欢迎光临华云防雷科技        咨询电话0351—4648999
华云防雷科技(山西)有限公司
联系我们
新闻动态
关于雷电灾害防御人工干预技术的探讨
来源: | 作者:山西防雷检测 | 发布时间: 800天前 | 2367 次浏览 | 分享到:

摘要

       分析建筑物接闪落雷相关问题,讨论涉及关键的、重要的、危险的、核心设备的建筑及区域减少接闪落雷破坏的必要性,提出人工干预接闪落雷技术的初步解决方案。

       2016 年 11 月 7 日,国务院颁布了 《中华人民共和国气象法》(第三次修正版),随着雷电灾害防御的管理体制、机制更加完备,相关产品制造、工程设计和施工标准日趋完善,部分通用防雷行业标准与世界接轨,人民防雷减灾意识明显提高,防雷行业及相关领域稳步发展、创新增效。在建筑雷电防护工作中,减少接闪落雷引起的雷电电磁脉冲对周边微电子设备的影响是重要的研究课题,尤其是涉及关键的、重要的、危险的、核心设备的建筑及区域,此研究更为重要,本文对雷电灾害防御人工干预技术进行探讨。

1 问题的提出

1.1 现实与现状

       在接触和探访的雷击事故及部分行业统计工作中,雷击事故区域常伴随着接闪落雷现象。众所周知,接闪落雷点 ≤ 83 m 半径区域,几乎所有电子、微电子设备及通信设备都基本无法回避接闪后引起的LEMP 雷电电磁脉冲过电压引起的永久性损坏这个基本现实。在接闪落雷点 ≤ 2000 m 半径区域,部分电子、微电子及通信设备不同程度地遭受部分可修复性损坏。雷电落雷时引起的破坏通常包括:电场能、磁场能及电磁混合能。依据现在执行的各类电涌保护器标准及建筑物防雷设计的相关规范,对接闪落雷的磁场能引起的电涌有明显的抵御功能和防护效果。但对于电场能侵袭时,抵御效果十分有限。

      通信行业(某机构)建筑物接闪杆接闪落雷引起的事故统计 :

     a) 故障区域 :输电线路故障占比70 %;地电位高压反击故障占比 20 %;信号传输线路故障占比 5 %;天馈线故障占比 5 %。

     b) 故障设备:电源设备占比 60 %;传输设备占比 25 %;移动设备占比 10 %;其它设备占比 5 %。

      由此可见,接闪落雷引起的设备故障与损坏是个较严重的问题。要真正减少雷电破坏,首先须设法在关键场所及核心部位减少接闪落雷现象。


1.3 问题的思考与提出

      雷电首先是具备了高能量电能电场,雷电现象的关键是雷云与大地完成电场能量传递与交换行为过程。电场能量传递与交换行为过程,通常是以变化电流形式呈现,变化电流引起周边特定区域产生变化磁场,变化磁场在特定区域 (电子设备) 内相对切割磁力线产生感应高压,入侵特定区域 (电子设备) 造成各种破坏现象,破坏形式通常为电流电涌。既然以接闪落雷为破坏源,那么建筑物接闪落雷基本条件是什么?建筑物能否通过人工干预的方法减少局部的接闪落雷?弹药库、火药库、油品库、化工厂、天然气场站、主要电子微电子场站等与国民经济有重大意义和影响的重要场所,如能减少局部的接闪落雷现象,则可以大大减少电子、微电子设备的损坏,同时降低雷电灾害对人身安全的威胁。

2 人工干预接闪落雷技术的整体解决方案

2.2.1 核心突破口

     上行先导和下行先导决定落雷接闪端点,上、下先导具备变极性电荷库仑量,如何消除上行先导电场电荷,如何消耗下行先导电荷,是接闪落雷干预工作的核心突破口。

2.2.2 关键技术

      在人工干预装置顶部,实现弧曲线端点 / 端面,提高电场均匀性。人工干预装置处建立人工半导体物理电场,其电场方向与雷云电场同极性,目的是消除(异极性) 上行先导的存在。在建筑物所在地面,铺设电荷补充库池,即:体电容接地网与干预装置底部连接,不断地提供人工半导体物理电场所需要的电荷。

