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人工引雷技术应用及前景介绍

自：中科院寒旱所

引言

自然闪电的发生是随机的，除在一些非常高的建筑物外，自然雷电击中到某一固定地点的机率非常非常低，而且其发生时间目前根本不可预测。相比之下，人工引雷技术可令雷电击中到某一固定地点，且其发生时间也可在某种程序上加以控制，这就为研究雷电物理及各种防雷方法提供了极其方便的条件。通过人工引雷不仅可以对雷电电流进行系统的测量，而且可以在近距离处设置各种电磁场探头和高速光学摄像装置对雷电的各种特性进行测量。因而自从人工引雷成功后，人工引雷就被大量用于研究雷电的机理及特性，同时也被用于研究和检验各种防雷装置。通过利用高电压发生器，在某种程序上也可研究和检验各种防雷装置，但有一些参数，因涉及放电尺寸及所中和电荷量等，用高电压发生器模拟雷电就不太现实，这也是为什么要利用人工引雷研究和检验各种防雷装置的重要原因之一。总之，过去20多年来利用人工引雷取得了大量的成果，在这一章里我们将介绍这方面的成果。

自然闪电的发生是随机的，除在一些非常高的建筑物外，自然雷电击中到某一固定地点的机率非常非常低，而且其发生时间目前根本不可预测。相比之下，人工引雷技术可令雷电击中到某一固定地点，且其发生时间也可在某种程序上加以控制，这就为研究雷电物理及各种防雷方法提供了极其方便的条件。通过人工引雷不仅可以对雷电电流进行系统的测量，而且可以在近距离处设置各种电磁场探头和高速光学摄像装置对雷电的各种特性进行测量。因而自从人工引雷成功后，人工引雷就被大量用于研究雷电的机理及特 性，同时也被用于研究和检验各种防雷装置。通过利用高电压发生器，在某种程序上也可研究和检验各种防雷装置，但有一些参数，因涉及放电尺寸及所中和电荷量等，用高电压发生器模拟雷电就不太现实，这也是为什么要利用人工引雷研究和检验各种防雷装置的重要原因之一。总之，过去20多年来利用人工引雷取得了大量的成果，在这一章里我们将介绍这方面的成果。

人工引雷在电力系统防雷研究方面的应用

随着现代文明的发展，人们不仅对电的需求是不可或缺的，特别是伴随着信息产业的高速发展，即使是瞬间停电也会给现代社会带来严重的影响。雷电是造成电力系统故障的最大原因。因此为了彻底消除电力系统故障，必须解决电力系统防雷问题。在电力系统中，不仅有各种各样的变压器、绝缘子，也有各种各样的避雷器等。当雷电直接击中电力系统时，高电压大电流就会沿着电力系统传到很远的地方，直接影响到这些电力设备。即使雷电不直接击中电力系统，只是击到电力系统附近，由于感应的原因电力系统中会出现过电压，同样也会影响电力设备。人工引雷为研究这些影响并检验各种电力设备的耐雷特性提供了一个有效的手段。现在人工引雷不仅被用来研究低压配电系统的防雷，而且也被用来研究高压送电系统的防雷。

      最早把人工引雷应用到低压配电系统防雷研究的国家是日本（Horii，1982）。日本的研究人员把人工引雷引到离试验配电线70多米的地点来研究雷电在电力线上的感应效应。他们发现感应电压的大小与雷电电流呈线性比例关系，10 kA的回击可以在电线上感应出25~30 kV的电压，如果在电线上方1 m之处架上一条接地线，该感应电压可降低40%。

      近年来，美国也开始把人工引雷用到有关配电系统防雷方面的研究（Barker等，1996；Uman等；1997； Fernandez等，1999）。图7-8是美国Florida大学用于研究配电系统与雷电相互作用的试验设施示意图（Fernandez等，1999）。他们有3条平等埋设成环状的地下配电电缆，2条架空配线，4个沿地下电缆设置的仪器室，一间连在仪器室1的模拟住房。在每一个仪器室都配有变压器。在架空配电线上，他们还安装有各种避雷器。另外在模拟住房上他们还安装了避雷针等。根据不同的试验目的，通过连接可以将这些配电系统进行不同的组合。通过将火箭从不同地点发射，他们可以将闪电引到这些配电系统的不同部位或附近地面。为了测量配电系统各个部位的电压及电流，他们在这些配电系统中安装上很多电压及电流探头。近年来，他们进行了上百次的实验，取得了大量的实验数据和结果 （Uman等，1997；Fernandez，1999）。同时，他们用EMTP（Electromagnetic Transient Program）等模式对这些结果进行了模拟，也得到很多新的认识（Mata等，2000）。因为他们的结果太多也很零碎，这里不作进一步的介绍，有兴趣的读者请参见原文。

