基于等离子体主动防御的雷电综合防护措施

康国耀，刘 刚，丁振东，任伯峰

（1.深圳市中航比特通讯技术股份有限公司，广东深圳 518057；2.中国人民解放军63891 部队，河南洛阳 471023）

0 引言

雷电防护是一个整体概念，任何一处短板都可能造成防护失败，所以通过直击雷防护和感应雷防护综合设计才能保证整体雷电防护效果［1］。

几百年来人们一直使用富兰克林避雷针［2］为代表的“引雷入地”式直击雷防雷方式，并沿用至今。但若要发挥该防护手段的有效性，首要条件就是必须建立庞大的地网系统用于分散和快速泄放雷电能量，但在地网的选址、设计、施工等方面受客观环境因素影响较大，实施起来有较大难度。以雷达装备的应用场景为例，为提升其作战性能，一般该类装备都架设在现场环境较为恶劣的突出部（如山顶）或者海岛等空旷的野外区域。因该类地区的土壤电阻率较高［3］，建设庞大地网工程费用较高，特别是海岛等沿海地区地网不可避免地被土壤腐蚀导致性能降低（现有防雷设备老旧主要体现为金属腐蚀），又由于“引雷入地”导致的近场区域雷电电磁脉冲辐射能量显著上升，对于雷达等敏感设备危害程度高。基于以上传统雷电防护手段的薄弱处，本文介绍一种通过雷电场实施监测及主动提前防御的方式，替代消极、被动的以避雷针为代表的防雷体制，降低雷电灾害概率，减少生命及财产损伤。另外，感应雷防护也是防雷总体设计里必不可少的部分。通过屏蔽、综合布线、等电位处理、加装电涌保护器（SPD）等感应雷防护的手段实现对装备的整体防护。

1 直击雷防护技术

1.1 传统直击雷防护技术

雷电防护相关规范要求建筑及内部设备的雷电防护体系［4］如图1 所示。

图1 传统雷电防护体系

传统防雷手段“接闪器引雷”易造成雷击现象，对其导致的区域雷电电磁脉冲环境恶化进行研究。首先对雷击建立相似的数学模型，并通过计算机仿真进行模拟计算，在给定雷击内部通道电流波幅度和波形的情况下进行仿真［5］。仿真采用近场雷击仿真参数，并以距离雷击点分别为R ＝10、20、50、100 m 时进行计算，得出雷击电磁场波形。进行模拟仿真时，选用经常发生的负极性雷击，选择雷电流幅度30 kA进行模拟。雷电流波形如图2 所示。

图2 雷电流波形

采用MATLAB进行编程计算后得出电、磁场波形如图3所示。由图可知：当R ＝10 m 时，其感应电场强度峰值达到275 kV／m；磁场强度峰值达到480 A／m；当R ＝100 m时，其感应电场强度峰值达到50 kV／m；磁场强度峰值达到50 A／m。

图3 雷电感应电磁场仿真

由以上仿真计算可知，当直击雷落雷点远离阵地时，其形成的感应电磁场强度被大大衰减，而如果采用接闪器类直击雷防护设备在缺乏屏蔽和有效泄流地网的情况下，其产生的雷电感应电磁场强度远超装备技战术指标要求，极易造成装备损坏。所以采用“引雷入地”泄放雷云电荷的方案，不适合对电磁敏感装备的防雷需求。

1.2 等离子防雷技术

针对传统直击雷防护缺在的诸多缺陷，可以通过降低接闪概率等措施从根本上解决地电位反击等二次再灾害。等离子防雷技术采用“非引雷入地”的防雷理念，且不需要庞大地网的支持。此种新型防雷手段使得直击雷的热效应、电效应、光效应、声效应衰减，同时雷电电磁脉冲辐射效应由于距离的增加而衰减，更适合应用于高敏感装备的防护需求。

等离子防雷完全不同于传统避雷针以“引雷入地”防雷方式，是一种以雷电防预相结合，采用“电荷中和”的驱雷方式［6-7］。通过雷电预警单元实时监测雷云电场的变化趋势，当雷电场强超过阈值时，自启动防雷设备，通过主动释放大量带正负电荷的等离子体，弱化了雷电上下行先导，确保在保护区域内无法形成放电通道，就像是撑起一个伞状的雷电防护盾，防雷保护半径可达传统接闪器的8 倍。当雷云逐渐移出保护区域后，区域大气电场环境需连续15 min 低于预警阀值要求，等离子发生器停止放电，防雷预警结束，设备恢复常规警戒状态。