      人工干预装置安装在建筑物顶部,作为均匀同极性电荷的反向储能发射装置,向雷云层补充与雷云同极性电荷,消耗雷云下行先导电荷。人工干预装置处建立人工半导体物理电场的核心是电场能量,在雷云选择落雷时向雷云层补充同极性电荷消耗下行先导电荷需要具备一定的库仑量运动电荷。人工干预装置应该具备的等离子体工作时的核心参数与测试方法符合现有技术及仿真。

       关键技术包括:功率变极电场储能装置;雷云补偿漏电流发射器 ;(法拉级) 电荷补充库池(CN111355043A)。

2.3 人工干预接闪落雷技术核心关键点

      a. 建筑物顶部发射器电场极性与雷云相同,实现物理均匀性,发射器系统确认方式离子浓度法测试人工干预装置顶部电场变化下相关离子浓度的变化率。

      b. 建立人工半导体电场,实现发射器同极性电荷每秒库仑基本的补充与消耗,造成雷云电容成为具备大量漏电流的坏电容。

      c. 建筑物地面铺设体电容接地网(即:电荷补充库池),不断地提供同极性电荷,消耗下行先导电荷。

      d. 人工干预装置中,人工半导体物理电场材料和配方也是核心技术之一。

2.4 人工干预接闪落雷技术的集合性目标

      a. 同极性人工半导体电场的建立,消除上行先导电荷。使得下行先导在干预装置上部没有异性电场(只有同极性电场),下行先导只能寻找 (下一个) 具备 (异极性电场的) 上行先导的导体。

      b. 同极性人工电场发射同极性电荷消耗下行先导电荷 (同性相斥)。

      c. 同极性电荷发射库伦量要远大于下行先导库仑量。

      d. 地面建立体电容接地网与干预装置连接,干预装置不断地提供同极电荷向其顶端局部雷云发散,消耗因 (装置与局部雷云之间的) 电位差引起的电位电荷,从而使局部雷云与装置之间形成的局部电容变成漏电流较大的局部电容,即增加局部雷云 (与装置之间)电容的漏电流,造成(雷云与装置之间的)因漏电流增大而无法放电。

2.5 人工干预接闪落雷技术核心技术指标

   a. 建立同极性人工电场直接影响、改变、消除先导电荷的路径与方向。上行先导与下行先导在导通的瞬间。IEC 标准先导短路电流 200 kA,时间1 μs,则电荷量为 0.2 C,即重要(危化场所及军事设施)区域需干预装置发射电荷电量> 0.2 C/s (即:发射电流 > 0.2 A)。

     b. 人工干预装置离子浓度变化率:利用人工仿真技术建立等级直流电场,(例如) 在不同的直流电场下(≤ 34 kV/m) 人工干预装置顶部呈现离子浓度的(工作与非工作)变化比率 ≥ 1000 倍。

2. 6 人工干预接闪落雷技术的系统组成

2. 6. 1 雷云补偿漏电流发射器装置

      在较短的时间内完成向雷云补充 25C 电荷电量,则必须具备优秀的发射装置,在每秒下完成至少 0.2 C电荷的离子发射装工作。特殊弧端扇形发射器实现多点弧面均匀电场体,持续向雷云提供同极电荷,即:非接触离子运动电荷流。

