世界防雷技术的趋势

通天雷神

世界防雷技术的趋势

——第26届国际防雷会议报道

李建基 译自《etz》


　　第26届国际防雷会议（ICLP：International Conference On Lightging Protection）于2002年9月2日至6日在波兰的Krakau 市举行。来自33个国家的约200名专家出席了会议。会议是在Carlo Mazzetti博士（意大利）和Zdobyslaw Flisowski 博士（波兰）的主持下召开的。会议分了10个专业组，收到有关雷电研究和防雷的论文160篇。
雷放电

第1组为“雷放电组”。会议由主席Owen Farish 教授（英国）和解说员Vladimir A.Rakov教授（美国）主持。这个组照例雷放电的特点及模型化。在总计16篇论文中，有5篇重点研究雷电数据监测和处理，有7篇研究雷放电的模型化，还有千篇介绍在高压实验室的试验研究。

13年以来，巴西在“Morro Cachimbo”山上的一个60m高塔上测量 了雷电流。山高1430m，位于Belo Horizote 附近。在此期间，记录了31次负性初雷和59次负极性续雷的雷电流。测量基本上证实了Jarl Berger 教授在瑞士Monte Salvatore地方长年测量的是今已知雷电参数。与Berger 测量相比，此次测量的电流最大平均值高些，其中负极性初雷的平均值约为40Ka，负极性结续雷的平均值约为16kA (K. Berger：30kA和12kA)。但最大平均电流陡度却小些，对于负极性初雷为19kA/us，对负极性续雷为 30Ka/us。电流陡度小此，可能是由于选取的扫描速度50ns不足以记录电流很短上升的情况。

当目标高度更高时（约高100m以上），主要诱发上行雷。上行雷的特点是是一个由“先导”放电提供的长时电流。如在Gaiberg山（奥地利萨尔茨堡州府东5km）约100m高通信塔所作的研究那种，“先导放电通道的亮度近似与长时电流成比例。
　　
在负极性上行雷中，长时电流典型值为几百安，而在正极性上行雷中，该值达10Ka以上。日本一篇论文珠解说，造成这种差别是由于正极性和负极性“先导”放电的发展不同的缘故。在日本Fukui附近的一个200m高的烟囱上，曾用高速摄影机测量了“先导“放电。测量表明，正极性“先导”放电以约10的5次方 m/sma典型速度持续向上发展。而负极性“先导“放电以跳支式向前发展，共平均速度高得多，约达6.10的6次方m/s。

雷电空位和雷电频次

第二组为“雷电空位和雷电频次”组。收到论文12篇。会议由主席Vernon Cooray 教授（瑞典）和解说员Gerhard Diendorfer 工学博士（奥地利）主持。该组主要研究现代雷电空位系统。此间，几乎所有工业国家都使用了现代雷电空位系统。在这些系统中，雷电的空位，或通过磁场或通过电场的行电时间或通过这两个方法的组合。

多数论文分析了现有的系统，并提出改善其功能的措施。在这里，软件解决方案引起普遍重视。提出了改进工作的数学模型和计算方法以及有效监测和处理大量数据的措施，从而提高了空位精确度，改进了云——地和云——云之间的选择性。引外，可精确预报雷暴的波头和雷电频次。
　　
为了能够观察欧洲范围的雷电活动，需要将雷电的空位扩展到各个系统有限区域以外。为此，于1999年建立了一个欧洲网络（欧洲雷电检测中心网络(CELDN,〔2〕。这个网络的核心由德国BLIDS和奥地利ALDIS系统〔3—4〕构成。该网络此**还包括匈牙利、波兰、斯洛伐克及捷克等东欧国家。

