主動(dòng)防雷研究現(xiàn)狀分析

潘 巧，付光攀，吳 達(dá)，高淑萍，何正浩

（1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司廣州供電局，廣東 廣州 510000；2.華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，湖北 武漢 430074）

雷電是目前最嚴(yán)重的氣象災(zāi)害之一，對(duì)電力系統(tǒng)一次側(cè)和二次側(cè)的穩(wěn)定運(yùn)行都會(huì)產(chǎn)生較大的影響。目前電力系統(tǒng)中有相當(dāng)數(shù)量的設(shè)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(fā)地區(qū)，設(shè)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(wǎng)的安全運(yùn)行，造成大面積停電、人身傷亡等更加嚴(yán)重的后果[1-3]。目前應(yīng)用較為普遍的防雷技術(shù)仍屬于被動(dòng)防雷的范疇，而被動(dòng)防雷并不能完全有效避免雷電對(duì)被保護(hù)物造成的危害，雷擊事故仍時(shí)有發(fā)生。為提高避雷成功率，在雷電多發(fā)地區(qū)一些十分重要的場(chǎng)合中還需要在現(xiàn)有防雷技術(shù)的基礎(chǔ)上配合主動(dòng)引雷系統(tǒng)，以引導(dǎo)雷電流定向流入大地的方式對(duì)雷電能量進(jìn)行釋放，從而達(dá)到保護(hù)關(guān)鍵對(duì)象免受雷擊的目的。

在實(shí)際的防雷應(yīng)用中，多采用被動(dòng)防雷的方式，但是由于雷電活動(dòng)的隨機(jī)性、分散性而使落雷地點(diǎn)和雷電參數(shù)等難以掌握[4]，因而難以全面科學(xué)地分析雷擊線路跳閘事故，并提出相應(yīng)的解決方法。因此在這種情況下，發(fā)展主動(dòng)防雷技術(shù)顯得尤為重要。

主動(dòng)防雷技術(shù)是通過消除雷擊危險(xiǎn)性，使被保護(hù)物體不再遭受雷擊的全新避雷技術(shù)，被稱為“21世紀(jì)防雷事業(yè)的曙光”。主動(dòng)防雷技術(shù)在實(shí)踐應(yīng)用中具有以下優(yōu)勢(shì)：①能夠保護(hù)地面、水面等物體，使得物體內(nèi)部的微電子設(shè)備能夠避免直擊雷危害；②削弱落雷周圍的電磁感應(yīng)強(qiáng)度，避免設(shè)備內(nèi)部的微電子設(shè)備受到感應(yīng)雷損害；③室外雷擊多發(fā)生在線路上，通過主動(dòng)防雷，使得過電壓不會(huì)進(jìn)入到物體內(nèi)部，提高對(duì)設(shè)備的保護(hù)力度；④由被動(dòng)防雷轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)防雷，能夠?qū)讚魸撛谖ｋU(xiǎn)進(jìn)行及時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)警，提高防雷效果；⑤能夠控制落雷點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)大范圍防雷保護(hù)。

目前基于工程應(yīng)用提出的主動(dòng)防雷技術(shù)主要有火箭引雷、激光引雷技術(shù)，一些針對(duì)現(xiàn)有避雷結(jié)構(gòu)的改善技術(shù)也在逐步應(yīng)用于工程實(shí)踐中。本文將從以上部分歸納總結(jié)現(xiàn)有主動(dòng)防雷技術(shù)。

1 改善現(xiàn)有避雷結(jié)構(gòu)

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(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)，但是也存在著一些缺陷，如保護(hù)范圍不確定，存在雷繞開避雷針直擊被保護(hù)物的情況，據(jù)統(tǒng)計(jì)避雷針的繞擊率大約在1%左右，在雷電多發(fā)地區(qū)危險(xiǎn)系數(shù)較高；當(dāng)接地電阻過高或者避雷針與被保護(hù)物體之間的距離小于安全距離時(shí)，會(huì)有反擊發(fā)生等。

