新一代无源等离子防雷技术的研究与应用

一、研究背景

雷电起因一般被认为是云层内各种微粒因为碰撞摩擦而积累电荷，当电荷的量达到一定的水平，等效于云层间或云层与大地之间的电压达到或超过某个特定的值时，会因为局部电场强度达到或超过当时条件下空气的电击穿强度从而引起放电，局部放电引起连锁放电，最终形成雷击。雷击引发灾难的根本原因就在于云层与大地之间瞬间放电过程中产生并释放巨大能量，对周边物体带来的直接或间接破坏。

通过对雷击放电过程的研究发现，雷电的形成过程包括：云层电荷聚集、大地感应电荷、雷电先导寻找电势陷阱、雷电先导击穿局部空气以及连锁放电形成雷击五个步骤。每次雷击放电都有先导放电和主放电两个阶段。当先导发展到达地面或其他物体形成先导放电，如输电线、杆塔等时，然后沿先导放电的发展路径就开始了主放电阶段，这就是通常看见的耀眼的闪电。在整个雷电形成过程中，“云层电荷聚集、大地感应电荷、雷电先导击穿局部空气以及连锁放电形成雷击”的过程是无法进行人为干预的，只有“雷电先导寻找电势陷阱”过程可能进行人工干预。因此，防止雷击灾害的关键就在于如何捕获并消除雷电先导，避免云层与大地之间的连锁放电。

按照这个基本原理，大量科学工作者历经200多年的科学研究，先后发明了多种防雷、避雷设备，包括避雷针/带、消雷器、消散阵列、激光引雷设备、火箭引雷设备等离子斥雷球等。所有这些防雷、避雷设备其技术原理上大致分为两种，即接闪式设备防雷技术和非接闪式防雷技术。

1.接闪式防雷技术

接闪式防雷技术本质上是对云层与大地之间放电的一种疏导手段。接闪式防雷技术的典型代表产品就是避雷针/带。接闪式防雷技术的原理是基于电场尖端效应增大接闪式防雷设备尖端的电场强度，在防雷设备周围制造比周边物体更高的电场强度形成电势陷阱，相比周边物体更容易捕获雷电先导，形成云层与避雷设备尖端之间空气的提前击穿放电，实现云层电荷的提前、定向释放，最终达到对避雷设备周边物体的防雷击目的。

通常情况下，接闪式防雷设备确实具有良好的防雷效果。但是，接闪式防雷本质上是一种“引雷”模式，通过避雷针等设备吸引雷云电场，并通过良好接地在瞬间释放巨大能量，从而避免雷击点落在保护对象上。这种能量的瞬间释放会在接闪器和引下线及接地装置上产生瞬间的巨大电流，期间伴随巨大热能的释放，以至于经常会出现避雷针被熔断的情况。在极端情况下，还会产生火星四溅的现象。对于高易燃易爆的特殊防火环境，这种现象本身就是防火防爆的一个巨大隐患，尤其是在“干雷暴”情况下，火星飞溅更容易引燃地面可燃物，形成“天雷勾地火”。此外，瞬间的能量释放还伴随着剧烈的电磁场变化，对周边的敏感电子元器件破坏性极大，尤其是随着科技的高速发展，电子化程度极高，各个器件越来越灵敏，但是对干扰越来越敏感，抗干扰能力越来越脆弱，雷击形成的剧烈的电磁场变化，会对这些元器件造成极大的破坏。

其次，接闪式防雷设备的防雷保护范围一般比较小，其防护角大约为45度，防护半径一般不超过其高度的4倍，安装高度40米计算，一个接闪式防雷设备的保护范围约为0.08平方公里，扣除必要的隔离带，实际有效保护面积不足0.07平方公里。

此外，为了保证在接闪过程中对云层电荷的快速释放，接闪式防雷设备对接地电阻要求极高，一般要求接地电阻不大于4欧姆。为了达到接地电阻要求，往往需要铺设较为庞大的接地网，尤其在山地地区，地下岩层以各种黑云母花岗岩与白云母花岗岩居多，辅以浸入岩、玄武岩和火山岩等，其电阻率很高，地网的铺设条件更为苛刻，导致接闪式防雷技术非常不便于在这些场景下应用，一是费用高，二是施工工程量较大，三是造成植被破坏，四是需要定期检测，维护成本高。

除此之外，随着应用场景越来越复杂，接闪式防雷技术在复杂环境下的失效问题越来越突出。随着科技的不断发展，防雷应用场景结构变得越来越复杂，各种电子设备高度密集，金属结构叠加交错，这种情况极易导致设备周边电场畸变，导致避雷针等设备无法制造可靠的电势陷阱，无法捕获雷电先导，最终导致防雷设备失效。