1.2.1 等离子防雷体系

在整个防雷体系中，与主流标准的防雷体系的主要区别在于“外部防雷”单元，更换传统接闪器（避雷针）为等离子发生器；在内部防雷和过电压保护方面可完全按照国军标相关标准规定执行［8］。新构建防雷体系如图4 所示。

图4 等离子防雷系统体系

1.2.2 等离子防雷工作原理

（1）雷电预警预报

采用大气电场感应探测技术，在时间和三维空间内实时监测大气电场强度的变化，对即将发生的雷电危险进行预警［9］。

（2）雷电防护

在提示雷电预警的同时，系统自行启动防雷模式，及早在雷云电荷尚较分散、雷云电场尚未过激的有利时机，向空间较长时间大体积地发散有源产生的高浓度（1015个／m3）等离子体。对于多数雷云（90%以上），其正电荷位于上部、负电荷位于下部；形成地闪的雷云底部距地面高度一般为150～600 m，如图5 所示，等离子体中的正离子在雷云电场吸引和上升气流输送作用下向雷云底部发散，同时等离子体中的负离子受地面感应正极性电场的吸引下向地面发散，在其250 s的生存周期内将上升到超过800 m以上的高空，可有效中和雷云电场先导底部电荷。因此发散的等离子体同时中和、稀释和均匀化由地面向上（正电荷）和由雷云向下（负电荷）两个方向的雷电先导电荷，破坏形成雷击的条件，避免雷云电荷在保护区域内激化而产生尖端放电形成雷击，雷云将在一段时间的活动周期后逐渐飘移至被保护范围外，从而达到在一定范围内无直击雷目的，并避免了因“引雷入地”时雷电流泄放而在防雷保护区内产生的感应雷。

图5 等离子体防雷作用机理示意

防雷系统有源产生的等离子体浓度为1015个／m3，单个离子的电荷量为1.6 ×10-19C，则防雷系统有源发生等离子体的体积电荷密度为：1.6 ×10-19C×1015／m3＝1.6 ×10-4C／m3。

雷电是由积雨云中所带荷电所形成，积雨云的形成通常要经历生成期、成熟期、消散期等阶段。根据雷电学文献介绍雷云团电荷密度典型值为3 ×10-9C／m3，最高达2 ×10-8C／ m3。防雷系统产生的等离子体比雷云团的体积电荷最大密度高出4 个数量级［10］，能有效对雷云下部电场实现相对较大面积的电荷中和（相当于实现对雷云电荷的泄漏）、均匀化，避免电荷过分集中、电场激化而形成雷电先导及进一步发展成电场击穿，直至雷云消散或移远，达到防止雷击形成的目的。

（3）保护范围

直击雷保护范围的确定采用防雷保护角折线法则［11］，取决于防雷装置的防雷保护角θ，以及防雷装置的架设高度H，如若架设现场能借助于地势高度差，则有助于增大防雷保护范围。防雷设计应遵循计算式（1）来确定防雷保护范围的半径和高度包络线。

式中：θ为防雷装置的防雷保护角；R0为防雷保护范围的半径；H为防雷设备的架设高度。

1.3 优劣势对比

针对传统雷电防护避雷针、提前放电针和等离子防雷系统等直击雷防护装置，从原理、保护角、接地要求及其对应的机动性进行对比如表1 所示。

表1 直击雷防护技术对比

通过对比可知，采取等离子防雷取代传统的接闪针类型的直击雷防护技术，通过非接闪的方式，大大降低因引雷入地可能引起的二次闪击、强电流高电压、强电磁辐射等引起的雷击次生灾害，保证危化品行业人员和设备的运行安全。

2 某阵地雷电防护方案

阵地部署于沿海某地区，被保护设备包括有：电子设施P、电子设施L、电子设施X。该地属于中亚热带季风气候区，冬夏季风交替显著，温度适中，四季分明，7—9 月常有热带气旋登陆，年平均雷暴日50～60 天，属于沿海丘陵山地土壤环境。阵地装备布局如图6 所示。

