基于等離子體主動防御的雷電綜合防護(hù)措施

康國耀，劉 剛，丁振東，任伯峰

（1.深圳市中航比特通訊技術(shù)股份有限公司，廣東深圳 518057；2.中國人民解放軍63891 部隊，河南洛陽 471023）

0 引言

雷電防護(hù)是一個整體概念，任何一處短板都可能造成防護(hù)失敗，所以通過直擊雷防護(hù)和感應(yīng)雷防護(hù)綜合設(shè)計才能保證整體雷電防護(hù)效果［1］。

幾百年來人們一直使用富蘭克林避雷針［2］為代表的“引雷入地”式直擊雷防雷方式，并沿用至今。但若要發(fā)揮該防護(hù)手段的有效性，首要條件就是必須建立龐大的地網(wǎng)系統(tǒng)用于分散和快速泄放雷電能量，但在地網(wǎng)的選址、設(shè)計、施工等方面受客觀環(huán)境因素影響較大，實施起來有較大難度。以雷達(dá)裝備的應(yīng)用場景為例，為提升其作戰(zhàn)性能，一般該類裝備都架設(shè)在現(xiàn)場環(huán)境較為惡劣的突出部（如山頂）或者海島等空曠的野外區(qū)域。因該類地區(qū)的土壤電阻率較高［3］，建設(shè)龐大地網(wǎng)工程費(fèi)用較高，特別是海島等沿海地區(qū)地網(wǎng)不可避免地被土壤腐蝕導(dǎo)致性能降低（現(xiàn)有防雷設(shè)備老舊主要體現(xiàn)為金屬腐蝕），又由于“引雷入地”導(dǎo)致的近場區(qū)域雷電電磁脈沖輻射能量顯著上升，對于雷達(dá)等敏感設(shè)備危害程度高?；谝陨蟼鹘y(tǒng)雷電防護(hù)手段的薄弱處，本文介紹一種通過雷電場實施監(jiān)測及主動提前防御的方式，替代消極、被動的以避雷針為代表的防雷體制，降低雷電災(zāi)害概率，減少生命及財產(chǎn)損傷。另外，感應(yīng)雷防護(hù)也是防雷總體設(shè)計里必不可少的部分。通過屏蔽、綜合布線、等電位處理、加裝電涌保護(hù)器（SPD）等感應(yīng)雷防護(hù)的手段實現(xiàn)對裝備的整體防護(hù)。

1 直擊雷防護(hù)技術(shù)

1.1 傳統(tǒng)直擊雷防護(hù)技術(shù)

雷電防護(hù)相關(guān)規(guī)范要求建筑及內(nèi)部設(shè)備的雷電防護(hù)體系［4］如圖1 所示。

圖1 傳統(tǒng)雷電防護(hù)體系

傳統(tǒng)防雷手段“接閃器引雷”易造成雷擊現(xiàn)象，對其導(dǎo)致的區(qū)域雷電電磁脈沖環(huán)境惡化進(jìn)行研究。首先對雷擊建立相似的數(shù)學(xué)模型，并通過計算機(jī)仿真進(jìn)行模擬計算，在給定雷擊內(nèi)部通道電流波幅度和波形的情況下進(jìn)行仿真［5］。仿真采用近場雷擊仿真參數(shù)，并以距離雷擊點(diǎn)分別為R ＝10、20、50、100 m 時進(jìn)行計算，得出雷擊電磁場波形。進(jìn)行模擬仿真時，選用經(jīng)常發(fā)生的負(fù)極性雷擊，選擇雷電流幅度30 kA進(jìn)行模擬。雷電流波形如圖2 所示。

圖2 雷電流波形

采用MATLAB進(jìn)行編程計算后得出電、磁場波形如圖3所示。由圖可知：當(dāng)R ＝10 m 時，其感應(yīng)電場強(qiáng)度峰值達(dá)到275 kV／m；磁場強(qiáng)度峰值達(dá)到480 A／m；當(dāng)R ＝100 m時，其感應(yīng)電場強(qiáng)度峰值達(dá)到50 kV／m；磁場強(qiáng)度峰值達(dá)到50 A／m。

圖3 雷電感應(yīng)電磁場仿真

由以上仿真計算可知，當(dāng)直擊雷落雷點(diǎn)遠(yuǎn)離陣地時，其形成的感應(yīng)電磁場強(qiáng)度被大大衰減，而如果采用接閃器類直擊雷防護(hù)設(shè)備在缺乏屏蔽和有效泄流地網(wǎng)的情況下，其產(chǎn)生的雷電感應(yīng)電磁場強(qiáng)度遠(yuǎn)超裝備技戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)要求，極易造成裝備損壞。所以采用“引雷入地”泄放雷云電荷的方案，不適合對電磁敏感裝備的防雷需求。

