雷電災害防御人工干預技術
編輯：2021-12-17 10:02:31
摘要
分析建筑物接閃落雷相關問題，討論涉及關鍵的、重要的、危險的、核心設備的建筑及區域減少接閃落雷破壞的必要性，提出人工干預接閃落雷技術的初步解決方案。
2016 年 11 月 7 日，國務院頒布了 《中華人民共和國氣象法》（第三次修正版），隨著雷電災害防御的管理體制、機制更加完備，相關產品制造、工程設計和施工標準日趨完善，部分通用防雷行業標準與世界接軌，人民防雷減災意識明顯提高，防雷行業及相關領域穩步發展、創新增效。在建筑雷電防護工作中，減少接閃落雷引起的雷電電磁脈沖對周邊微電子設備的影響是重要的研究課題，尤其是涉及關鍵的、重要的、危險的、核心設備的建筑及區域，此研究更為重要，本文對雷電災害防御人工干預技術進行探討。
1 問題的提出
1.1 現實與現狀
在接觸和探訪的雷擊事故及部分行業統計工作中，雷擊事故區域常伴隨著接閃落雷現象。眾所周知，接閃落雷點 ≤ 83 m 半徑區域，幾乎所有電子、微電子設備及通信設備都基本無法回避接閃后引起的LEMP 雷電電磁脈沖過電壓引起的永久性損壞這個基本現實。在接閃落雷點 ≤ 2000 m 半徑區域，部分電子、微電子及通信設備不同程度地遭受部分可修復性損壞。雷電落雷時引起的破壞通常包括：電場能、磁場能及電磁混合能。依據現在執行的各類電涌保護器標準及建筑物防雷設計的相關規范，對接閃落雷的磁場能引起的電涌有明顯的抵御功能和防護效果。但對于電場能侵襲時，抵御效果十分有限。
通信行業（某機構）建筑物接閃桿接閃落雷引起的事故統計 ：
a) 故障區域 ：輸電線路故障占比70 %；地電位高壓反擊故障占比 20 %；信號傳輸線路故障占比 5 %；天饋線故障占比 5 %。
b) 故障設備：電源設備占比 60 %；傳輸設備占比 25 %；移動設備占比 10 %；其它設備占比 5 %。
由此可見，接閃落雷引起的設備故障與損壞是個較嚴重的問題。要真正減少雷電破壞，首先須設法在關鍵場所及核心部位減少接閃落雷現象。
1.3 問題的思考與提出
雷電首先是具備了高能量電能電場，雷電現象的關鍵是雷云與大地完成電場能量傳遞與交換行為過程。電場能量傳遞與交換行為過程，通常是以變化電流形式呈現，變化電流引起周邊特定區域產生變化磁場，變化磁場在特定區域 （電子設備） 內相對切割磁力線產生感應高壓，入侵特定區域 （電子設備） 造成各種破壞現象，破壞形式通常為電流電涌。既然以接閃落雷為破壞源，那么建筑物接閃落雷基本條件是什么？建筑物能否通過人工干預的方法減少局部的接閃落雷？彈藥庫、火藥庫、油品庫、化工廠、天然氣場站、主要電子微電子場站等與國民經濟有重大意義和影響的重要場所，如能減少局部的接閃落雷現象，則可以大大減少電子、微電子設備的損壞，同時降低雷電災害對人身安全的威脅。
2 人工干預接閃落雷技術的整體解決方案
2.2.1 核心突破口
上行先導和下行先導決定落雷接閃端點，上、下先導具備變極性電荷庫侖量，如何消除上行先導電場電荷，如何消耗下行先導電荷，是接閃落雷干預工作的核心突破口。
2.2.2 關鍵技術
在人工干預裝置頂部，實現弧曲線端點 / 端面，提高電場均勻性。人工干預裝置處建立人工半導體物理電場，其電場方向與雷云電場同極性，目的是消除（異極性） 上行先導的存在。在建筑物所在地面，鋪設電荷補充庫池，即：體電容接地網與干預裝置底部連接，不斷地提供人工半導體物理電場所需要的電荷。
