主动防雷研究现状分析

潘巧，付光攀，吴达（广东电网有限责任公司广州供电局）

高淑萍，何正浩（华中科技大学电气与电子工程学院）

本文发表在《科技与创新》2022.1

摘要：

雷电是目前最严重的气象灾害之一，现有的防雷技术多属于“被动”避雷的防护类型，并不能完全保护目标物，因此亟需从“被动”避雷向“主动”防雷过渡。依托现有避雷设备上改进的主动防护和直接引雷防护两方面介绍了目前主动防雷技术的研究现状，以及详细分析了可控放电避雷针、火箭引雷技术、激光引雷技术的研究现状，并对防雷工作的未来发展趋势作出相关展望。

雷电是目前最严重的气象灾害之一，对电力系统一次侧和二次侧的稳定运行都会产生较大的影响。目前电力系统中有相当数量的设备都裸漏在空中，如户外型变电站、大部分输电线路等，在雷电多发地区，设备非常容易受到雷电的影响从而造成雷击跳闸、供电中断，甚至威胁电网的安全运行，造成大面积停电、人身伤亡等更加严重的后果[1-3]。目前应用较为普遍的防雷技术仍属于被动防雷的范畴，而被动防雷并不能完全有效避免雷电对被保护物造成的危害，雷击事故仍时有发生。为提高避雷成功率，在雷电多发地区一些十分重要的场合中还需要在现有防雷技术的基础上配合主动引雷系统，以引导雷电流定向流入大地的方式对雷电能量进行释放，从而达到保护关键对象免受雷击的目的。

在实际的防雷应用中，多采用被动防雷的方式，但是由于雷电活动的随机性、分散性而使落雷地点和雷电参数等难以掌握[4]，因而难以全面科学地分析雷击线路跳闸事故，并提出相应的解决方法。因此在这种情况下，发展主动防雷技术显得尤为重要。

主动防雷技术是通过消除雷击危险性，使被保护物体不再遭受雷击的全新避雷技术，被称为“21世纪防雷事业的曙光”。主动防雷技术在实践应用中具有以下优势：

①能够保护地面、水面等物体，使得物体内部的微电子设备能够避免直击雷危害；

②削弱落雷周围的电磁感应强度，避免设备内部的微电子设备受到感应雷损害；

③室外雷击多发生在线路上，通过主动防雷，使得过电压不会进入到物体内部，提高对设备的保护力度；

④由被动防雷转变为主动防雷，能够对雷击潜在危险进行及时监测和预警，提高防雷效果；

⑤能够控制落雷点，实现大范围防雷保护。

目前基于工程应用提出的主动防雷技术主要有火箭引雷、激光引雷技术，一些针对现有避雷结构的改善技术也在逐步应用于工程实践中。本文将从以上部分归纳总结现有主动防雷技术。

1改善现有避雷结构

截止到目前为止，采用避雷针（避雷线）仍是最常用的避雷方法。这种方法虽然简单经济，但是也存在着一些缺陷，如保护范围不确定，存在雷绕开避雷针直击被保护物的情况，据统计避雷针的绕击率大约在1%左右，在雷电多发地区危险系数较高；当接地电阻过高或者避雷针与被保护物体之间的距离小于安全距离时，会有反击发生等。

可控放电避雷针在富兰克林避雷针的基础上加以改进，通过结构设计，可靠地引发上行雷闪放电，从而减少绕击和增大保护角，以达到保护各种对象的目的[5]。

雷云对地面物体放电可分为上行雷闪和下行雷闪两种形式。下行雷闪时，先导自上而下发展，主放电过程发生在地面附近，所以电荷供应充分，放电过程较为剧烈，雷电流副值大（平均幅值为30～44kA），陡度高（24～50kA/ms）；而上行雷闪一般不具备自上而下发展的主放电，它的放电电流由先导过程不断向上发展组成，即使有主放电，但是由于雷云向主放电通道供应电荷也较为困难，所以放电电流副值小（平均小于7kA），且陡度低（小于5kA/ms）。除了雷击电流幅值小、陡度低之外，上行先导由于是自下而上发展，所以并不会对被保护对象发生绕击，同时还可以减轻放电时在地面物体上的感应过电压[6-7]。可控放电避雷针的设计原理利用了上行雷闪的这些特点，使其能可靠地引发上行雷闪放电。