可控放電避雷針在富蘭克林避雷針的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可靠地引發(fā)上行雷閃放電，從而減少繞擊和增大保護(hù)角，以達(dá)到保護(hù)各種對(duì)象的目的[5]。

雷云對(duì)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(shí)，先導(dǎo)自上而下發(fā)展，主放電過程發(fā)生在地面附近，所以電荷供應(yīng)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(fā)展的主放電，它的放電電流由先導(dǎo)過程不斷向上發(fā)展組成，即使有主放電，但是由于雷云向主放電通道供應(yīng)電荷也較為困難，所以放電電流副值小（平均小于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(dǎo)由于是自下而上發(fā)展，所以并不會(huì)對(duì)被保護(hù)對(duì)象發(fā)生繞擊，同時(shí)還可以減輕放電時(shí)在地面物體上的感應(yīng)過電壓[6-7]。可控放電避雷針的設(shè)計(jì)原理利用了上行雷閃的這些特點(diǎn)，使其能可靠地引發(fā)上行雷閃放電。

可控放電避雷針的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。根據(jù)尾部帶金屬線的火箭比高層建筑更容易引發(fā)上行雷的經(jīng)驗(yàn)分析得出，要成功地引發(fā)上行雷，針頭需要達(dá)到以下兩點(diǎn)要求：①在引發(fā)的上行雷發(fā)生之前，針頭附近的空間電荷應(yīng)盡量少，以便于自主針針尖向上發(fā)展放電脈沖；②當(dāng)需要引發(fā)上行雷時(shí)，針尖處的電場(chǎng)強(qiáng)度應(yīng)足夠高，以迅速產(chǎn)生放電脈沖。

圖1 可控放電避雷針結(jié)構(gòu)示意圖

相較于富蘭克林避雷針，可控放電避雷針在保護(hù)特性上有著十分顯著的優(yōu)點(diǎn)：①可控放電避雷針可以確保相當(dāng)大的區(qū)域免受繞擊；②基本消除了雷閃時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)過電壓；③可控放電避雷針的放電時(shí)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(qū)及無人區(qū)一般小于等于30 Ω，并且具有良好的抗風(fēng)能力，安裝方便，使用期內(nèi)免維護(hù)，可以直接安裝在輸電桿塔的頂部[8]，應(yīng)用前景廣闊。

2 人工引雷

數(shù)百年來，人工引雷技術(shù)在探索中不斷發(fā)展。1752年，富蘭克林通過一只帶鐵絲的風(fēng)箏成功將“天電”從空中引下。20世紀(jì)60年代，Langmuir實(shí)驗(yàn)室首次提出了人工引雷的構(gòu)想，提出要人為引發(fā)雷電，需要在雷暴電場(chǎng)中突然引進(jìn)一移速高于離子漂移速度的接地導(dǎo)體尖端。1967年，NEWMAN等[9]通過向雷暴云發(fā)射小火箭拖拽金屬絲的方法成功在水面上實(shí)現(xiàn)了人工引發(fā)雷電。20世紀(jì)90年代，“空中觸發(fā)”[10]理念的發(fā)現(xiàn)進(jìn)一步完善了引雷技術(shù)，“空中觸發(fā)”即引雷時(shí)金屬絲的下端可懸在數(shù)十至數(shù)百米的控制，不必直接接地，用這種方式引發(fā)的雷電更適用于研究分析地面物體與雷電先導(dǎo)的互相作用。

目前人工引雷中最常用的方式為發(fā)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(guān)研究，一些引雷新方法也在不斷出現(xiàn)，激光引雷就是發(fā)展最為迅速的新方式之一[11]。