基于以上分析，接闪式防雷技术在很多的场景不能满足防雷需求，不适合在相关区域中进行防雷应用中推广。

2.非接闪式防雷技术

非接闪式防雷技术主要是通过消散雷电先导，在雷击形成之前“掐断”雷击形成过程，从而达到防雷目的。目前非接闪式防雷设备有多种形式，例如消雷器、消雷阵列、半导体消雷器等，它们都是利用金属针状电极的尖端放电原理设计而成的。在雷云电场作用下，当设备尖端电场强度达到一定程度时，使大地的电荷在雷云电场作用下，由针状电极发射出去，向雷云方向运动，在雷电先导下探过程中，中和雷电先导电荷，破坏雷电先导，从而防止了被保护物遭受雷击。

非接闪式防雷设备一般有三个工作状态，分别是消散状态、接闪状态和击穿状态。在雷电形成的过程中，设备首先工作在消散状态，由设备尖端形成微弱的消散电流（尖端放电电流），一般仅在微安级别（10～500微安），对雷电先导形成一定程度消散，但是消散速度远低于电荷积累速度。随着雷电先导的电荷的积累，雷电先导与非接闪式消雷设备尖端在限流电阻的作用下形成大电流（几十安培）放电，进入到接闪状态下释放雷云电荷。如果雷云电荷在接闪状态下不能被及时释放，设备限流电阻被击穿，设备进入击穿状态，形成落雷。

目前的非接闪式防雷设备普遍存在以下几个问题：

（1）受自屏蔽作用，设备在消散模式下产生的消散电流（尖端放电电流）非常微弱，一般仅在微安级别（10～500微安），在雷电产生时一般都不能够及时对雷电先导进行消散（一般为9库仑左右，即9C），因此不可能从根本上杜绝落雷，强雷发生时，依然会产生落雷现象，并形成接闪式放电。

（2）设备的通流量不足，由于限流电阻的作用，更容易在强雷作用下产生高温熔烧的情况。

（3）在接闪状态下其工作电流能够达到几十到上百安培，在这种情况下，依然会产生并释放非常大的热量，是易燃易爆环境下巨大的安全隐患。

（4）当进入击穿状态后，等效于接闪式防雷设备。

（5）绝大多数非接闪式防雷设备的防雷保护范围一般比较小，虽然其防护角能达到大约为80度，但是防护半径一般不超过其高度的5倍，以安装高度40米计算，一个非接闪式防雷设备的保护范围约为0.125平方公里。

3.其他防雷技术

目前，还有一些在特殊场合下使用的防雷设备和防雷技术，例如激光引雷技术、火箭引雷技术、斥雷球技术等。向雷云发射高能激光束（脉冲功率10亿瓦）或火箭弹，在雷云与地面的空气中形成高温等离子，为形成放电通道，将云层电荷释放到安全地带。斥雷球是利用同性电荷相斥的原理在斥雷球上形成与雷云同极性电荷，在斥雷球周边形成同性电场环境，从而达到防雷击的目的。

通过以上对传统防雷技术原理以及应用的分析，不难看出，传统防雷技术存在以下几个问题：一是都会形成落雷，无法从根本上杜绝雷击的发生；二是设备成本高昂，施工难度较大；三是保护范围都比较小，无法应对大面积连续区域的防雷需求；四是在工作过程中会产生高温，形成潜在安全隐患。

二、新一代无源等离子防雷技术研究

新一代无源等离子防雷技术是一种创新性的防雷技术，是目前国际上最先进的非接闪式防雷技术。该技术可以在无源工况下发散10～30毫安的电离电流，中和雷云电荷及其在地面的感应电荷，使雷云与地面间成为漏电的坏电容器而不能被充满电压，使其不能达到雷电击穿地面目标的水平，实现在单体雷暴下的宽范围保护。

新一代无源等离子防雷技术在对直击雷的防护过程中不需经小电阻接地就能防雷，正常条件下等离子拒雷设备接地电阻不大于2000欧姆即可。突破了自美国科学家富兰克林发明避雷针260多年来以避雷针“引雷入地”的防雷机理。

