有源等離子防雷裝置

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(yán)重,其所帶來(lái)的巨大災(zāi)害已被聯(lián)合國(guó)確定為世界最嚴(yán)重的十大自然災(zāi)害之一[1],同時(shí)被國(guó)際電工委員會(huì)稱之為“電子時(shí)代的一大公害”,因此雷電防護(hù)與防雷技術(shù)備受關(guān)注。隨著科技發(fā)展,雷電防護(hù)技術(shù)得到長(zhǎng)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(jìn)步和社會(huì)發(fā)展進(jìn)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(hù)理論,運(yùn)用電荷中和的原理,通過(guò)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(duì)雷云底部異極性電荷形成強(qiáng)有效的中和,及時(shí)抑制雷電先導(dǎo)的形成和發(fā)展,消除被保護(hù)范圍內(nèi)的雷擊現(xiàn)象,實(shí)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(hù)方式[2]。

1 有源等離子防雷機(jī)理

有源等離子防雷運(yùn)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(chǎng)較弱,通常經(jīng)歷10～15 min),在雷電先導(dǎo)尚未形成的有利時(shí)機(jī),將通過(guò)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(chǎng)和地面感應(yīng)電場(chǎng)作雙向漂移,對(duì)雷云底部的活躍荷電粒子進(jìn)行作用。

發(fā)散等離子體中的正離子受雷云底部負(fù)極性電場(chǎng)吸引及上升氣流推動(dòng),向雷云底部漂移和擴(kuò)散,對(duì)雷云底部的異極性電荷形成強(qiáng)有效的中和,抑制雷云電荷向下發(fā)展而形成先導(dǎo)。同時(shí),發(fā)散等離子體中的負(fù)離子受地面感應(yīng)正極性電場(chǎng)吸引向地面漂移和擴(kuò)散,中和地面感應(yīng)正電荷。通過(guò)同時(shí)對(duì)雷云負(fù)電荷及地面感應(yīng)的正電荷進(jìn)行中和、稀釋和均勻化,避免雷云電荷在保護(hù)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(hù)區(qū)域,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)直擊雷防護(hù)。

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(guò)特定的輸送方式,向大氣中長(zhǎng)時(shí)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(duì)雷云底部的異極性電荷形成強(qiáng)有效的中和,抑制雷電先導(dǎo)的形成,消除被保護(hù)范圍內(nèi)的直擊雷現(xiàn)象,屬一種新型的直擊雷防護(hù)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(guò)大氣電場(chǎng)感應(yīng)技術(shù)實(shí)時(shí)探測(cè)地面大氣靜態(tài)電場(chǎng)強(qiáng)度,并判斷電場(chǎng)強(qiáng)度的變化趨勢(shì),當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度的幅值達(dá)到預(yù)設(shè)定閾值10 kV/m,將產(chǎn)生雷電危險(xiǎn)信號(hào),觸發(fā)等離子發(fā)生器啟動(dòng)工作,進(jìn)入防雷狀態(tài)。

等離子發(fā)生器通過(guò)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(dá)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(duì)雷云底部向地面發(fā)展的帶電粒子中和,并同時(shí)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(jìn)行有源等離子防雷。防雷保護(hù)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(jìn)行防雷設(shè)計(jì),最大的防雷保護(hù)半徑達(dá)640 m。防雷保護(hù)范圍示意如圖2所示,其中R為保護(hù)半徑,H為安裝高度。

圖2 防雷保護(hù)范圍示意

3 防雷過(guò)程

防雷過(guò)程示意如圖3所示。當(dāng)雷云距被保護(hù)目標(biāo)約3 km(電場(chǎng)感應(yīng)比較弱)時(shí),雷電預(yù)警器探測(cè)雷云電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到預(yù)警限值,啟動(dòng)有源等離子發(fā)生器,經(jīng)針管向空間發(fā)散高濃度(1015個(gè)/m3)等離子體;發(fā)散的等離子體沿雷云電場(chǎng)(向上)與地面感應(yīng)電場(chǎng)(向下)兩個(gè)方向飄移,即等離子體的正電荷受雷云底部負(fù)極性電場(chǎng)吸引及上升氣流的推動(dòng),向雷云底部漂移擴(kuò)散;等離子體的負(fù)電荷受地面雷云感應(yīng)的正極性電場(chǎng)吸引而向地面漂移擴(kuò)散;通過(guò)中和雷云負(fù)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(chǎng)作用,使雷云電場(chǎng)不會(huì)激化而逐漸飄移出被保護(hù)范圍外。

圖3 防雷過(guò)程示意

4 有源等離子防雷的用途及優(yōu)勢(shì)

有源等離子防雷裝置主要目的是建立大范圍無(wú)雷電保護(hù)區(qū),避免保護(hù)范圍內(nèi)雷云對(duì)地面人員、設(shè)施設(shè)備等出現(xiàn)閃擊現(xiàn)象,防止保護(hù)目標(biāo)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(chǎng)所,易燃、易爆敏感場(chǎng)所,機(jī)場(chǎng)、倉(cāng)庫(kù)、高山、部隊(duì)等建筑物的雷電防護(hù)。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(shì)。

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

(2) 通過(guò)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(duì)防雷接地電阻要求不高,接地電阻可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況適當(dāng)放寬。

(3) 基于電荷中和的防雷機(jī)理,能避免或有效地大幅減少雷電對(duì)保護(hù)范圍內(nèi)地面尖端物的閃擊,相應(yīng)地減少保護(hù)區(qū)內(nèi)電源線、信號(hào)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(shí)在被保護(hù)物體周?chē)a(chǎn)生強(qiáng)雷擊電磁脈沖(LEMP)輻射、感應(yīng)過(guò)電壓和地電位反擊等問(wèn)題[4]。

5 應(yīng)用實(shí)例及效果

經(jīng)過(guò)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(kāi)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(duì)過(guò)去幾年采集的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)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(shí)際需求,展現(xiàn)有源等離子防雷的有效性和技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

6 結(jié) 語(yǔ)

有源等離子防雷裝置在高雷暴地區(qū)的實(shí)用防雷效果得到防雷業(yè)界和用戶的認(rèn)可。目前智能化建筑的發(fā)展和智慧城市的構(gòu)建,都對(duì)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(shí)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(jì)規(guī)范:GB50057—2010[S].