把人工引雷用到高压送电线路有关防雷研究的目前只有日本（Nakamura等，1991）。日本研究人员在实验中所用的高电压线路的长度为2 km，电压为275 kV。该线路共有6条电力线及一条架空防雷地线，它们被架设于7座60 m高的铁塔上。这条试验线路位于日本北陆地区，那里常有冬季雷发生。因为日本冬季雷一般中和很多的电荷，它们的破坏力很强。把雷电引到高压送电线路的研究主要是针对这些冬季雷。他们采用高度引雷技术将雷电引到某一线路上或是架空接地线上，从而测量线路各处的电压及电流。他们也进行了大量的实验并取得了很多结果。其中 的一个结果表明：雷击电流的高频分量倾向于通过被击中的铁塔进入地面，而低频分量通过接地线流到其他铁塔处。他们用EMTP也可大致模拟所观测到的结果。

      雷电直接击中接地线时，常会对电线造成损伤，严重时甚至赞成断线，所以在日本开发新型接地线时，一般都要进行耐雷试验。最近在日本开发出一种叫OPGW（Optical Ground Wire）的接地线，这种接地线的中心包有光纤电缆，从而它既可起到防雷的作用，也可作为通信线路。Shimizu等人（1997）在开发OPGW时，利用人工引雷进行了一系列耐雷试验，在这些实验结果的基 础上，他们最终开发出一种耐雷特性很好的OPGW。

      在日本，为了减少由于雷电造成的停电事故，电力系统中采用了大量的氧化锌避雷器。这些避雷器一般带有空气间隙，体积较大，也比较重。现在日本正在开发一种无间隙的氧化锌避雷器。Kobayashi等人（1997）利用人工引雷得到他们所开发的避雷器的能量吸收特性，并证实他们的避雷器虽然体积小但能吸收较大的雷电能量。

另外，Minowa等人（1997）利用声波标定到很多击中送电铁塔、接地线及电力线时的高度人工引雷的通道，通过对这些通道的分析，他们得到高度引雷击中送电线等处时的雷击距离、雷击角度等。因为这两个参数在设计电力线的防雷接地线时很重要，这方面结果的积累定会启发人们设计出更有效的接地线。

人工引雷在军事及航天设施防雷研究方面的应用

当弹药库遭雷击，一旦引起误爆，其结果将是十分惨烈的。另外，现在很多武器装备都带有各种控制电路，一旦受雷电电磁影响被误发，其后果也将不堪设想。同样，用于航天的火箭，若遭雷击被毁，由此带来的经济损失会非常巨大。因此有关军事及航天设施的防雷研究的特别重要。人工引雷为检验并研究改进各种军事设施及装备的耐雷特性提供了一种有效的手段。美国及法国都在这方面进行了一些实验（Fieux等，1978；Richmond，1986；Morris等，1994）。由于这方面的结果公开很不多，我们只能根据仅有的文献作一简单地介绍。

      Morris等人（1994）将雷电引到弹药库上，测出弹药库内部各处之间电压、流过各个部位的电流及内部各种感应电磁场，并测到流过弹药库防雷用的接地线中的电流等。他们的试验结果表明：弹药库金属框架的浪涌阻抗远远小于接地线或其他防雷和导体的浪涌阻抗。因此他们指出弹药库防雷应注重弹药库各处金属之间的良好接触及接地，同时应注意在电源线及信号线入口处采用有效的避雷器。利用实验得到的结果，他们检验并改进了用于计算弹药库遭雷击时其内部各种电压、电流及电磁场模式。他们指出目前用于建立等效回路及计算电磁感应所采用的传递函数技术是可行的。