有源等离子防雷装置

王 赞 东

(深圳市中航比特通讯技术有限公司, 广东 深圳 518057)

0 引 言

目前,雷电的危害日趋严重,其所带来的巨大灾害已被联合国确定为世界最严重的十大自然灾害之一[1],同时被国际电工委员会称之为“电子时代的一大公害”,因此雷电防护与防雷技术备受关注。随着科技发展,雷电防护技术得到长足发展,创新的防雷理念、新型的防雷产品也随科技进步和社会发展进行更新迭代。有源等离子防雷装置区别于各种常规防雷方式,基于雷电防护理论,运用电荷中和的原理,通过向大气空间大体积地发散有源产生的高浓度等离子体,对雷云底部异极性电荷形成强有效的中和,及时抑制雷电先导的形成和发展,消除被保护范围内的雷击现象,实现非“引雷入地”式防雷,区别常规避雷针“引雷入地”的直击雷防护方式[2]。

1 有源等离子防雷机理

有源等离子防雷运用电荷中和的原理,在雷云从初生的淡积云发展为浓积云的形成阶段(雷云电荷较分散,大气电场较弱,通常经历10～15 min),在雷电先导尚未形成的有利时机,将通过有源方式产生浓度不小于1015N/m3的等离子体输送到大气空间,而发散到大气中的等离子体沿雷云电场和地面感应电场作双向漂移,对雷云底部的活跃荷电粒子进行作用。

发散等离子体中的正离子受雷云底部负极性电场吸引及上升气流推动,向雷云底部漂移和扩散,对雷云底部的异极性电荷形成强有效的中和,抑制雷云电荷向下发展而形成先导。同时,发散等离子体中的负离子受地面感应正极性电场吸引向地面漂移和扩散,中和地面感应正电荷。通过同时对雷云负电荷及地面感应的正电荷进行中和、稀释和均匀化,避免雷云电荷在保护区域内激化而产生尖端放电,待雷云逐渐漂移出被保护区域,从而实现对直击雷防护。

2 有源等离子防雷装置

有源等离子防雷装置可在大气条件下电离气体而产生等离子体,并通过特定的输送方式,向大气中长时段、大体积地发散产生的高浓度等离子体。发散到大气空间的等离子体对雷云底部的异极性电荷形成强有效的中和,抑制雷电先导的形成,消除被保护范围内的直击雷现象,属一种新型的直击雷防护系统。有源等离子防雷装置示意如图1所示。

图1 有源等离子防雷装置示意

雷电预警器通过大气电场感应技术实时探测地面大气静态电场强度,并判断电场强度的变化趋势,当电场强度的幅值达到预设定阈值10 kV/m,将产生雷电危险信号,触发等离子发生器启动工作,进入防雷状态。

等离子发生器通过高电压放电技术在大气常压条件下以辉光放电方式电离气体,产生低温非平衡等离子体,产生的等离子体浓度高达1015N/m3,并以高于40 m/s的速度发散到雷暴环境下的大气空间,对雷云底部向地面发展的带电粒子中和,并同时中和从地面及地面尖端物逃逸的带电粒子,以破坏形成雷击有效途径方式,从而进行有源等离子防雷。防雷保护半径主要取决于等离子发生器的安装高度,通常是按照等离子发生器安装高度的8倍关系进行防雷设计,最大的防雷保护半径达640 m。防雷保护范围示意如图2所示,其中R为保护半径,H为安装高度。

图2 防雷保护范围示意

3 防雷过程

防雷过程示意如图3所示。当雷云距被保护目标约3 km(电场感应比较弱)时,雷电预警器探测雷云电场强度达到预警限值,启动有源等离子发生器,经针管向空间发散高浓度(1015个/m3)等离子体;发散的等离子体沿雷云电场(向上)与地面感应电场(向下)两个方向飘移,即等离子体的正电荷受雷云底部负极性电场吸引及上升气流的推动,向雷云底部漂移扩散;等离子体的负电荷受地面雷云感应的正极性电场吸引而向地面漂移扩散;通过中和雷云负电荷(下行先导)和地面感应正电荷(上行先导),起到削弱和均匀电场作用,使雷云电场不会激化而逐渐飘移出被保护范围外。

图3 防雷过程示意

4 有源等离子防雷的用途及优势

有源等离子防雷装置主要目的是建立大范围无雷电保护区,避免保护范围内雷云对地面人员、设施设备等出现闪击现象,防止保护目标遭受直接雷击的危害。防雷装置适用于电子设施密集的建筑群、人员聚散的公共场所,易燃、易爆敏感场所,机场、仓库、高山、部队等建筑物的雷电防护。与传统防雷产品相比较,有源等离子防雷装置具有如下技术优势。

(1) 防雷保护范围大,防雷保护半径与防雷装置的安装高度成8倍关系。

(2) 通过电离产生高浓度的等离子体,抑制和消除雷电先导的形成,故防雷系统对防雷接地电阻要求不高,接地电阻可根据实际应用情况适当放宽。

(3) 基于电荷中和的防雷机理,能避免或有效地大幅减少雷电对保护范围内地面尖端物的闪击,相应地减少保护区内电源线、信号线、天线上的感应雷[3]。

(4) 摈弃“引雷入地” 的防雷方式,解决雷电流泄放时在被保护物体周围产生强雷击电磁脉冲(LEMP)辐射、感应过电压和地电位反击等问题[4]。

5 应用实例及效果

经过多年的研究,突破有源等离子防雷的关键技术,并将有源等离子防雷装置成功应用到防雷工程中。从2009年开始,有源等离子防雷装置已在雷州半岛高雷暴地区以及高土壤电阻率的沿海高山地区等得到推广使用,如图4所示。

图4 高土壤电阻率地区的防雷应用

对过去几年采集的运行数据进行分析,结果表明有源等离子防雷装置防雷效果明显,有效解决高土壤电阻率地区防雷困难的实际需求,展现有源等离子防雷的有效性和技术优势。

6 结 语

有源等离子防雷装置在高雷暴地区的实用防雷效果得到防雷业界和用户的认可。目前智能化建筑的发展和智慧城市的构建,都对雷电威胁提出新的要求,有源等离子防雷装置的成功研制与工程实践应用能为智慧城市的雷电安全提供一种新的防雷技术支撑和技术手段。

[1]陈渭民.雷电学原理[M].2版.北京:气象出版社,2006.

[2]虞昊.现代防雷技术基础[M].2版.北京:清华大学出版社,2005.

[3]建筑物电子信息系统防雷技术规范:GB50343—2012[S].

[4]建筑物防雷设计规范:GB50057—2010[S].