王 贊 東

(深圳市中航比特通訊技術(shù)有限公司, 廣東 深圳 518057)

0 引 言

目前,雷電的危害日趨嚴重,其所帶來的巨大災(zāi)害已被聯(lián)合國確定為世界最嚴重的十大自然災(zāi)害之一[1],同時被國際電工委員會稱之為“電子時代的一大公害”,因此雷電防護與防雷技術(shù)備受關(guān)注。隨著科技發(fā)展,雷電防護技術(shù)得到長足發(fā)展,創(chuàng)新的防雷理念、新型的防雷產(chǎn)品也隨科技進步和社會發(fā)展進行更新迭代。有源等離子防雷裝置區(qū)別于各種常規(guī)防雷方式,基于雷電防護理論,運用電荷中和的原理,通過向大氣空間大體積地發(fā)散有源產(chǎn)生的高濃度等離子體,對雷云底部異極性電荷形成強有效的中和,及時抑制雷電先導(dǎo)的形成和發(fā)展,消除被保護范圍內(nèi)的雷擊現(xiàn)象,實現(xiàn)非“引雷入地”式防雷,區(qū)別常規(guī)避雷針“引雷入地”的直擊雷防護方式[2]。

1 有源等離子防雷機理

有源等離子防雷運用電荷中和的原理,在雷云從初生的淡積云發(fā)展為濃積云的形成階段(雷云電荷較分散,大氣電場較弱,通常經(jīng)歷10～15 min),在雷電先導(dǎo)尚未形成的有利時機,將通過有源方式產(chǎn)生濃度不小于1015N/m3的等離子體輸送到大氣空間,而發(fā)散到大氣中的等離子體沿雷云電場和地面感應(yīng)電場作雙向漂移,對雷云底部的活躍荷電粒子進行作用。

發(fā)散等離子體中的正離子受雷云底部負極性電場吸引及上升氣流推動,向雷云底部漂移和擴散,對雷云底部的異極性電荷形成強有效的中和,抑制雷云電荷向下發(fā)展而形成先導(dǎo)。同時,發(fā)散等離子體中的負離子受地面感應(yīng)正極性電場吸引向地面漂移和擴散,中和地面感應(yīng)正電荷。通過同時對雷云負電荷及地面感應(yīng)的正電荷進行中和、稀釋和均勻化,避免雷云電荷在保護區(qū)域內(nèi)激化而產(chǎn)生尖端放電,待雷云逐漸漂移出被保護區(qū)域,從而實現(xiàn)對直擊雷防護。

2 有源等離子防雷裝置

有源等離子防雷裝置可在大氣條件下電離氣體而產(chǎn)生等離子體,并通過特定的輸送方式,向大氣中長時段、大體積地發(fā)散產(chǎn)生的高濃度等離子體。發(fā)散到大氣空間的等離子體對雷云底部的異極性電荷形成強有效的中和,抑制雷電先導(dǎo)的形成,消除被保護范圍內(nèi)的直擊雷現(xiàn)象,屬一種新型的直擊雷防護系統(tǒng)。有源等離子防雷裝置示意如圖1所示。

圖1 有源等離子防雷裝置示意

雷電預(yù)警器通過大氣電場感應(yīng)技術(shù)實時探測地面大氣靜態(tài)電場強度,并判斷電場強度的變化趨勢,當(dāng)電場強度的幅值達到預(yù)設(shè)定閾值10 kV/m,將產(chǎn)生雷電危險信號,觸發(fā)等離子發(fā)生器啟動工作,進入防雷狀態(tài)。

等離子發(fā)生器通過高電壓放電技術(shù)在大氣常壓條件下以輝光放電方式電離氣體,產(chǎn)生低溫非平衡等離子體,產(chǎn)生的等離子體濃度高達1015N/m3,并以高于40 m/s的速度發(fā)散到雷暴環(huán)境下的大氣空間,對雷云底部向地面發(fā)展的帶電粒子中和,并同時中和從地面及地面尖端物逃逸的帶電粒子,以破壞形成雷擊有效途徑方式,從而進行有源等離子防雷。防雷保護半徑主要取決于等離子發(fā)生器的安裝高度,通常是按照等離子發(fā)生器安裝高度的8倍關(guān)系進行防雷設(shè)計,最大的防雷保護半徑達640 m。防雷保護范圍示意如圖2所示,其中R為保護半徑,H為安裝高度。

