接闪落雷技术可应用在避雷塔、通信局站、加油站、加气站、天然气加压站等易燃易爆等对电子设备有特殊要求的场所。

人工干预接闪落雷技术目的明确：利用人工干预接闪落雷技术，减少被保护区域接闪落雷现象，减少接闪落雷引起的LEMP雷电电磁脉冲感应高电压破坏电子、微电子设备的电源系统和通信信号系统，最大限度地保护人身安全和设备安全。人工干预接闪落雷技术遵循因地制宜的应用原则：人工干预接闪落雷技术应用需要考虑外部地况环境，包括山区、浅山区、戈壁、草原、海岛、草原、季风、海拔、土壤电阻率等诸多因素。

人工干预接闪落雷技术还需要确定被保护负载：结合气态、固态、液态及易发生等离子状态的易燃易爆场所，电子设备，通信设备，车载设备自身的特点特性，因地制宜地设计保护方案，在运行中不断修正、补偿监督系统是后续工作的良好延续前提。

参考文献

[1] 中国中元国际工程公司. GB 50057-2010建筑物防雷设计规范[S].北京：中国计划出版社，2011.

[2] 中国建筑标准设计研究院，四川中光防雷科技股份有限公司. GB 50343-2012建筑物电子信息系统防雷技术规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2012.

[3] 上海市防雷中心，等. GB/T 21431-2015建筑物防雷装置检测技术规范[S].北京：中国标准出版社，2015.