图6 某阵地布局示意图

（1）电子设施架设高度：P 型设备距地总高度为38 m；L型设备距地总高度为20 m；X型设备距地总高度为14 m。

（2）地面海拔标高：P 型设备119 m；L 型设备105 m；X型设备94 m。

（3）设备之间的间隔距离（P 与L 的中心点距离95 m；L与X的中心点距离80 m）。

阵地装备依山体分布，其中电子设施P架设点最高；但其后有高出基准面6 m 的平台面，具备安装架设铁塔的地基要求。

2.1 直击雷防护方案

按照传统避雷针的防护方式，在P、L 和X 装备处均需构建直击雷防护措施，另外装备体型过大，且不允许在设备顶端增加避雷针，就需要在单个装备四周增加4 支避雷针，整个阵地装备需要12 支架高的避雷针，关键此种防护措施无法同时为该阵地的营房及油机室提供可靠的雷电防护，还需要单独增加额外的雷电防护手段，且需要4～10 Ω［12］的接地电阻，设计施工难度加大。传统避雷针的雷电防护效果如图7 所示。

图7 传统避雷针的雷电防护效果示意

若采用等离子体防雷技术的雷电防护方案如下：拟采用在P型装备后侧山体，距P型装备边沿45 m处架设42 m高铁塔，可满足构建防雷保护区覆盖整个阵地区域的要求。

依据各装备的位置和高度，并结合等离子防雷装置的技术特点进行设计定位。采用一套等离子体防雷设备进行防护即可，安装位置如图8 所示。在等离子防雷设备的作用下，实现直击雷的防护，以满足防雷保护区域内的直击雷保护要求，其中承载铁塔的架高要求为42 m，架设点靠近P型装备后的高地上，且与其间距大于45 m，水平基准高差6 m，以相对高度进行计算其保护范围，代入式（1）中得：RP＝96 m，RX＝496 m。

图8 防雷铁塔部署位置俯视图

由计算可知，拟选取铁塔高度为42 m，等离子发生器高度3 m，考虑到塔基础和装备之间有6 m左右的海拔高差，具体防雷系统工程设计参数如表2 所示。

表2 F塔保护参数

本文将等离子发生器架高于阵地海拔最高点，其形成的保护范围完全覆盖到P、L、X型装备，并留有足够的余量空间，保护范围如图9 所示。

图9 防雷保护范围侧视图

2.2 感应雷防护方案

依据国标及国军标防雷规范进行设计，采用等电位、线路屏蔽和外引电源线路加装电涌保护器结合的方法进行感应雷防护。

（1）等电位措施。等电位排接地充分利用建筑物的自然接地体，连接电缆应为铜材的横截面积不小于120 mm2。等电位连接采用网状-星形混合结构形式［13］。

（2）加装电涌保护器。配电系统电涌保护器配置采用分流、分级配置。电涌保护器的防雷接地通过接地线与安装的室内等电位排进行连接，保证接地线短且直。电涌保护器安装要求：安装SPD时要确保各级SPD安装位置之间线路的长度，第一、二级SPD 安装位置之间的线路长度要不小于10 m；第二、三级SPD安装位置之间的线路长度要不小于5 m［14］。

（3）装备机房接地电阻指标：装备接地系统应充分利用建筑物的自然接地体，当自然接地体的接地电阻不能满足标准要求时，可采用增加人工接地网的方式实现降阻，机房接地电阻大于或等于1 Ω［15］。

3 结束语

本文阐述了等离子体电荷中和的直击雷防护原理，通过雷电预警实时监测大气电场，超预警阈值自启动防雷装置，主动释放高浓度等离子体散逸到大气环境中，利用异性电荷中和后电荷趋近与零的特性来抑制大气雷电上、下行先导的交汇，从而达到抑制本区域内直击雷形成的目的。并对比分析传统避雷针引雷入地与新型等离子体非接闪原理的雷电防护技术优缺点对比分析，采取等离子防雷取代传统的接闪针类型的直击雷防护技术，通过非接闪的方式，大大降低因引雷入地可能引起的二次闪击、强电流高电压、强电磁辐射等引起的雷击次生灾害，保证危化品行业人员和设备的运行安全；同时在固定式阵地的直击雷防护时，可以采用一套等离子体防雷系统替代原来几套甚至十几套避雷针的防护措施，极大节约建设及后期维护成本；放宽接地电阻值要求，降低设计、施工难度；缩短建设周期，且可实现装备不间断运行的要求。在保证直击雷防护的同时，配合线缆屏蔽、综合布线、等电位处理和加装电涌保护器等措施，实现雷电整体防护要求。