圖2 防雷保護范圍示意

3 防雷過程

防雷過程示意如圖3所示。當(dāng)雷云距被保護目標約3 km(電場感應(yīng)比較弱)時,雷電預(yù)警器探測雷云電場強度達到預(yù)警限值,啟動有源等離子發(fā)生器,經(jīng)針管向空間發(fā)散高濃度(1015個/m3)等離子體;發(fā)散的等離子體沿雷云電場(向上)與地面感應(yīng)電場(向下)兩個方向飄移,即等離子體的正電荷受雷云底部負極性電場吸引及上升氣流的推動,向雷云底部漂移擴散;等離子體的負電荷受地面雷云感應(yīng)的正極性電場吸引而向地面漂移擴散;通過中和雷云負電荷(下行先導(dǎo))和地面感應(yīng)正電荷(上行先導(dǎo)),起到削弱和均勻電場作用,使雷云電場不會激化而逐漸飄移出被保護范圍外。

圖3 防雷過程示意

4 有源等離子防雷的用途及優(yōu)勢

有源等離子防雷裝置主要目的是建立大范圍無雷電保護區(qū),避免保護范圍內(nèi)雷云對地面人員、設(shè)施設(shè)備等出現(xiàn)閃擊現(xiàn)象,防止保護目標遭受直接雷擊的危害。防雷裝置適用于電子設(shè)施密集的建筑群、人員聚散的公共場所,易燃、易爆敏感場所,機場、倉庫、高山、部隊等建筑物的雷電防護。與傳統(tǒng)防雷產(chǎn)品相比較,有源等離子防雷裝置具有如下技術(shù)優(yōu)勢。

(1) 防雷保護范圍大,防雷保護半徑與防雷裝置的安裝高度成8倍關(guān)系。

(2) 通過電離產(chǎn)生高濃度的等離子體,抑制和消除雷電先導(dǎo)的形成,故防雷系統(tǒng)對防雷接地電阻要求不高,接地電阻可根據(jù)實際應(yīng)用情況適當(dāng)放寬。

(3) 基于電荷中和的防雷機理,能避免或有效地大幅減少雷電對保護范圍內(nèi)地面尖端物的閃擊,相應(yīng)地減少保護區(qū)內(nèi)電源線、信號線、天線上的感應(yīng)雷[3]。

(4) 擯棄“引雷入地” 的防雷方式,解決雷電流泄放時在被保護物體周圍產(chǎn)生強雷擊電磁脈沖(LEMP)輻射、感應(yīng)過電壓和地電位反擊等問題[4]。

5 應(yīng)用實例及效果

經(jīng)過多年的研究,突破有源等離子防雷的關(guān)鍵技術(shù),并將有源等離子防雷裝置成功應(yīng)用到防雷工程中。從2009年開始,有源等離子防雷裝置已在雷州半島高雷暴地區(qū)以及高土壤電阻率的沿海高山地區(qū)等得到推廣使用,如圖4所示。

圖4 高土壤電阻率地區(qū)的防雷應(yīng)用

對過去幾年采集的運行數(shù)據(jù)進行分析,結(jié)果表明有源等離子防雷裝置防雷效果明顯,有效解決高土壤電阻率地區(qū)防雷困難的實際需求,展現(xiàn)有源等離子防雷的有效性和技術(shù)優(yōu)勢。

6 結(jié) 語

有源等離子防雷裝置在高雷暴地區(qū)的實用防雷效果得到防雷業(yè)界和用戶的認可。目前智能化建筑的發(fā)展和智慧城市的構(gòu)建,都對雷電威脅提出新的要求,有源等離子防雷裝置的成功研制與工程實踐應(yīng)用能為智慧城市的雷電安全提供一種新的防雷技術(shù)支撐和技術(shù)手段。

[1]陳渭民.雷電學(xué)原理[M].2版.北京:氣象出版社,2006.

[2]虞昊.現(xiàn)代防雷技術(shù)基礎(chǔ)[M].2版.北京:清華大學(xué)出版社,2005.

[3]建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范:GB50343—2012[S].

[4]建筑物防雷設(shè)計規(guī)范:GB50057—2010[S].