在此基礎(chǔ)上，為了研究Ce3+摻雜YAG熒光薄膜的上轉(zhuǎn)換發(fā)光機(jī)理，本文通過改變半導(dǎo)體激光器泵浦光的輸出功率對(duì)薄膜樣品的發(fā)射光譜分別進(jìn)行測(cè)試，得到了Ce3+：YAG熒光薄膜樣品在980nm紅外激光激發(fā)下，激光器輸出電流分別為1.5A、1.8A、2.2A以及2.5A時(shí)的發(fā)射譜，對(duì)應(yīng)的泵浦光功率分別為6.72W、6.98W、7.24W和7.40W。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在980nm紅外激光的激發(fā)下，薄膜發(fā)出較強(qiáng)的綠光，三個(gè)發(fā)射峰分別對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)為521nm、540nm和549nm，而且熒光的強(qiáng)度隨著泵浦光功率的增加而增加。圖5是樣品在980nm紅外激光不同功率激發(fā)下的發(fā)射光譜。

2.1 火箭引雷

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(fā)到地面，使本來隨機(jī)發(fā)生的自然雷電在可控狀態(tài)下進(jìn)行。鋼絲在向上發(fā)展過程中，會(huì)誘導(dǎo)形成一個(gè)雷電，這個(gè)雷電就會(huì)沿著這個(gè)導(dǎo)線打到地面上。

雷電發(fā)生前，云層中的電場(chǎng)將會(huì)影響地面上的電場(chǎng)。根據(jù)地面上的電場(chǎng)強(qiáng)度，可以大概推斷云層中的電場(chǎng)強(qiáng)度，以確定觸雷時(shí)間。當(dāng)火箭飛到200～400 m高度時(shí)，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(nèi)有火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火電爆管。

人工引雷火箭拖著一條細(xì)細(xì)的鋼絲，鋼絲要有足夠的抗拉強(qiáng)度，要細(xì)、要輕，以減輕火箭的負(fù)荷，而且導(dǎo)線表面要光滑，以減小飛行阻力。

火箭發(fā)射后上升的速度是決定能否成功引雷的關(guān)鍵。火箭的發(fā)射速度要掌握適中，太快會(huì)將鋼絲拉斷；太慢會(huì)趕不上帶電粒子的飄移速度，同樣不能引雷電落地。

關(guān)于火箭引雷的實(shí)際研究早在1998年就已經(jīng)開始進(jìn)行，由廣東省電力試驗(yàn)研究所牽頭，與中科院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境工程研究所和武漢大學(xué)共同承擔(dān)的國(guó)家電力公司“火箭引雷對(duì)防雷裝置的試驗(yàn)研究”（SPRT011—5）科技項(xiàng)目，經(jīng)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(guó)家電力公司主持的科技項(xiàng)目驗(yàn)收專家委員會(huì)的驗(yàn)收。項(xiàng)目組成了有38人參加的火箭引雷工作小組，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)198 d，發(fā)射引雷火箭62發(fā)，引雷成功16次，成功地利用火箭引雷技術(shù)對(duì)雷電物理、防雷設(shè)施、雷電參數(shù)的測(cè)量等方面進(jìn)行了研究，在國(guó)內(nèi)第一次測(cè)量到了雷電放電傳輸速度和雷電流波形參數(shù)，并且利用火箭引雷參數(shù)對(duì)雷電定位系統(tǒng)成功地進(jìn)行了校驗(yàn)。該項(xiàng)目對(duì)火箭引雷的正負(fù)先導(dǎo)特征、防雷裝置在火箭引雷試驗(yàn)中的接閃現(xiàn)象、火箭引雷中鐵塔地網(wǎng)電位測(cè)量、雷電流參數(shù)的測(cè)量方面進(jìn)行了研究。一次引雷火箭成功觸發(fā)閃電現(xiàn)場(chǎng)[13]如圖2所示。

圖2 引雷火箭成功觸發(fā)閃電現(xiàn)場(chǎng)

引雷火箭結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示，降落傘結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)可以大幅提高引雷作業(yè)的安全性。