可控放电避雷针的结构示意图如图1所示。根据尾部带金属线的火箭比高层建筑更容易引发上行雷的经验分析得出，要成功地引发上行雷，针头需要达到以下两点要求：①在引发的上行雷发生之前，针头附近的空间电荷应尽量少，以便于自主针针尖向上发展放电脉冲；②当需要引发上行雷时，针尖处的电场强度应足够高，以迅速产生放电脉冲。

相较于富兰克林避雷针，可控放电避雷针在保护特性上有着十分显著的优点：①可控放电避雷针可以确保相当大的区域免受绕击；②基本消除了雷闪时产生的感应过电压；③可控放电避雷针的放电时间比富兰克林避雷针平均提前13.3μs。

2人工引雷

数百年来，人工引雷技术在探索中不断发展。1752年，富兰克林通过一只带铁丝的风筝成功将“天电”从空中引下。20世纪60年代，Langmuir实验室首次提出了人工引雷的构想，提出要人为引发雷电，需要在雷暴电场中突然引进一移速高于离子漂移速度的接地导体尖端。1967年，NEWMAN等[9]通过向雷暴云发射小火箭拖拽金属丝的方法成功在水面上实现了人工引发雷电。20世纪90年代，“空中触发”[10]理念的发现进一步完善了引雷技术，“空中触发”即引雷时金属丝的下端可悬在数十至数百米的控制，不必直接接地，用这种方式引发的雷电更适用于研究分析地面物体与雷电先导的互相作用。

目前人工引雷中最常用的方式为发射一拖拽金属丝的引雷火箭至雷暴云这一手段，又称为火箭引雷。随着近年来的在放电方面的相关研究，一些引雷新方法也在不断出现，激光引雷就是发展最为迅速的新方式之一[11]。

2.1火箭引雷

火箭引雷通常是在雷暴条件比较成熟的情况下，通过带钢丝的小型火箭将雷电人为地引发到地面，使本来随机发生的自然雷电在可控状态下进行。钢丝在向上发展过程中，会诱导形成一个雷电，这个雷电就会沿着这个导线打到地面上。

雷电发生前，云层中的电场将会影响地面上的电场。根据地面上的电场强度，可以大概推断云层中的电场强度，以确定触雷时间。当火箭飞到200～400m高度时，就在雷暴云和大地之间建立了一条放电“通道”[12]。

引雷火箭是人工引雷的主要工具，箭体内有火箭发动机、发动机点火电爆管。

人工引雷火箭拖着一条细细的钢丝，钢丝要有足够的抗拉强度，要细、要轻，以减轻火箭的负荷，而且导线表面要光滑，以减小飞行阻力。

火箭发射后上升的速度是决定能否成功引雷的关键。火箭的发射速度要掌握适中，太快会将钢丝拉断；太慢会赶不上带电粒子的飘移速度，同样不能引雷电落地。

关于火箭引雷的实际研究早在1998年就已经开始进行，由广东省电力试验研究所牵头，与中科院寒区旱区环境工程研究所和武汉大学共同承担的国家电力公司“火箭引雷对防雷装置的试验研究”（SPRT011—5）科技项目，经过1998—2000年3年的工作，取得了阶段性成果，于2001-11-06在北京通过了国家电力公司主持的科技项目验收专家委员会的验收。项目组成了有38人参加的火箭引雷工作小组，现场试验198d，发射引雷火箭62发，引雷成功16次，成功地利用火箭引雷技术对雷电物理、防雷设施、雷电参数的测量等方面进行了研究，在国内第一次测量到了雷电放电传输速度和雷电流波形参数，并且利用火箭引雷参数对雷电定位系统成功地进行了校验。该项目对火箭引雷的正负先导特征、防雷装置在火箭引雷试验中的接闪现象、火箭引雷中铁塔地网电位测量、雷电流参数的测量方面进行了研究。一次引雷火箭成功触发闪电现场[13]如图2所示。