1.2 等離子防雷技術(shù)

針對傳統(tǒng)直擊雷防護(hù)缺在的諸多缺陷，可以通過降低接閃概率等措施從根本上解決地電位反擊等二次再災(zāi)害。等離子防雷技術(shù)采用“非引雷入地”的防雷理念，且不需要龐大地網(wǎng)的支持。此種新型防雷手段使得直擊雷的熱效應(yīng)、電效應(yīng)、光效應(yīng)、聲效應(yīng)衰減，同時雷電電磁脈沖輻射效應(yīng)由于距離的增加而衰減，更適合應(yīng)用于高敏感裝備的防護(hù)需求。

等離子防雷完全不同于傳統(tǒng)避雷針以“引雷入地”防雷方式，是一種以雷電防預(yù)相結(jié)合，采用“電荷中和”的驅(qū)雷方式［6-7］。通過雷電預(yù)警單元實時監(jiān)測雷云電場的變化趨勢，當(dāng)雷電場強(qiáng)超過閾值時，自啟動防雷設(shè)備，通過主動釋放大量帶正負(fù)電荷的等離子體，弱化了雷電上下行先導(dǎo)，確保在保護(hù)區(qū)域內(nèi)無法形成放電通道，就像是撐起一個傘狀的雷電防護(hù)盾，防雷保護(hù)半徑可達(dá)傳統(tǒng)接閃器的8 倍。當(dāng)雷云逐漸移出保護(hù)區(qū)域后，區(qū)域大氣電場環(huán)境需連續(xù)15 min 低于預(yù)警閥值要求，等離子發(fā)生器停止放電，防雷預(yù)警結(jié)束，設(shè)備恢復(fù)常規(guī)警戒狀態(tài)。

1.2.1 等離子防雷體系

在整個防雷體系中，與主流標(biāo)準(zhǔn)的防雷體系的主要區(qū)別在于“外部防雷”單元，更換傳統(tǒng)接閃器（避雷針）為等離子發(fā)生器；在內(nèi)部防雷和過電壓保護(hù)方面可完全按照國軍標(biāo)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定執(zhí)行［8］。新構(gòu)建防雷體系如圖4 所示。

圖4 等離子防雷系統(tǒng)體系

1.2.2 等離子防雷工作原理

（1）雷電預(yù)警預(yù)報

采用大氣電場感應(yīng)探測技術(shù)，在時間和三維空間內(nèi)實時監(jiān)測大氣電場強(qiáng)度的變化，對即將發(fā)生的雷電危險進(jìn)行預(yù)警［9］。

（2）雷電防護(hù)

在提示雷電預(yù)警的同時，系統(tǒng)自行啟動防雷模式，及早在雷云電荷尚較分散、雷云電場尚未過激的有利時機(jī)，向空間較長時間大體積地發(fā)散有源產(chǎn)生的高濃度（1015個／m3）等離子體。對于多數(shù)雷云（90%以上），其正電荷位于上部、負(fù)電荷位于下部；形成地閃的雷云底部距地面高度一般為150～600 m，如圖5 所示，等離子體中的正離子在雷云電場吸引和上升氣流輸送作用下向雷云底部發(fā)散，同時等離子體中的負(fù)離子受地面感應(yīng)正極性電場的吸引下向地面發(fā)散，在其250 s的生存周期內(nèi)將上升到超過800 m以上的高空，可有效中和雷云電場先導(dǎo)底部電荷。因此發(fā)散的等離子體同時中和、稀釋和均勻化由地面向上（正電荷）和由雷云向下（負(fù)電荷）兩個方向的雷電先導(dǎo)電荷，破壞形成雷擊的條件，避免雷云電荷在保護(hù)區(qū)域內(nèi)激化而產(chǎn)生尖端放電形成雷擊，雷云將在一段時間的活動周期后逐漸飄移至被保護(hù)范圍外，從而達(dá)到在一定范圍內(nèi)無直擊雷目的，并避免了因“引雷入地”時雷電流泄放而在防雷保護(hù)區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的感應(yīng)雷。

圖5 等離子體防雷作用機(jī)理示意

防雷系統(tǒng)有源產(chǎn)生的等離子體濃度為1015個／m3，單個離子的電荷量為1.6 ×10-19C，則防雷系統(tǒng)有源發(fā)生等離子體的體積電荷密度為：1.6 ×10-19C×1015／m3＝1.6 ×10-4C／m3。