LEMP和干扰稿合
　　
第三阶段组为LEMP(雷电场)和干扰稿合组。会议由主席Tatsuo Jiawamura教授（日本）和解说员Canlo-Alberto教授主持。会议收到17篇论文。这个组的主题是早气设备和电子设备中的雷电场的产生上，有13篇论文重点放在干扰稿合上。
　　
雷电场是由雷电通道中的电流流动产生的。雷电模型描述了这种过程。在这里通常以雷击入平地为基础。相兵荒马乱地，如果雷南击建筑物，流过建筑物结构上方的电流亦是产生雷电场的主要部分。特别是当建筑物很高时，流经建筑物上方的电流引起的雷电场**主要地位。但当建筑物不高时，建筑物的精确模拟比雷电通道的模拟更为主要。
　　
收入“干扰稿合”题目的论文指出，雷电对高压线路的干扰引起的兴趣不大。这可能是由于输电具有高的质量和供电可靠性。雷电是引起过电压、电网中断和事故的主要原因。这方面收录的论文现在主要还是建立在理论模型上；还需要对推测的结果进行实验验证。

雷击机理
　　
第4组为“雷击机理”组。收到论文13篇。会议由主席Tibor Horvath 教授（匈牙利）主持，并由BOMUALD Wlodek（波兰）教授解说。有10篇论文的重点议长在“先导”放电发展上。其余3篇论文主要对保护区作观察。
　　
对于高度约在60m以下的低层建筑物，主要遭受落雷。这种类型的雷电由下行“先导”放电引起。“先导“放电使云因带电荷，当接近“先导”头部时，地面的电场增高。当超过临界场强时，从曝露部位处形成上行“先导”放电。这种上行先导放电将地面上雷击目标与上行“先导”放电。这种上行先导放电交地面上雷击目标与上行“先导“放电尖端之间的临界距离（几10～100m）桥接。此时，它抓住雷击点，并形成自己的主放电，使强大的雷电流流向地面。
　　
上行“先导”放电经历如下发展阶段：

1） 首先引发一个“流注”放电过程。“流注”放电包括典型电流小于1A的“冷”放电。
2） 在负极性雷电最为频繁的情况下，正极性“流注“放电需要一个至少400KV/m的基本场。只有超过这个值时，方可产生正极性“流注”放电。
3） “流注”放电必须发展到最短长度在米级范围内。只有在这种情况下，它才能变成“先导”放电。与“流注”放电相反，“先导”放电为“热”放电，电流明显大于1A。
4） “先导”放电需要的基本会议场至少为200KV/m，从而它才可能发展。
　　
如上几届防雷会议，在这次会议，也主就人工能发一个上行“先导”放电将雷电流引向一个确定的雷击部位的可能性，进行了热烈的议论。在一个工厂中，雷电流然后才能从这个雷击部位经过简易的避雷器引入地下。
　　
如果有这种可能，即必须及早能发“先导”放电。作为ESEL（初期流注放电）的方法，就基于这个想法。在这种**量中，由吭压电极产生一个电场，而这个电场只在附近区域产生，一个供“流注”放电发展，必需的基本场（各种工）。因之，只产生一个较小的“流注”放电，它不会转变为“先导”放电（条件3）。这种装置的效力，尚未得到证实。
　　
人工产生类似于“先导“放电的等离工体基于类公的老法。这种等离式体用强大的激光产生。因为在这里不准备为“先导”放电的发展的必须的基本场（条件4），故用这个办法不会得到附加防护空间的效益。
　　
由许多雷击特点中得出，大约在25%的雷电中，出现多个雷电通道。在一次雷击中，少有8个人（6死2重伤）遭遇不同的雷电通道。这可能是主通道分叉形成不同分歧。另一方面，发现支雷电往往不跟随前面支雷电的路径。这可能是出现多个雷击部位的原因。

避雷与接地
　　
第5组为“避雷—接地“组。该组收到19篇论文。会议由主席Christian Bouguegneau教授（比利时）和解说员Walgang Hadrian教授（奥地利）主持。
　　
为了减少电磁干扰量，在防雷区主方案中，需要在防雷区过渡处加屏蔽。作为造价适中的解决方案，采用现有的建筑结构（如铠装钢筋水泥）。对于屏蔽结构的效力，在实验室经一个带屏蔽栅的立方形笼中进行了试难研究。测得内场强的分布，关与计算加以比较。结果表明，防雷区LPZO和LPZI之间分界处的外屏蔽的效力一般高于区域LPZ1T 和lpz2之间过渡处的内屏蔽。基效力既与屏蔽结构也与电位平衡和接地各种有关。
　　
这个组的重点是接地和扩展接地系统中，不同点之间的电位差。为了分析防雷接地系统，引用了瞬态计算机。电气要简易度（对50/60HZ的准稳态分析）的要点接地，不能同时作为足够的防雷接地。