人工干預裝置安裝在建筑物頂部，作為均勻同極性電荷的反向儲能發射裝置，向雷云層補充與雷云同極性電荷，消耗雷云下行先導電荷。人工干預裝置處建立人工半導體物理電場的核心是電場能量，在雷云選擇落雷時向雷云層補充同極性電荷消耗下行先導電荷需要具備一定的庫侖量運動電荷。人工干預裝置應該具備的等離子體工作時的核心參數與測試方法符合現有技術及仿真。
關鍵技術包括：功率變極電場儲能裝置；雷云補償漏電流發射器 ；（法拉級） 電荷補充庫池（CN111355043A）。
2.3 人工干預接閃落雷技術核心關鍵點
a. 建筑物頂部發射器電場極性與雷云相同，實現物理均勻性，發射器系統確認方式離子濃度法測試人工干預裝置頂部電場變化下相關離子濃度的變化率。
b. 建立人工半導體電場，實現發射器同極性電荷每秒庫侖基本的補充與消耗，造成雷云電容成為具備大量漏電流的壞電容。
c. 建筑物地面鋪設體電容接地網（即：電荷補充庫池），不斷地提供同極性電荷，消耗下行先導電荷。
d. 人工干預裝置中，人工半導體物理電場材料和配方也是核心技術之一。
2.4 人工干預接閃落雷技術的集合性目標
a. 同極性人工半導體電場的建立，消除上行先導電荷。使得下行先導在干預裝置上部沒有異性電場（只有同極性電場），下行先導只能尋找 （下一個） 具備 （異極性電場的） 上行先導的導體。
b. 同極性人工電場發射同極性電荷消耗下行先導電荷 （同性相斥）。
c. 同極性電荷發射庫倫量要遠大于下行先導庫侖量。
d. 地面建立體電容接地網與干預裝置連接，干預裝置不斷地提供同極電荷向其頂端局部雷云發散，消耗因 （裝置與局部雷云之間的） 電位差引起的電位電荷，從而使局部雷云與裝置之間形成的局部電容變成漏電流較大的局部電容，即增加局部雷云 （與裝置之間）電容的漏電流，造成（雷云與裝置之間的）因漏電流增大而無法放電。
2.5 人工干預接閃落雷技術核心技術指標
a. 建立同極性人工電場直接影響、改變、消除先導電荷的路徑與方向。上行先導與下行先導在導通的瞬間。IEC 標準先導短路電流 200 kA，時間1 μs，則電荷量為 0.2 C，即重要（?；瘓鏊败娛略O施）區域需干預裝置發射電荷電量＞ 0.2 C/s （即：發射電流 ＞ 0.2 A）。
b. 人工干預裝置離子濃度變化率：利用人工仿真技術建立等級直流電場，（例如） 在不同的直流電場下（≤ 34 kV/m） 人工干預裝置頂部呈現離子濃度的（工作與非工作）變化比率 ≥ 1000 倍。
2. 6 人工干預接閃落雷技術的系統組成
2. 6. 1 雷云補償漏電流發射器裝置
在較短的時間內完成向雷云補充 25C 電荷電量，則必須具備優秀的發射裝置，在每秒下完成至少 0.2 C電荷的離子發射裝工作。特殊弧端扇形發射器實現多點弧面均勻電場體，持續向雷云提供同極電荷，即：非接觸離子運動電荷流。
2. 6. 2 功率變極電場儲能裝置
功率變極電場儲能裝置需要合成足夠的同極性電荷，其中包括電荷采集及同極電荷放大功能及場能，源源不斷地輸送到電場發射裝置，構成一個雷云壞電容的基本條件，關鍵問題是實現穩定的儲放功能電路及實現協調同極源功能電路，另外電荷補充庫池也需要提供足夠的電荷。電場控制主要功能是自變條件下的適應及功能隨下行先導電荷變化而變化。