雷電是由積雨云中所帶荷電所形成，積雨云的形成通常要經(jīng)歷生成期、成熟期、消散期等階段。根據(jù)雷電學(xué)文獻(xiàn)介紹雷云團(tuán)電荷密度典型值為3 ×10-9C／m3，最高達(dá)2 ×10-8C／ m3。防雷系統(tǒng)產(chǎn)生的等離子體比雷云團(tuán)的體積電荷最大密度高出4 個數(shù)量級［10］，能有效對雷云下部電場實現(xiàn)相對較大面積的電荷中和（相當(dāng)于實現(xiàn)對雷云電荷的泄漏）、均勻化，避免電荷過分集中、電場激化而形成雷電先導(dǎo)及進(jìn)一步發(fā)展成電場擊穿，直至雷云消散或移遠(yuǎn)，達(dá)到防止雷擊形成的目的。

（3）保護(hù)范圍

直擊雷保護(hù)范圍的確定采用防雷保護(hù)角折線法則［11］，取決于防雷裝置的防雷保護(hù)角θ，以及防雷裝置的架設(shè)高度H，如若架設(shè)現(xiàn)場能借助于地勢高度差，則有助于增大防雷保護(hù)范圍。防雷設(shè)計應(yīng)遵循計算式（1）來確定防雷保護(hù)范圍的半徑和高度包絡(luò)線。

式中：θ為防雷裝置的防雷保護(hù)角；R0為防雷保護(hù)范圍的半徑；H為防雷設(shè)備的架設(shè)高度。

1.3 優(yōu)劣勢對比

針對傳統(tǒng)雷電防護(hù)避雷針、提前放電針和等離子防雷系統(tǒng)等直擊雷防護(hù)裝置，從原理、保護(hù)角、接地要求及其對應(yīng)的機(jī)動性進(jìn)行對比如表1 所示。

表1 直擊雷防護(hù)技術(shù)對比

通過對比可知，采取等離子防雷取代傳統(tǒng)的接閃針類型的直擊雷防護(hù)技術(shù)，通過非接閃的方式，大大降低因引雷入地可能引起的二次閃擊、強(qiáng)電流高電壓、強(qiáng)電磁輻射等引起的雷擊次生災(zāi)害，保證?；沸袠I(yè)人員和設(shè)備的運(yùn)行安全。

2 某陣地雷電防護(hù)方案

陣地部署于沿海某地區(qū)，被保護(hù)設(shè)備包括有：電子設(shè)施P、電子設(shè)施L、電子設(shè)施X。該地屬于中亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，冬夏季風(fēng)交替顯著，溫度適中，四季分明，7—9 月常有熱帶氣旋登陸，年平均雷暴日50～60 天，屬于沿海丘陵山地土壤環(huán)境。陣地裝備布局如圖6 所示。

圖6 某陣地布局示意圖

（1）電子設(shè)施架設(shè)高度：P 型設(shè)備距地總高度為38 m；L型設(shè)備距地總高度為20 m；X型設(shè)備距地總高度為14 m。

（2）地面海拔標(biāo)高：P 型設(shè)備119 m；L 型設(shè)備105 m；X型設(shè)備94 m。

（3）設(shè)備之間的間隔距離（P 與L 的中心點(diǎn)距離95 m；L與X的中心點(diǎn)距離80 m）。

陣地裝備依山體分布，其中電子設(shè)施P架設(shè)點(diǎn)最高；但其后有高出基準(zhǔn)面6 m 的平臺面，具備安裝架設(shè)鐵塔的地基要求。

2.1 直擊雷防護(hù)方案

按照傳統(tǒng)避雷針的防護(hù)方式，在P、L 和X 裝備處均需構(gòu)建直擊雷防護(hù)措施，另外裝備體型過大，且不允許在設(shè)備頂端增加避雷針，就需要在單個裝備四周增加4 支避雷針，整個陣地裝備需要12 支架高的避雷針，關(guān)鍵此種防護(hù)措施無法同時為該陣地的營房及油機(jī)室提供可靠的雷電防護(hù)，還需要單獨(dú)增加額外的雷電防護(hù)手段，且需要4～10 Ω［12］的接地電阻，設(shè)計施工難度加大。傳統(tǒng)避雷針的雷電防護(hù)效果如圖7 所示。

圖7 傳統(tǒng)避雷針的雷電防護(hù)效果示意

若采用等離子體防雷技術(shù)的雷電防護(hù)方案如下：擬采用在P型裝備后側(cè)山體，距P型裝備邊沿45 m處架設(shè)42 m高鐵塔，可滿足構(gòu)建防雷保護(hù)區(qū)覆蓋整個陣地區(qū)域的要求。

