主動防雷研究現狀分析
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來源：《科技與創新》2022.1
發布日期：2022-02-01 10:06:22
雷電是目前最嚴重的氣象災害之一，現有的防雷技術多屬于“被動”避雷的防護類型，并不能完全保護目標物，因此亟需從“被動”避雷向“主動”防雷過渡。依托現有避雷設備上改進的主動防護和直接引雷防護兩方面介紹了目前主動防雷技術的研究現狀，以及詳細分析了可控放電避雷針、火箭引雷技術、激光引雷技術的研究現狀，并對防雷工作的未來發展趨勢作出相關展望。雷電是目前最嚴重的氣象災害之一，對電力系統一次側和二次側的穩定運行都會產生較大的影響。目前電力系統中有相當數量的設備都裸漏在空中，如戶外型變電站、大部分輸電線路等，在雷電多發地區，設備非常容易受到雷電的影響從而造成雷擊跳閘、供電中斷，甚至威脅電網的安全運行，造成大面積停電、人身傷亡等更加嚴重的后果[1-3]。目前應用較為普遍的防雷技術仍屬于被動防雷的范疇，而被動防雷并不能完全有效避免雷電對被保護物造成的危害，雷擊事故仍時有發生。為提高避雷成功率，在雷電多發地區一些十分重要的場合中還需要在現有防雷技術的基礎上配合主動引雷系統，以引導雷電流定向流入大地的方式對雷電能量進行釋放，從而達到保護關鍵對象免受雷擊的目的。在實際的防雷應用中，多采用被動防雷的方式，但是由于雷電活動的隨機性、分散性而使落雷地點和雷電參數等難以掌握[4]，因而難以全面科學地分析雷擊線路跳閘事故，并提出相應的解決方法。因此在這種情況下，發展主動防雷技術顯得尤為重要。主動防雷技術是通過消除雷擊危險性，使被保護物體不再遭受雷擊的全新避雷技術，被稱為“21 世紀防雷事業的曙光”。主動防雷技術在實踐應用中具有以下優勢：①能夠保護地面、水面等物體，使得物體內部的微電子設備能夠避免直擊雷危害；②削弱落雷周圍的電磁感應強度，避免設備內部的微電子設備受到感應雷損害；③室外雷擊多發生在線路上，通過主動防雷，使得過電壓不會進入到物體內部，提高對設備的保護力度；④由被動防雷轉變為主動防雷，能夠對雷擊潛在危險進行及時監測和預警，提高防雷效果；目前基于工程應用提出的主動防雷技術主要有火箭引雷、激光引雷技術，一些針對現有避雷結構的改善技術也在逐步應用于工程實踐中。本文將從以上部分歸納總結現有主動防雷技術。截止到目前為止，采用避雷針（避雷線）仍是最常用的避雷方法。這種方法雖然簡單經濟，但是也存在著一些缺陷，如保護范圍不確定，存在雷繞開避雷針直擊被保護物的情況，據統計避雷針的繞擊率大約在 1%左右，在雷電多發地區危險系數較高；當接地電阻過高或者避雷針與被保護物體之間的距離小于安全距離時，會有反擊發生等。可控放電避雷針在富蘭克林避雷針的基礎上加以改進，通過結構設計，可靠地引發上行雷閃放電，從而減少繞擊和增大保護角，以達到保護各種對象的目的[5]。雷云對地面物體放電可分為上行雷閃和下行雷閃兩種形式。下行雷閃時，先導自上而下發展，主放電過程發生在地面附近，所以電荷供應充分，放電過程較為劇烈，雷電流副值大（平均幅值為 30～44 kA），陡度高（24～50 kA/ms）；而上行雷閃一般不具備自上而下發展的主放電，它的放電電流由先導過程不斷向上發展組成，即使有主放電，但是由于雷云向主放電通道供應電荷也較為困難，所以放電電流副值�。ㄆ骄∮� 7 kA），且陡度低（小于 5 kA/ms）。除了雷擊電流幅值小、陡度低之外，上行先導由于是自下而上發展，所以并不會對被保護對象發生繞擊，同時還可以減輕放電時在地面物體上的感應過電壓[6-7]�？煽胤烹姳芾揍樀脑O計原理利用了上行雷閃的這些特點，使其能可靠地引發上行雷閃放電。可控放電避雷針的結構示意圖如圖 1 所示。根據尾部帶金屬線的火箭比高層建筑更容易引發上行雷的經驗分析得出，要成功地引發上行雷，針頭需要達到以下兩點要求：①在引發的上行雷發生之前，針頭附近的空間電荷應盡量少，以便于自主針針尖向上發展放電脈沖；②當需要引發上行雷時，針尖處的電場強度應足夠高，以迅速產生放電脈沖。
