基地綜合防雷系統(tǒng)研究

陳偉紅

(海軍裝備部，北京 100841)

0 引言

不同的基地都裝備有不同的設(shè)備，如雷達(dá)、天線、射電望遠(yuǎn)鏡、有/無線通訊、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)以及武備等設(shè)備，如圖1所示。但是，雷擊以及雷擊所產(chǎn)生的強(qiáng)電磁脈沖和感應(yīng)過電壓，對(duì)這些設(shè)備都極易造成損害。這就需要建立一套安全可靠的綜合防雷系統(tǒng)，以確保基地內(nèi)的設(shè)備安全可靠工作，為完成作戰(zhàn)任務(wù)提供保障。

1 傳統(tǒng)防雷技術(shù)及產(chǎn)品

國內(nèi)外傳統(tǒng)的防雷技術(shù)及產(chǎn)品主要有:

(1）富蘭克林式避雷針(Lightning Rod）;

(2）由避雷針派生的提前放電式避雷針(ESE）和放射源避雷針;

(3）消散陣系統(tǒng)(DAS）或消雷器(LED）。

避雷針及其派生的提前放電式避雷針和放射源電離或電極蓄能釋放等方式的提前接閃器(ESE），均是通過金屬尖端接閃雷電并以接地體將雷電流泄放至被保護(hù)物體周圍的地網(wǎng)。這種“引雷入地”的方式必須鋪設(shè)復(fù)雜的地網(wǎng)來泄放雷電流。雷電流泄放時(shí)所產(chǎn)生的強(qiáng)電磁脈沖輻射和感應(yīng)過電壓都極易對(duì)電子設(shè)備造成損壞，對(duì)強(qiáng)電設(shè)備和人身安全也容易造成危害。另外，這種“引雷入地”避雷方式很容易產(chǎn)生火花，極易引燃、引爆易燃易爆物品［1-3］。

而通過針管尖端無源產(chǎn)生等離子的消散陣系統(tǒng)(DAS）或消雷器(LED），雖然繞開了“引雷入地”的避雷方式，但其無源產(chǎn)生的等離子濃度和總量不足，保護(hù)范圍小，并且容易受到大氣環(huán)境和地理環(huán)境的影響，往往導(dǎo)致其被雷云電場擊穿而消雷失敗。

由此可見，這些傳統(tǒng)的防雷產(chǎn)品都存在一定的局限性，并不能真正解決當(dāng)前防雷的實(shí)際需求。

圖1 保護(hù)區(qū)域示意圖

2 綜合有源無源等離子防雷系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)防雷機(jī)理

綜合有源無源等離子防雷系統(tǒng)從根本上入手，摒棄“引雷入地”的避雷方式，通過產(chǎn)生1015個(gè)/m3高濃度等離子體(為消雷器的21 萬倍），破壞保護(hù)范圍內(nèi)的雷云先導(dǎo)，完全消除保護(hù)范圍內(nèi)的直擊雷，從而解決了保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)雷電流泄放所產(chǎn)生強(qiáng)電磁脈沖和感應(yīng)過電壓的危害，確保保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)各種設(shè)備在雷雨天氣下正常安全可靠運(yùn)行。綜合有源無源等離子防雷系統(tǒng)一些軍事基地進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用，共防雷近萬次，對(duì)直擊雷(包括滾地雷）防護(hù)的成功率達(dá)到100%(即無直擊雷現(xiàn)象）［4-6］。

圖2 防雷系統(tǒng)對(duì)雷云電場和地面感應(yīng)電場作用機(jī)理示意圖

如圖2所示，及早在雷云電荷尚較分散、雷云電場尚未過激的有利時(shí)機(jī)，向空間較長時(shí)間大體積地發(fā)散有源產(chǎn)生的高濃度(1015/m3）等離子體(為自然尖端或陣列消雷器在雷云電場作用下輝光放電產(chǎn)生等離子體的21 萬倍）。等離子體中的正離子在雷云電場吸引(雷云為負(fù)極性時(shí)）及上升氣流輸送的雙重作用下向上發(fā)散，而負(fù)電荷受地面感應(yīng)的正極性電場的吸引向下發(fā)散，雙向發(fā)散的等離子體對(duì)雷云負(fù)電荷及地面感應(yīng)的正離子進(jìn)行中和、稀釋和均勻化，實(shí)現(xiàn)在保護(hù)范圍內(nèi)不會(huì)形成雷擊。

2.2 系統(tǒng)防雷過程

如圖3所示，當(dāng)雷云距被保護(hù)目標(biāo)約5 km(此時(shí)電場感應(yīng)比較弱）時(shí)，雷電預(yù)警器探測雷云電場強(qiáng)度達(dá)到預(yù)警限值，控制器啟動(dòng)有源等離子發(fā)生器，經(jīng)針管向空間發(fā)散高濃度(1015個(gè)/m3）等離子體;發(fā)散的等離子體沿雷云電場(向上）與地面感應(yīng)電場(向下）兩個(gè)方向飄移，即:(a）等離子體中的正電荷受雷云底部負(fù)極性電場吸引及上升氣流的推動(dòng)，向雷云底部漂移擴(kuò)散;(b）等離子體中的負(fù)電荷受地面雷云感應(yīng)的正極性電場吸引而向地面漂移擴(kuò)散;通過同時(shí)中和雷云負(fù)電荷(下行先導(dǎo)）和地面感應(yīng)正電荷(上行先導(dǎo)），起到削弱和均勻電場作用，使雷云電場不會(huì)激化而逐漸飄移出被保護(hù)范圍以外。