依據(jù)各裝備的位置和高度，并結(jié)合等離子防雷裝置的技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計定位。采用一套等離子體防雷設(shè)備進(jìn)行防護(hù)即可，安裝位置如圖8 所示。在等離子防雷設(shè)備的作用下，實現(xiàn)直擊雷的防護(hù)，以滿足防雷保護(hù)區(qū)域內(nèi)的直擊雷保護(hù)要求，其中承載鐵塔的架高要求為42 m，架設(shè)點(diǎn)靠近P型裝備后的高地上，且與其間距大于45 m，水平基準(zhǔn)高差6 m，以相對高度進(jìn)行計算其保護(hù)范圍，代入式（1）中得：RP＝96 m，RX＝496 m。

圖8 防雷鐵塔部署位置俯視圖

由計算可知，擬選取鐵塔高度為42 m，等離子發(fā)生器高度3 m，考慮到塔基礎(chǔ)和裝備之間有6 m左右的海拔高差，具體防雷系統(tǒng)工程設(shè)計參數(shù)如表2 所示。

表2 F塔保護(hù)參數(shù)

本文將等離子發(fā)生器架高于陣地海拔最高點(diǎn)，其形成的保護(hù)范圍完全覆蓋到P、L、X型裝備，并留有足夠的余量空間，保護(hù)范圍如圖9 所示。

圖9 防雷保護(hù)范圍側(cè)視圖

2.2 感應(yīng)雷防護(hù)方案

依據(jù)國標(biāo)及國軍標(biāo)防雷規(guī)范進(jìn)行設(shè)計，采用等電位、線路屏蔽和外引電源線路加裝電涌保護(hù)器結(jié)合的方法進(jìn)行感應(yīng)雷防護(hù)。

（1）等電位措施。等電位排接地充分利用建筑物的自然接地體，連接電纜應(yīng)為銅材的橫截面積不小于120 mm2。等電位連接采用網(wǎng)狀-星形混合結(jié)構(gòu)形式［13］。

（2）加裝電涌保護(hù)器。配電系統(tǒng)電涌保護(hù)器配置采用分流、分級配置。電涌保護(hù)器的防雷接地通過接地線與安裝的室內(nèi)等電位排進(jìn)行連接，保證接地線短且直。電涌保護(hù)器安裝要求：安裝SPD時要確保各級SPD安裝位置之間線路的長度，第一、二級SPD 安裝位置之間的線路長度要不小于10 m；第二、三級SPD安裝位置之間的線路長度要不小于5 m［14］。

（3）裝備機(jī)房接地電阻指標(biāo)：裝備接地系統(tǒng)應(yīng)充分利用建筑物的自然接地體，當(dāng)自然接地體的接地電阻不能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求時，可采用增加人工接地網(wǎng)的方式實現(xiàn)降阻，機(jī)房接地電阻大于或等于1 Ω［15］。

3 結(jié)束語

本文闡述了等離子體電荷中和的直擊雷防護(hù)原理，通過雷電預(yù)警實時監(jiān)測大氣電場，超預(yù)警閾值自啟動防雷裝置，主動釋放高濃度等離子體散逸到大氣環(huán)境中，利用異性電荷中和后電荷趨近與零的特性來抑制大氣雷電上、下行先導(dǎo)的交匯，從而達(dá)到抑制本區(qū)域內(nèi)直擊雷形成的目的。并對比分析傳統(tǒng)避雷針引雷入地與新型等離子體非接閃原理的雷電防護(hù)技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)對比分析，采取等離子防雷取代傳統(tǒng)的接閃針類型的直擊雷防護(hù)技術(shù)，通過非接閃的方式，大大降低因引雷入地可能引起的二次閃擊、強(qiáng)電流高電壓、強(qiáng)電磁輻射等引起的雷擊次生災(zāi)害，保證?；沸袠I(yè)人員和設(shè)備的運(yùn)行安全；同時在固定式陣地的直擊雷防護(hù)時，可以采用一套等離子體防雷系統(tǒng)替代原來幾套甚至十幾套避雷針的防護(hù)措施，極大節(jié)約建設(shè)及后期維護(hù)成本；放寬接地電阻值要求，降低設(shè)計、施工難度；縮短建設(shè)周期，且可實現(xiàn)裝備不間斷運(yùn)行的要求。在保證直擊雷防護(hù)的同時，配合線纜屏蔽、綜合布線、等電位處理和加裝電涌保護(hù)器等措施，實現(xiàn)雷電整體防護(hù)要求。