引雷火箭结构示意图如图3所示，降落伞结构的出现可以大幅提高引雷作业的安全性。

虽然火箭引雷已经取得了一定的进展，但是在人工引雷实验中，由于受到天气、环境、人力和物力等方面的限制，每年成功引雷的次数相对较少，因此下一步的研究主要应对野外人工引雷及大气观测相关场地和实验设计进行进一步的完善与优化[14]，提高人工引雷的成功率，开展长时间的连续观测，同时尽可能减少环境及气象因素对观测结果的影响。

2.2激光引雷

激光引雷的引雷原理是利用强激光电离大气，产生具有一定导电性能的等离子体通道，引导雷电沿着通道释放到安全的地方，以减少甚至消除雷击的危害。

20世纪80年代以来，日本科学家在激光引导放电方面做了大量研究工作，他们采用大功率CO2激光产生等离子体通道诱发高压放电，但是CO2激光产生的通道是由一连串击穿火花构成，通道连续性很差。形成不连续通道的主要原因是一旦在某处形成被电离的区域，该区域将吸收掉所有试图通过该区域的激光，因此在此区域之后没有激光，也就不可能被电离，需要很高的激光能量才能引导长间隙的放电。因此，长脉冲CO2激光用于引导闪电具有一定的局限性。

近年来，超短脉冲激光技术的发展为激光引雷提供了另一种可选方案。超强飞秒激光脉冲由于具有很高的峰值功率，当其在大气中传输时，可以产生较强的非线性Kerr效应，这种非线性Kerr效应会在大气中产生类似透镜效应，从而使飞秒激光在传播过程中发生自聚焦[15]；另一方面，由于自聚焦使激光的强度逐渐增大，当聚焦的激光强度超过空气的电离阈值时，会使大气电离产生等离子体，而等离子体具有散焦作用。当非线性自聚焦效应和等离子体的散焦效应达到动态平衡时，激光光束就能传播很远的距离，从而在飞秒激光传播路径上形成一条具有一定导电性能的等离子体通道。

中科院物理所鲁欣研究员及其团队采用如图4所示的极光Ⅱ号装置能量40mJ，脉冲宽度50fs的超短脉激光脉冲形成的等离子体通道诱发和引导了3～23cm长间隙的静态高压放电[16]。实验观测显示，自发放电沿着一条随机弯曲的路径发展，激光引导放电通道沿着激光传播的方向发展。等离子体通道整体上能使空气间隙的击穿阈值降低到自然击穿阈值的40%。实验中通过对放电电弧发出的白光信号与激光信号的时间延迟进行分析得到激光引导下梯级先导的发展速度约为

该研究团队还对太瓦（TW）飞秒激光在自然大气中传输时产生的超长等离子体通道的物理性质进行了研究。试验结果证实2TW飞秒激光在大气中自由传输时实现了2km长的等离子体通道，长距离传输后通道内的等离子体电子密度约为

，仍然保持良好的导电性。高压放电试验也证实了有等离子体通道存在，可以将放电电压降低30%[17]，说明了激光诱导高压放电的有效性，印证了激光引雷的前景。

3总结

本文综述了主动防雷技术的进展情况，总结出以下几个主要成果与发展趋势：

①改善现有避雷结构，尤其是针对避雷针的优化改进是较为适配现有电网设备的主动引雷发现方向；

②火箭引雷已经取得了一定的进展，但是提高人工引雷的成功率仍是技术关键问题。这就对雷电预警系统提出了较高的要求，同时需要雷电预警系统精确预测的还有基于电场的主动防雷技术；

③激光引雷技术尚处在发展阶段，在考虑控制成本的前提下具有很大的应用潜力。

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