c. 電荷補充庫池核心技術：體電容接地系統，人工添加介電常數，實施電荷常態儲藏，便于后期提供系統電荷電量。
d. 系統數據與監管核心技術：雷云電場與雷云電荷變化的實時監控；雷電預警及落雷電荷的實時監控；電容補充庫池 （體電容接地網） 的工作狀態與運行效果的實時監控；PC 端管理。
e. 人工電場發射裝置：發射裝置的電場均勻性，如配合一定的補償與補充電荷量，則決定了保護角度的大小。
f. 人工電場合成裝置創新點：裝置在多少時間內補償與補充同極性電荷的庫侖量，如果按照 25 C設計，1s 補償 0.2 C，則 125 s 內能否補充完成，補充的電荷越多則越安全。
g. 電荷補充庫池創新點：體電容接地系統，核心在于接地網的結構電容，人工添加材料學的介電常數，以加大容量同時在無雷擊狀態下的電荷聚合為出發點，實施電荷常態儲存，便于后期提供干預裝置電荷電量。
3.2 核心技術承載的人工干預接閃落雷技術成敗要素
a. 極性問題：人工實施有條件的同極性處理及電場均勻性，是關鍵問題，補充與補償電荷是在同極性的基礎上，電位差式補充電荷的活動，目的就是破壞雷云電容。
b. 電荷電量問題：補充與補償的電荷量是人工設計的。例如：假設 ≥ 25 C 的雷電，需要這個系統依據開爾文計算，則系統補償電荷量：＞ 0.2 C / s。易燃易爆場所干預 1～300 C 以上的雷電，則系統補償電量：＞1～1.5 C / s。
c. 補充庫池問題：補償與補充電荷需要一個體電容接地系統，如果簡單地理解為普通的體電阻接地網，則效率較低，在監管系統中是可以讀取的。同時直接影響整個系統的構建與效果。
補償電荷：I = U×C0 /ρ＞ 0.2 C。
d. 監管與修補問題：實時監控是為了修復與修補，盡早適用。地質地況、氣候條件等諸多因素，都必須做到因地制宜。實現向雷云補償、補充電荷的庫侖量的實時監控；實現雷云電場及電場電荷變化的實時監控；實現雷電預警及落雷電荷的實時監控；實現電容補充庫池的工作狀態與運行效果的實時監控；監控數據上傳 PC 端。
e. 減少接閃與落雷同時還需執行相關防雷標準：GB 50057 《建筑物防雷設計規范》；GB 50343《建筑物電子信息系統防雷技術規范》；GB 21431《建筑物防雷裝置檢測技術規范》；GB 18802.1 《低壓配電系統的電涌保護器 （SPD） 第 1 部分：性能要求和試驗方法》；GB 18802. 21 《低壓電涌保護器第 21 部分：電信和信號網絡的電涌保護器 （SPD）性能要求和試驗方法》 等相關防雷標準。
4 結語
人工干預接閃落雷技術可應用在避雷塔、通信局站、加油站、加氣站、天然氣加壓站等易燃易爆等對電子設備有特殊要求的場所。
人工干預接閃落雷技術目的明確：利用人工干預接閃落雷技術，減少被保護區域接閃落雷現象，減少接閃落雷引起的 LEMP 雷電電磁脈沖感應高電壓破壞電子、微電子設備的電源系統和通信信號系統，最大限度地保護人身安全和設備安全。人工干預接閃落雷技術遵循因地制宜的應用原則：人工干預接閃落雷技術應用需要考慮外部地況環境，包括山區、淺山區、戈壁、草原、海島、草原、季風、海拔、土壤電阻率等諸多因素。
人工干預接閃落雷技術還需要確定被保護負載：結合氣態、固態、液態及易發生等離子狀態的易燃易爆場所，電子設備，通信設備，車載設備自身的特點特性，因地制宜地設計保護方案，在運行中不斷修正、補償監督系統是后續工作的良好延續前提。