在承受雷电流时，不可忽略接地电极与土壤的非线性特性。特别是接地导体内的土壤电离化，大大降你了土壤的电阻率。

电力系统的防雷
　　
该组在Joslein Huse 博士（挪威）和解说员Marek Szczerbinski 博士（波兰）主持下开了会议。

用摄影法求得了雷击高压架空电网的频次，并用计算法分析了造成的后果。通行的措施是架空线走廊的接地线和避雷器。高压电网中的避雷器，不仅装在变电站中用来保护使用的设备（特别是变压器），而且分布在架空线上，与绝缘子并联，以避免绝缘子闪路。通过使用这种"线咱避雷器“，可大大改善哪些接地情况不佳地区的供电安全性。
　　
架空线直接遭雷击或附近遭雷击，不仅威胁高压和中网电网中的设备，而且雷击经过配电变压器将过电压和过电流超临界稿合入低压电网，造成电气设备和电子终端装道的故障或损坏。会议提出了不同容量（5KVA～1250KVA）变压器一次和二次测之间瞬态稿合的计算方法，并分析了对低压侧的干扰量。

电子设备的防雷
　　
第7组为“电子设备的防雷”组。会议由Eric Montandon(瑞士)主持。Fridolin Heidler博士作解说员。
　　
低压设备的过电压保护装置（SPD）主要用避雷器。会上提出了新的避雷器技术。在承受剧形冲击波（5/50ns）时，对避雷器的特性所作的研究表明，在这个极短的冲击中，雷电保护装置（SPD）的寄生电容可起到“滤波”的作用，这种就吸收了入侵冲击波的部分能量。
　　
多次雷放电会使避雷器在1S内多次动作，并引起式频续流。用新型冲击电流发生器，模拟了10KA，8/20us冲击电流多次放电。在避雷器上，隔20ms 5次触发式频续流。此时在敞开式和封闭式避雷器结构中，均未出现问题。
　　
从出现的过成压次数和避雷器的制造工艺上，确定了火花间隙为基础的避雷器的寿命。只有在施加工频电压一定相位处，过电压触发工频续流。对于所研究的避雷器，其寿命可望33年。
　　
国际雷电研究和试验中心（ICLRT）（美国佛罗里达州）用火箭触发雷电，研究了雷电流沿中压架空线的分布。830m长的试验线路装在18基杆塔上,并装有6只氧化锌避雷器。雷电引发在外导线上。高频电流分量（在花初几微秒内）主要流经两个距雷击点最近的避雷和杆塔。而所有避雷器参与对地总电荷的转移，此时电流分布取决于杆塔的接地电阻。
　　
为了构成电磁屏蔽，使用了现有的导电的结构件，水泥的钢铠装对此特别适用。对于这种网格式的屏蔽，DINV VDE V 0185—4（VDE V0185第4部分）2002—11〔6〕建筑物直接受雷击时估算磁场、磁场变化和感应电压的公式。这此公式基于数字模拟，适用于具有空网目的单层屏蔽。但是钢筋水泥结构通常由多个（到少而2个）铠装层组成。因之在慕尼黑联邦防御大各的高压工程试验室和雷电研究中，对单层、工层和由铠装网栅构成的立体屏蔽结构进行了比较试验。其中的是通过第二层铠装网栅构成的立体屏蔽结构进行了比较试验。其目的是通过二层铠装定量附加屏蔽效果。相比单层格栅，二层格栅获得发下附加屏蔽率效果。