相較于富蘭克林避雷針，可控放電避雷針在保護特性上有著十分顯著的優點：①可控放電避雷針可以確保相當大的區域免受繞擊；②基本消除了雷閃時產生的感應過電壓；③可控放電避雷針的放電時間比富蘭克林避雷針平均提前 13.3 μs。可控放電避雷針接地電阻一般小于等于 10 Ω，在高阻區及無人區一般小于等于 30 Ω，并且具有良好的抗風能力，安裝方便，使用期內免維護，可以直接安裝在輸電桿塔的頂部[8]，應用前景廣闊。數百年來，人工引雷技術在探索中不斷發展。1752年，富蘭克林通過一只帶鐵絲的風箏成功將“天電”從空中引下。20 世紀 60 年代，Langmuir 實驗室首次提出了人工引雷的構想，提出要人為引發雷電，需要在雷暴電場中突然引進一移速高于離子漂移速度的接地導體尖端。1967 年，NEWMAN 等[9]通過向雷暴云發射小火箭拖拽金屬絲的方法成功在水面上實現了人工引發雷電。20 世紀 90 年代，“空中觸發”[10]理念的發現進一步完善了引雷技術，“空中觸發”即引雷時金屬絲的下端可懸在數十至數百米的控制，不必直接接地，用這種方式引發的雷電更適用于研究分析地面物體與雷電先導的互相作用。目前人工引雷中最常用的方式為發射一拖拽金屬絲的引雷火箭至雷暴云這一手段，又稱為火箭引雷。隨著近年來的在放電方面的相關研究，一些引雷新方法也在不斷出現，激光引雷就是發展最為迅速的新方式之一[11]。火箭引雷通常是在雷暴條件比較成熟的情況下，通過帶鋼絲的小型火箭將雷電人為地引發到地面，使本來隨機發生的自然雷電在可控狀態下進行。鋼絲在向上發展過程中，會誘導形成一個雷電，這個雷電就會沿著這個導線打到地面上。雷電發生前，云層中的電場將會影響地面上的電場。根據地面上的電場強度，可以大概推斷云層中的電場強度，以確定觸雷時間。當火箭飛到 200～400 m高度時，就在雷暴云和大地之間建立了一條放電“通道”[12]。引雷火箭是人工引雷的主要工具，箭體內有火箭發動機、發動機點火電爆管。人工引雷火箭拖著一條細細的鋼絲，鋼絲要有足夠的抗拉強度，要細、要輕，以減輕火箭的負荷，而且導線表面要光滑，以減小飛行阻力。火箭發射后上升的速度是決定能否成功引雷的關鍵�；鸺陌l射速度要掌握適中，太快會將鋼絲拉斷；太慢會趕不上帶電粒子的飄移速度，同樣不能引雷電落地。關于火箭引雷的實際研究早在1998 年就已經開始進行，由廣東省電力試驗研究所牽頭，與中科院寒區旱區環境工程研究所和武漢大學共同承擔的國家電力公司“火箭引雷對防雷裝置的試驗研究”（SPRT011—5）科技項目，經過 1998—2000 年 3 年的工作，取得了階段性成果，于 2001-11-06 在北京通過了國家電力公司主持的科技項目驗收專家委員會的驗收。項目組成了有 38 人參加的火箭引雷工作小組，現場試驗198 d，發射引雷火箭 62 發，引雷成功 16 次，成功地利用火箭引雷技術對雷電物理、防雷設施、雷電參數的測量等方面進行了研究，在國內第一次測量到了雷電放電傳輸速度和雷電流波形參數，并且利用火箭引雷參數對雷電定位系統成功地進行了校驗。該項目對火箭引雷的正負先導特征、防雷裝置在火箭引雷試驗中的接閃現象、火箭引雷中鐵塔地網電位測量、雷電流參數的測量方面進行了研究。一次引雷火箭成功觸發閃電現場[13]如圖 2 所示。
