解密“雷碼” 步步防雷——記清華大學電機工程與應用電子技術系教授陳水明

本刊記者 王 輝

解密“雷碼” 步步防雷
——記清華大學電機工程與應用電子技術系教授陳水明

本刊記者 王 輝

專家檔案：

陳水明，博士，教授，博導，1968年3月生，分別于1990年7月、1993年3月在浙江大學電機工程學系獲工學士和工學碩士學位，1997年2月在清華大學電機工程與應用電子技術系獲工學博士學位。曾參加國家自然科學基金、電力部八五重點科技攻關、北京市自然科學基金和高等學校博士學科點專項科研基金等數個縱向項目的研究工作。另外還主持或參加了數十項橫向課題的研究工作。已獲得電力部科技進步三等獎1項、山東省科技進步三等獎2項、四川省科技進步三等獎1項、西北電網科技進步特等獎1項、華東電網科技進步一等獎一項。近年來，已在國內外學術期刊及國際會議上共發表論文200余篇。

20世紀90年代后期，我國電子技術的發展日新月異，不斷涌出了許多新型電子產品，為人們的社會生產生活帶來了翻天覆地的變化。但隨著電子產品的普及，一個令人們意想不到的問題也出現了。

“許多電子產品都特別怕電磁干擾，雷電就是一個很重要的電磁干擾源。”清華大學電機工程與應用電子技術系陳水明教授說道。那么，雷電對于社會生產生活的干擾究竟有多大呢？陳水明教授為我們做了進一步的解釋。

雷電的威脅性

在清華大學電機工程與應用電子技術系攻讀博士學位時，陳水明就開始涉獵電磁環境的相關研究。“電磁環境”與“雷電”，看似不相干，其實有著千絲萬縷的聯系。當今社會，科學技術越來越先進，各種設備的功能性也越來越強，這不僅造成了人們對于這些設備的依賴性，也使得設備本身越來越脆弱，對電磁干擾非常敏感。

“電磁環境，換言之，就是電磁場現象，是環境中普遍存在的電磁感應和干擾現象。”陳水明介紹說，雷電的直擊，可能會造成火災和人員傷亡，這且不論，由于電磁環境的作用，這種影響還會擴散到周圍的環境中，干擾到其中的電子系統或建筑物。如果在空間的傳輸中，感應到很高的電壓，這個電壓再傳導出去就會將東西擊壞，而對計算機、電話機這些弱電設備來說，電壓一旦超過5伏，就會對其造成破壞。“而打雷，就是電的平衡過程。水生成水蒸氣，并慢慢升騰，其溫度隨著高度的升高而降低，到一定的高度就會形成冰晶，這些冰晶則因某些因素帶上了電。如果不打雷，這些云中的電量就不能回到地球上來。換一句話說，整個打雷的過程，實際上就是一個無限循環的電平衡系統。我們沒有辦法消除雷電，只能想方設法在雷電到達地面之前進行防護。”

讓防雷意識深入人心

1997年～2006年，陳水明曾用十年的時間進行過一項調查，發現我國每年因為雷擊死亡的人數在400～500人之間，其中絕大部分發生在農村。

“這不僅是因為農村的公共基礎設施不完備，還因為人們的防雷意識欠缺。”他認為，如今，雷電的工程防護技術已經基本成熟，國際上已發布了相關防護標準，而國內也開始逐漸將其轉化為適合國情和行業特色的標準，并決定在未來的工作中將此作為重點來貫徹執行。“防雷”，已經成為他生活中一個重要的關鍵詞。他曾在國內開發出具有自主知識產權的野外雷電流波形實時測量系統；他提出了從雷電定位系統的海量數據提取雷電特征參數的方法；他還與施耐德電氣開展了為期5年的國際合作，深入開展高層建筑的雷電防護基礎研究，并建立起我國雷電防護基礎數據，提出了建筑物內不同場所和不同系統的雷電流的大小、波形等。他的數據被稱贊是“為國家標準的建立提供了一個佐證”。現在，該成果已應用于負責編寫的國家標準GB/Z 21713-2008《低壓交流電源（不高于1000V）中的浪涌特性》中，對國家標準的建立和完善起到了促進作用。

為了更好地揭示雷電放電的物理過程，從2008年起，陳水明就一直設法收集我國的雷電流數據，研制出多通道雷電流測量裝置，對自然界的雷電流進行測量，現已在全國各地安裝了近十套裝置，正對位于我國境內不同區域的雷電流進行實測，以期通過十多年的努力，收集到100個以上的實際數據，統計出我國雷電流的分布規律。陳水明表示，將抓住一切機會，通過學會、媒體等途徑加強防雷科普化宣傳，使防雷知識深入廣大普通民眾。

面向工程，面向需求

從一篇題為《雷擊建筑物時室內電子系統過電壓防護研究》的博士論文開始，陳水明對弱電設備的雷電防護開展了一系列頗具創建的工作。他既是國內第一個將避雷器應用于輸電線路防雷的研究者，也是國內第一個進行雷電防護基礎數據計算的研究者，其研究的核心原則就是——面向社會需求，解決工程問題。

針對1000kV特高壓交流和±800kV、±1000kV特高壓直流輸變電工程的防雷問題，他在國內最早提出了特高壓直流換流站采用避雷線防護直擊雷的布置方案，并于1998年在廣東省肇慶市的110kV朱西線上大膽啟用避雷器防雷。經過當年的實踐對比，類似線路那年跳閘6次，但改造后的朱西線一次也沒有跳過閘，反響良好。目前，南方電網已經將這種方法進行了推廣應用。

2006年11月，陳水明所在的清華大學電機工程與應用電子技術系與山東電力泰安供電公司聯手開展“輸電線路雷擊定位及雷電特征參數監測系統”研究。2007年，該系統在泰安供電公司開始試運行，證實其性能指標均達到設計要求，且系統運行穩定可靠。實踐證明，該系統能及時監測輸電線路雷擊定位及雷電特征參數，為電力系統的防雷積累雷電原始數據創造了條件，先后榮獲2009年度山東電力科學技術二等獎、泰安市科學技術二等獎，2010年獲山東省科技進步獎。

在舉世矚目的青藏鐵路工程中，陳水明也投身其間，負責起其中一個子課題——“唐古拉山-拉薩”段輸電線路防雷接地研究。

“這段輸電線路是直接為青藏鐵路沿線供電的，電壓等級不高，只有110kV。這個等級并不存在什么設計問題。但該線路全程的3/4都處于青藏高原的多年凍土地帶，一個合格桿塔的接地裝置就非常重要，否則將影響鐵路運行。”經過調查總結，陳水明發現：青藏鐵路沿線的雷電活動主要集中在5～9月份，此時的雷電活動占全年的95%以上；冰凍季節一般從11月開始，到次年2月份結束。3月開始出現融凍層，4～10月則一直維持表層土壤的融凍。根據這一氣候特征，他確定了青藏鐵路沿線地區線路防雷設計的基本原理，“我們必須充分利用季節融凍層的低電阻率特性，改善接地裝置的沖擊特性，以確保輸電線路的防雷可靠性。”繼而，他和課題組又提出了許多可行性建議，如：基于高原地區雷電活動較為頻繁的特點，對110kV以上線路全程架設避雷線；采用水平放射型接地裝置，以充分利用地表低電阻率的融凍層……

面對雷電帶來的憂患意識，陳水明研究防雷、宣傳防雷，他認為這是一個科研工作者應盡的責任。所以，他忙碌著，也快樂。