2. 6. 2 功率变极电场储能装置

       功率变极电场储能装置需要合成足够的同极性电荷,其中包括电荷采集及同极电荷放大功能及场能,源源不断地输送到电场发射装置,构成一个雷云坏电容的基本条件,关键问题是实现稳定的储放功能电路及实现协调同极源功能电路,另外电荷补充库池也需要提供足够的电荷。电场控制主要功能是自变条件下的适应及功能随下行先导电荷变化而变化。

      c. 电荷补充库池核心技术:体电容接地系统,人工添加介电常数,实施电荷常态储藏,便于后期提供系统电荷电量。

      d. 系统数据与监管核心技术:雷云电场与雷云电荷变化的实时监控;雷电预警及落雷电荷的实时监控;电容补充库池 (体电容接地网) 的工作状态与运行效果的实时监控;PC 端管理。

      e. 人工电场发射装置:发射装置的电场均匀性,如配合一定的补偿与补充电荷量,则决定了保护角度的大小。

      f. 人工电场合成装置创新点:装置在多少时间内补偿与补充同极性电荷的库仑量,如果按照 25 C设计,1s 补偿 0.2 C,则 125 s 内能否补充完成,补充的电荷越多则越安全。

       g. 电荷补充库池创新点:体电容接地系统,核心在于接地网的结构电容,人工添加材料学的介电常数,以加大容量同时在无雷击状态下的电荷聚合为出发点,实施电荷常态储存,便于后期提供干预装置电荷电量。

3.2 核心技术承载的人工干预接闪落雷技术成败要素

      a. 极性问题:人工实施有条件的同极性处理及电场均匀性,是关键问题,补充与补偿电荷是在同极性的基础上,电位差式补充电荷的活动,目的就是破坏雷云电容。

     b. 电荷电量问题:补充与补偿的电荷量是人工设计的。例如:假设 ≥ 25 C 的雷电,需要这个系统依据开尔文计算,则系统补偿电荷量:> 0.2 C / s。易燃易爆场所干预 1~300 C 以上的雷电,则系统补偿电量:>1~1.5 C / s。

      c. 补充库池问题:补偿与补充电荷需要一个体电容接地系统,如果简单地理解为普通的体电阻接地网,则效率较低,在监管系统中是可以读取的。同时直接影响整个系统的构建与效果。

       补偿电荷:I = U×C0 /ρ> 0.2 C。

      d. 监管与修补问题:实时监控是为了修复与修补,尽早适用。地质地况、气候条件等诸多因素,都必须做到因地制宜。实现向雷云补偿、补充电荷的库仑量的实时监控;实现雷云电场及电场电荷变化的实时监控;实现雷电预警及落雷电荷的实时监控;实现电容补充库池的工作状态与运行效果的实时监控;监控数据上传 PC 端。

      e. 减少接闪与落雷同时还需执行相关防雷标准:GB 50057 《建筑物防雷设计规范》;GB 50343《建筑物电子信息系统防雷技术规范》;GB 21431《建筑物防雷装置检测技术规范》;GB 18802.1 《低压配电系统的电涌保护器 (SPD) 第 1 部分:性能要求和试验方法》;GB 18802. 21 《低压电涌保护器第 21 部分:电信和信号网络的电涌保护器 (SPD)性能要求和试验方法》 等相关防雷标准。

4 结语

      人工干预接闪落雷技术可应用在避雷塔、通信局站、加油站、加气站、天然气加压站等易燃易爆等对电子设备有特殊要求的场所。

      人工干预接闪落雷技术目的明确:利用人工干预接闪落雷技术,减少被保护区域接闪落雷现象,减少接闪落雷引起的 LEMP 雷电电磁脉冲感应高电压破坏电子、微电子设备的电源系统和通信信号系统,最大限度地保护人身安全和设备安全。人工干预接闪落雷技术遵循因地制宜的应用原则:人工干预接闪落雷技术应用需要考虑外部地况环境,包括山区、浅山区、戈壁、草原、海岛、草原、季风、海拔、土壤电阻率等诸多因素。

      人工干预接闪落雷技术还需要确定被保护负载:结合气态、固态、液态及易发生等离子状态的易燃易爆场所,电子设备,通信设备,车载设备自身的特点特性,因地制宜地设计保护方案,在运行中不断修正、补偿监督系统是后续工作的良好延续前提。



办公电话:0351—4648999


24小时热线:13100006890


网址:http://www.8cma.com


地址:太原市迎泽区庙前街庙前小区32幢2-14