圖3 系統(tǒng)防雷過程示意圖

3 綜合防雷系統(tǒng)組成

3.1 系統(tǒng)組成框圖

圖4 綜合防雷系統(tǒng)框圖

3.1.1 雷電預(yù)警器

雷電預(yù)警器為電場強(qiáng)度感應(yīng)式，具有結(jié)構(gòu)簡單、精度高、可靠性高、經(jīng)濟(jì)實(shí)用等優(yōu)點(diǎn)，可在0～20 km 范圍內(nèi)探測雷云電場強(qiáng)度，按照整定的雷云電場強(qiáng)危險(xiǎn)限值自動(dòng)啟/停等離子發(fā)生器。雷電預(yù)警器安裝在保護(hù)范圍內(nèi)開闊的房頂或地面。

3.1.2 等離子發(fā)生器

通過高頻高壓的方式電離空氣產(chǎn)生高濃度的等離子體，并通過風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的強(qiáng)氣流將高濃度的等離子體向大氣中散發(fā)。等離子發(fā)生器須安裝在保護(hù)范圍內(nèi)的塔架上。

3.1.3 控制器

控制器是防雷系統(tǒng)的伺服控制，將完成所有的數(shù)據(jù)處理和相關(guān)的控制，顯示雷電預(yù)警限值、雷電場強(qiáng)檢測值以及累計(jì)防雷次數(shù)，具有旋光雷電報(bào)警、聲光故障報(bào)警等功能。它可安裝在保護(hù)范圍內(nèi)配電房或值班室等方便觀察和操作的位置。

3.1.4 后備電源

為保證在雷電活動(dòng)期間市電電源停電時(shí)保持系統(tǒng)的正常供電，方案中配備了UPS 電源和發(fā)電機(jī)組作為備用電源。

3.1.5 浪涌保護(hù)器SPD

除了直擊雷危害外，還有遠(yuǎn)方的感應(yīng)雷沿配電線路、通訊和信號(hào)線路侵入的雷電沖擊波(浪涌）對(duì)設(shè)備的危害，因此須在電力線路、通訊和信號(hào)線路中安裝SPD。

3.2 綜合有源無源等離子防雷系統(tǒng)配置表

表1 綜合有源無源等離子防雷系統(tǒng)配置表

3.3 感應(yīng)雷防護(hù)系統(tǒng)配置表

表2 感應(yīng)雷防護(hù)系統(tǒng)配置表

4 關(guān)鍵技術(shù)

4.1 高濃度等離子發(fā)生器

采用介質(zhì)阻擋放電(DBD）技術(shù)，放電器在大氣壓下電離空氣，以高頻高壓方式產(chǎn)生高濃度等離子體進(jìn)行拒雷，尚屬國際前沿技術(shù)，也是本系統(tǒng)研制的關(guān)鍵技術(shù)。據(jù)我國氣體電子學(xué)和靜電學(xué)著名專家丘軍林、白希堯等測試，DBD方式可產(chǎn)生濃度為1014～1016/m3的等離子體。項(xiàng)目研制單位目前根據(jù)已經(jīng)掌握的實(shí)用技術(shù)制造的產(chǎn)品，經(jīng)中科院電工所專用儀器測量，在大氣常壓(0.1 MPa）下距等離子體發(fā)生器出口100 mm處測量，吹出發(fā)生器的等離子體濃度達(dá)到1015/m3。該關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)被突破，可以進(jìn)入實(shí)用階段。

4.2 雷電預(yù)警器

作為探測雷電場強(qiáng)度的關(guān)鍵部件，雷電預(yù)警器采用場磨式大氣電場感應(yīng)技術(shù)及無刷微電機(jī)相關(guān)技術(shù)，保證預(yù)警器的準(zhǔn)確性、可靠性。常年運(yùn)行的微電機(jī)，采用我國自主研發(fā)的無刷微電機(jī)產(chǎn)品，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定、準(zhǔn)確，經(jīng)多年運(yùn)行統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，可滿足系統(tǒng)可靠性要求。

5 結(jié)束語

本文論述的綜合有源無源等離子防雷系統(tǒng)，技術(shù)先進(jìn)、安全可靠，具有傳統(tǒng)避雷產(chǎn)品無法比擬的優(yōu)勢:

(1）保護(hù)范圍內(nèi)無直擊雷;

(2）保護(hù)范圍大，是傳統(tǒng)避雷針產(chǎn)品保護(hù)范圍的64 倍;

(3）不需鋪設(shè)地網(wǎng)，施工簡單，性價(jià)比高;

(4）陣列針管經(jīng)限壓放電間隙與接地體相連，形成后備的無源避雷方式，進(jìn)行多重防護(hù);

(5）非“引雷入地”的避雷方式徹底解決雷電流泄放時(shí)產(chǎn)生的強(qiáng)電磁脈沖和感應(yīng)過電壓對(duì)電子設(shè)備的損壞;

(6）在保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)為人員和其他設(shè)備在雷暴天氣下正常生活和運(yùn)行提供條件。

［1］GB50057-2010.建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范.

［2］GB50343-2004.建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范.

［3］馬宏達(dá).避雷針保護(hù)范圍的理論與實(shí)驗(yàn)［J］.防雷世界，2004(4）:51-56.

［4］莊洪春，等.等離子體避雷球技術(shù)［J］.雷電防護(hù)與標(biāo)準(zhǔn)化，2004(3）:22-27.

［5］虞昊.21 世紀(jì)防雷事業(yè)的曙光［J］.等離子智能避雷技術(shù)，2003(12）:127-135.

［6］菅井秀郎.等離子體電子工程學(xué)［M］.張海波，張丹譯.北京:科學(xué)出版社，2002.