1.拒雷原理

利用高于被保护目标的阵列拒雷针的“似尖端效应”，使其自身在雷云电场感应下的电场强度高于被保护目标2个数量级而引聚雷云电场、电荷，使被保护目标处于相对较低电场的安全地位，并采用感应阵列拒雷针及介质阻挡强电离复合放电器，利用雷云电场实现无源强电离，由强电离放电器产生和向云-地发散高浓度等离子体，对拒雷针引聚的雷云电荷进行高效中和，解决了传统消雷器阵列针电场自屏蔽效应抑制发散电流增大而易被雷电击穿的致命问题。在雷云电场及其感应的地面反极性电场的吸引下，等离子体中的正（负）离子向上飘移中和针端上方的雷云负（正）离子，等离子中的负（正）离子下飘移中和针端下方的雷云感生正（负）离子，持续引聚和双向中和放电器本体及周边的雷云负（正）离子及其感生的正（负）离子，使雷云与地面等效的电容器高效漏电成为“坏电容器”而不能被充电至形成先导并击穿放电的电压水平，此状态保持直至雷云飘远，实现在无源等离子拒雷系统针端高度H的10～14倍以上的保护半径，以及84～86度保护角的范围内不会形成雷击。

雷云在地面的感应电场图

此状态保持直至雷云与上层雷云见形成云间闪或者飘远，实现PLR系统针端高度H的10～14倍以上的保护半径以及84～86度的保护角的范围内不会形成雷击。

新一代无源等离子防雷技术保护范围和无源等离子拒雷设备安装高度H与保护半径R、保护角θ关系图参见图。

新一代无源等离子防雷技术保护范围示意图

系列试验和运行现场实测表明，通过新一代无源等离子防雷技术在雷云电场感应下产生的电离消散电流在最难电离的海平面低海拔高程时为15毫安，保护角度大于84度（保护半径为10H）；在易电离的2000～5000米高海拔高程时，保护角度大于86度（保护半径为14H），消散电流为30～60毫安，比国内外消雷器技术100微安级的消散电流高2个数量级。一般避雷针接地电阻要求不大于4欧姆，无源等离子拒雷设备的接地要求是电阻不大于2000欧姆即可，这样有利于现场施工。

2.防雷特点

新一代无源等离子防雷技术不同于传统避雷针等接闪器防雷设备的引雷式防雷技术，更不同于传统的非接闪式防雷设备，其主要优势表现在几个方面。

一是消除雷暴成因。新一代无源等离子防雷技术采用的是非接闪模式的防雷技术，无需外部电源，通过特有技术实现无源强电离，产生高浓度等离子体，形成10～30毫安的消散电流，快速消散云层中的雷电先导，消除雷暴成因，在其保护范围内杜绝雷暴的形成，实现雷火不下地（不落雷）的技术突破。此外，在整个消散过程中不会发生瞬间释放巨大能量的情况，非常适合于易燃、弱电、高灵敏等场景；

二是保护范围大。新一代无源等离子防雷技术的单体设备保护范围远大于传统避雷设备，保护角达到86度，单体保护半径为安装高度10倍，避雷针保护角度为45度，单体保护半径为安装高度的1.5倍；消雷器一般的保护角为70～75度，保护半径为安装高度的5倍；

三是支持组网防雷。新一代无源等离子防雷技术支持“矩阵组网”式防雷，按照地形进行矩阵组网，能够形成更大保护面积和更有效的保护效果。通过矩阵组网，每个单体设备可达到4km直径的保护范围，实现连续大面的保护范围，同时将雷电转化成云层闪电，在不破坏自然环境的情况下，达到最佳防雷效果；

四是技术国际领先。新一代无源等离子防雷技术解决了传统消雷器阵列针电场自屏蔽效应抑制发散电流增大的问题，其消散电流发生稳定，能够达到10～30毫安的消散电流，是普通消雷器的数百倍，能够快速消散雷电先导；

五是接地装置简单，降低施工难度。新一代无源等离子防雷技术的消散电流为毫安级，相对于接闪式的防雷设备的雷击电流相比微乎其微，因此新一代无源等离子防雷技术消散电流无需小电阻接地，在千欧姆级接地电阻环境均可稳定工作，同时，毫安级别的消散电流其对邻近或共地的电磁信息系统无有效电磁干扰，对精密电子环境具有兼容性；

六是新一代无源等离子防雷技术机理简单，应用该技术生产的相关产品结构简捷、灵活可变、经济实用，通过普通生产工艺即可可靠使用30～40年，无易损件，有效降低了维护成本。

四、推广价值

新一代无源等离子防雷技术避免采用传统“引雷入地”的防雷方式而产生的弊病，相对于传统避雷技术相比，防雷防火效果有大幅提升。尤其是该设备能够消除雷暴成因，实现不落雷的技术突破，能够很好的满足高雷击风险场景的防雷需求，对矿区建设综合防雷抗雷减灾体系，解决典型防雷技术带来的问题具有重要意义。

截至目前，新一代无源等离子防雷技术已经在国内外高雷击风险场景应用18年，在军用雷达站、炼油厂、弹药库、铁通信塔、高压输电塔、化工厂、LNG储罐区、林区等领域广泛应用，成功拒雷数百万次，防护效果显著，具有广泛的推广应用价值。