解密“雷码” 步步防雷——记清华大学电机工程与应用电子技术系教授陈水明

本刊记者 王 辉

解密“雷码” 步步防雷
——记清华大学电机工程与应用电子技术系教授陈水明

本刊记者 王 辉

专家档案：

陈水明，博士，教授，博导，1968年3月生，分别于1990年7月、1993年3月在浙江大学电机工程学系获工学士和工学硕士学位，1997年2月在清华大学电机工程与应用电子技术系获工学博士学位。曾参加国家自然科学基金、电力部八五重点科技攻关、北京市自然科学基金和高等学校博士学科点专项科研基金等数个纵向项目的研究工作。另外还主持或参加了数十项横向课题的研究工作。已获得电力部科技进步三等奖1项、山东省科技进步三等奖2项、四川省科技进步三等奖1项、西北电网科技进步特等奖1项、华东电网科技进步一等奖一项。近年来，已在国内外学术期刊及国际会议上共发表论文200余篇。

20世纪90年代后期，我国电子技术的发展日新月异，不断涌出了许多新型电子产品，为人们的社会生产生活带来了翻天覆地的变化。但随着电子产品的普及，一个令人们意想不到的问题也出现了。

“许多电子产品都特别怕电磁干扰，雷电就是一个很重要的电磁干扰源。”清华大学电机工程与应用电子技术系陈水明教授说道。那么，雷电对于社会生产生活的干扰究竟有多大呢？陈水明教授为我们做了进一步的解释。

雷电的威胁性

在清华大学电机工程与应用电子技术系攻读博士学位时，陈水明就开始涉猎电磁环境的相关研究。“电磁环境”与“雷电”，看似不相干，其实有着千丝万缕的联系。当今社会，科学技术越来越先进，各种设备的功能性也越来越强，这不仅造成了人们对于这些设备的依赖性，也使得设备本身越来越脆弱，对电磁干扰非常敏感。

“电磁环境，换言之，就是电磁场现象，是环境中普遍存在的电磁感应和干扰现象。”陈水明介绍说，雷电的直击，可能会造成火灾和人员伤亡，这且不论，由于电磁环境的作用，这种影响还会扩散到周围的环境中，干扰到其中的电子系统或建筑物。如果在空间的传输中，感应到很高的电压，这个电压再传导出去就会将东西击坏，而对计算机、电话机这些弱电设备来说，电压一旦超过5伏，就会对其造成破坏。“而打雷，就是电的平衡过程。水生成水蒸气，并慢慢升腾，其温度随着高度的升高而降低，到一定的高度就会形成冰晶，这些冰晶则因某些因素带上了电。如果不打雷，这些云中的电量就不能回到地球上来。换一句话说，整个打雷的过程，实际上就是一个无限循环的电平衡系统。我们没有办法消除雷电，只能想方设法在雷电到达地面之前进行防护。”

让防雷意识深入人心

1997年～2006年，陈水明曾用十年的时间进行过一项调查，发现我国每年因为雷击死亡的人数在400～500人之间，其中绝大部分发生在农村。

“这不仅是因为农村的公共基础设施不完备，还因为人们的防雷意识欠缺。”他认为，如今，雷电的工程防护技术已经基本成熟，国际上已发布了相关防护标准，而国内也开始逐渐将其转化为适合国情和行业特色的标准，并决定在未来的工作中将此作为重点来贯彻执行。“防雷”，已经成为他生活中一个重要的关键词。他曾在国内开发出具有自主知识产权的野外雷电流波形实时测量系统；他提出了从雷电定位系统的海量数据提取雷电特征参数的方法；他还与施耐德电气开展了为期5年的国际合作，深入开展高层建筑的雷电防护基础研究，并建立起我国雷电防护基础数据，提出了建筑物内不同场所和不同系统的雷电流的大小、波形等。他的数据被称赞是“为国家标准的建立提供了一个佐证”。现在，该成果已应用于负责编写的国家标准GB/Z 21713-2008《低压交流电源（不高于1000V）中的浪涌特性》中，对国家标准的建立和完善起到了促进作用。

为了更好地揭示雷电放电的物理过程，从2008年起，陈水明就一直设法收集我国的雷电流数据，研制出多通道雷电流测量装置，对自然界的雷电流进行测量，现已在全国各地安装了近十套装置，正对位于我国境内不同区域的雷电流进行实测，以期通过十多年的努力，收集到100个以上的实际数据，统计出我国雷电流的分布规律。陈水明表示，将抓住一切机会，通过学会、媒体等途径加强防雷科普化宣传，使防雷知识深入广大普通民众。

面向工程，面向需求

从一篇题为《雷击建筑物时室内电子系统过电压防护研究》的博士论文开始，陈水明对弱电设备的雷电防护开展了一系列颇具创建的工作。他既是国内第一个将避雷器应用于输电线路防雷的研究者，也是国内第一个进行雷电防护基础数据计算的研究者，其研究的核心原则就是——面向社会需求，解决工程问题。

针对1000kV特高压交流和±800kV、±1000kV特高压直流输变电工程的防雷问题，他在国内最早提出了特高压直流换流站采用避雷线防护直击雷的布置方案，并于1998年在广东省肇庆市的110kV朱西线上大胆启用避雷器防雷。经过当年的实践对比，类似线路那年跳闸6次，但改造后的朱西线一次也没有跳过闸，反响良好。目前，南方电网已经将这种方法进行了推广应用。

2006年11月，陈水明所在的清华大学电机工程与应用电子技术系与山东电力泰安供电公司联手开展“输电线路雷击定位及雷电特征参数监测系统”研究。2007年，该系统在泰安供电公司开始试运行，证实其性能指标均达到设计要求，且系统运行稳定可靠。实践证明，该系统能及时监测输电线路雷击定位及雷电特征参数，为电力系统的防雷积累雷电原始数据创造了条件，先后荣获2009年度山东电力科学技术二等奖、泰安市科学技术二等奖，2010年获山东省科技进步奖。

在举世瞩目的青藏铁路工程中，陈水明也投身其间，负责起其中一个子课题——“唐古拉山-拉萨”段输电线路防雷接地研究。

“这段输电线路是直接为青藏铁路沿线供电的，电压等级不高，只有110kV。这个等级并不存在什么设计问题。但该线路全程的3/4都处于青藏高原的多年冻土地带，一个合格杆塔的接地装置就非常重要，否则将影响铁路运行。”经过调查总结，陈水明发现：青藏铁路沿线的雷电活动主要集中在5～9月份，此时的雷电活动占全年的95%以上；冰冻季节一般从11月开始，到次年2月份结束。3月开始出现融冻层，4～10月则一直维持表层土壤的融冻。根据这一气候特征，他确定了青藏铁路沿线地区线路防雷设计的基本原理，“我们必须充分利用季节融冻层的低电阻率特性，改善接地装置的冲击特性，以确保输电线路的防雷可靠性。”继而，他和课题组又提出了许多可行性建议，如：基于高原地区雷电活动较为频繁的特点，对110kV以上线路全程架设避雷线；采用水平放射型接地装置，以充分利用地表低电阻率的融冻层……

面对雷电带来的忧患意识，陈水明研究防雷、宣传防雷，他认为这是一个科研工作者应尽的责任。所以，他忙碌着，也快乐。