引雷火箭結構示意圖如圖 3 所示，降落傘結構的出現可以大幅提高引雷作業的安全性。
雖然火箭引雷已經取得了一定的進展，但是在人工引雷實驗中，由于受到天氣、環境、人力和物力等方面的限制，每年成功引雷的次數相對較少，因此下一步的研究主要應對野外人工引雷及大氣觀測相關場地和實驗設計進行進一步的完善與優化[14]，提高人工引雷的成功率，開展長時間的連續觀測，同時盡可能減少環境及氣象因素對觀測結果的影響。激光引雷的引雷原理是利用強激光電離大氣，產生具有一定導電性能的等離子體通道，引導雷電沿著通道釋放到安全的地方，以減少甚至消除雷擊的危害。20 世紀 80 年代以來，日本科學家在激光引導放電方面做了大量研究工作，他們采用大功率 CO2 激光產生等離子體通道誘發高壓放電，但是 CO2 激光產生的通道是由一連串擊穿火花構成，通道連續性很差。形成不連續通道的主要原因是一旦在某處形成被電離的區域，該區域將吸收掉所有試圖通過該區域的激光，因此在此區域之后沒有激光，也就不可能被電離，需要很高的激光能量才能引導長間隙的放電。因此，長脈沖 CO2 激光用于引導閃電具有一定的局限性。近年來，超短脈沖激光技術的發展為激光引雷提供了另一種可選方案。超強飛秒激光脈沖由于具有很高的峰值功率，當其在大氣中傳輸時，可以產生較強的非線性 Kerr 效應，這種非線性 Kerr 效應會在大氣中產生類似透鏡效應，從而使飛秒激光在傳播過程中發生自聚焦[15]；另一方面，由于自聚焦使激光的強度逐漸增大，當聚焦的激光強度超過空氣的電離閾值時，會使大氣電離產生等離子體，而等離子體具有散焦作用。當非線性自聚焦效應和等離子體的散焦效應達到動態平衡時，激光光束就能傳播很遠的距離，從而在飛秒激光傳播路徑上形成一條具有一定導電性能的等離子體通道。中科院物理所魯欣研究員及其團隊采用如圖 4 所示的極光Ⅱ號裝置能量 40 mJ，脈沖寬度 50 fs 的超短脈激光脈沖形成的等離子體通道誘發和引導了3～23 cm 長間隙的靜態高壓放電[16]。實驗觀測顯示，自發放電沿著一條隨機彎曲的路徑發展，激光引導放電通道沿著激光傳播的方向發展。等離子體通道整體上能使空氣間隙的擊穿閾值降低到自然擊穿閾值的 40%。實驗中通過對放電電弧發出的白光信號與激光信號的時間延遲進行分析得到激光引導下梯級先導的發展速度約為
。
該研究團隊還對太瓦（TW）飛秒激光在自然大氣中傳輸時產生的超長等離子體通道的物理性質進行了研究。試驗結果證實 2 TW 飛秒激光在大氣中自由傳輸時實現了 2 km 長的等離子體通道，長距離傳輸后通道內的等離子體電子密度約為
，仍然保持良好的導電性。高壓放電試驗也證實了有等離子體通道存在，可以將放電電壓降低 30%[17]，說明了激光誘導高壓放電的有效性，印證了激光引雷的前景。
本文綜述了主動防雷技術的進展情況，總結出以下幾個主要成果與發展趨勢：①改善現有避雷結構，尤其是針對避雷針的優化改進是較為適配現有電網設備的主動引雷發現方向；②火箭引雷已經取得了一定的進展，但是提高人工引雷的成功率仍是技術關鍵問題。這就對雷電預警系統提出了較高的要求，同時需要雷電預警系統精確預測的還有基于電場的主動防雷技術；③激光引雷技術尚處在發展階段，在考慮控制成本的前提下具有很大的應用潛力。
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