圖3 引雷火箭結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 激光引雷

激光引雷的引雷原理是利用強(qiáng)激光電離大氣，產(chǎn)生具有一定導(dǎo)電性能的等離子體通道，引導(dǎo)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(jì)80年代以來，日本科學(xué)家在激光引導(dǎo)放電方面做了大量研究工作，他們采用大功率CO2激光產(chǎn)生等離子體通道誘發(fā)高壓放電，但是CO2激光產(chǎn)生的通道是由一連串擊穿火花構(gòu)成，通道連續(xù)性很差。形成不連續(xù)通道的主要原因是一旦在某處形成被電離的區(qū)域，該區(qū)域?qū)⑽盏羲性噲D通過該區(qū)域的激光，因此在此區(qū)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(dǎo)長(zhǎng)間隙的放電。因此，長(zhǎng)脈沖CO2激光用于引導(dǎo)閃電具有一定的局限性。

近年來，超短脈沖激光技術(shù)的發(fā)展為激光引雷提供了另一種可選方案。超強(qiáng)飛秒激光脈沖由于具有很高的峰值功率，當(dāng)其在大氣中傳輸時(shí)，可以產(chǎn)生較強(qiáng)的非線性Kerr效應(yīng)，這種非線性Kerr效應(yīng)會(huì)在大氣中產(chǎn)生類似透鏡效應(yīng)，從而使飛秒激光在傳播過程中發(fā)生自聚焦[15]；另一方面，由于自聚焦使激光的強(qiáng)度逐漸增大，當(dāng)聚焦的激光強(qiáng)度超過空氣的電離閾值時(shí)，會(huì)使大氣電離產(chǎn)生等離子體，而等離子體具有散焦作用。當(dāng)非線性自聚焦效應(yīng)和等離子體的散焦效應(yīng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，激光光束就能傳播很遠(yuǎn)的距離，從而在飛秒激光傳播路徑上形成一條具有一定導(dǎo)電性能的等離子體通道。

中科院物理所魯欣研究員及其團(tuán)隊(duì)采用如圖4所示的極光Ⅱ號(hào)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(fā)和引導(dǎo)了3～23cm長(zhǎng)間隙的靜態(tài)高壓放電[16]。實(shí)驗(yàn)觀測(cè)顯示，自發(fā)放電沿著一條隨機(jī)彎曲的路徑發(fā)展，激光引導(dǎo)放電通道沿著激光傳播的方向發(fā)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(shí)驗(yàn)中通過對(duì)放電電弧發(fā)出的白光信號(hào)與激光信號(hào)的時(shí)間延遲進(jìn)行分析得到激光引導(dǎo)下梯級(jí)先導(dǎo)的發(fā)展速度約為107cm/s。

圖4 極光Ⅱ號(hào)裝置

該研究團(tuán)隊(duì)還對(duì)太瓦（TW）飛秒激光在自然大氣中傳輸時(shí)產(chǎn)生的超長(zhǎng)等離子體通道的物理性質(zhì)進(jìn)行了研究。試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)2 TW飛秒激光在大氣中自由傳輸時(shí)實(shí)現(xiàn)了2 km長(zhǎng)的等離子體通道，長(zhǎng)距離傳輸后通道內(nèi)的等離子體電子密度約為1011cm-3，仍然保持良好的導(dǎo)電性。高壓放電試驗(yàn)也證實(shí)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(dǎo)高壓放電的有效性，印證了激光引雷的前景。

3 總結(jié)

本文綜述了主動(dòng)防雷技術(shù)的進(jìn)展情況，總結(jié)出以下幾個(gè)主要成果與發(fā)展趨勢(shì)：①改善現(xiàn)有避雷結(jié)構(gòu)，尤其是針對(duì)避雷針的優(yōu)化改進(jìn)是較為適配現(xiàn)有電網(wǎng)設(shè)備的主動(dòng)引雷發(fā)現(xiàn)方向；②火箭引雷已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展，但是提高人工引雷的成功率仍是技術(shù)關(guān)鍵問題。這就對(duì)雷電預(yù)警系統(tǒng)提出了較高的要求，同時(shí)需要雷電預(yù)警系統(tǒng)精確預(yù)測(cè)的還有基于電場(chǎng)的主動(dòng)防雷技術(shù)；③激光引雷技術(shù)尚處在發(fā)展階段，在考慮控制成本的前提下具有很大的應(yīng)用潛力。