·3dB～7 dB ,对磁场变化（Dh/dt）
·9dB～12dB ,对于纵问电压
u1 抚盖和地之间

雷击的损害作用
　　
第8组为“雷击的损害作用”组。收到11篇论文，会议由主席Z.Flisowski（波兰）和解说员Farhad Rachidi博士主持。其中5篇论文论述了需电事故及对人身伤害。6篇论文论述对设备和电力系统的风险评估和损坏。
　　
人直接受雷击的雷电事故会造成死亡，或至少造成严重损伤。附近的人员边会受到很大伤害。这一般是由于跨步电压的缘故，由于电流在地面上流动，与人形成电位差。但日本的研究得出的结论却认为大高估了跨步电压的损坏风险。这项研究基于这样的雷击事故，即雷电击入至少由5人紧紧提成 一体的几个小组。
　　
研究了各人员组及13次受雷击的情况，在这里，有24人有受雷击的特征。显然，一些雷击具有多个雷击通道。有关人员或死亡（15人）或受到严重损伤（9人）。直接接触这些人的人员也部分受到弘大伤害，这可能是由于雷电支电流跳越的缘故。而仅受到跨步电压威胁的单独站立人员，未受到或未受到严重损伤。至少相距7m 的人员根本没有受到影响。

实际和特殊的防雷问题
　　
第9组为“实际和特殊的防雷问题”组。收到论文19篇，会议在主席Istvan Berta教授（美国）主持下，介绍了风力发电设备和高层建筑物的防雷问题。
　　
以给希腊海中岛屿的正地自主供电为例，从风险分析出发，介绍了一种普遍的防雷方案。由于各个供电装置空间上的隔离（风力透平机和光伏发电设备）和差的接地件对防雷提出了特殊的要求。所进行的工程表明，根据风险分析，在资金可承受的情况下，对于自给自足的设备，也可能进行有效的防雷。

特殊的问题出现在高100m以上的风力发电设备的防雷保护上。由于高度高，这种设备的雷击概率及损害风险大大增加。特别是自诱发上行雷电数量增加。目前转子叶片大多由玻璃或碳素纤维—复合材料制作，这就特别危险。作为电气和电子设备的保护基础，除了风力发电设备外，整个风力场应纳入保护方案。
　　
对于高的杆塔上的设备，也需要有专门的防雷方案，以便带开线的移动式无线电站得到有效的保护。在安装高压架空线的杆塔时，值得注意的是雷击会引起移动式无线电站低压事故，造成供电的中断。

防雷和防雷标准
　　
第10组为“防雷和防雷标准”组。收到11篇论文。会议由Carlo Mazzetti博士（意大利）主持，讨论由Alain Rousseau(法国)主持。
　　
IEC TC 81〔8〕负责雷击“风险”分析的相关组介绍了未来IEC 62305-2标准的内容。按IEC 61024-1-1;1993-09〔9〕标准作简化的程式将不再采用。新的IEC62305-2(对现有草案正在咨询之中)取代按IEC/TR2 61662;1995-04〔10〕标准还有PC软件，以使实际应用。
　　
关于以所谓ESE技术（初期流注放电）为基础的防雷装置的效力问题，又引起了争论。随着新模型的提出，如CVM和FIM法，ESF防雷装置应强制性进入国内外标准中。但与之相反，不同的论文明确地提出，这些模型假设的前提条件不符合对雷电现象的测量和观察。这点可通过一系列理论研究和实际例子和经验得到论证。对于ESE防雷装置的效力，迄今尚没有一个科学的有份量的证据。

ICLP 2004年在法国
　　
第27刷国际防雷会议（ICLP）将于2004年9月12日至17日在法国阿维尼翁（Avignon）的“国际会议中心”举止行。

参考文献

〔1〕26.Intenational Conference on Lightning Protection(ICLP).Proceedings.ICLP 2002,2.9.-6.9.2002 in Krakau/Polen.Krakau/Polen:Association of Polish Electrica Engineers,2002(zu beziehen úberwww.iclp2002.pl)

〔2〕European Cooperation for Lightning Detection(EUCLID),CELDN-Network:www.euclid.org/celdn.html

〔3〕Blitz-Informationsdienst von Siemens,IεtS IT PS,karlsruhe Blids):www.blids.de

〔4〕ǎsterreichischer Verband Fur Elektrotechnik(OVE),Abt. Aus-Trian Lightning Detection andInformation System(ALDIS),Wien/Osterreich:www.aldis.at

〔5〕International Center for Light-ning Research and Testing (ICL-RT),Camp Blanding,Florida/USA:www.lightning.ece.ufl.edu

〔6〕DIN V VDE V 0185-4 (VDEV 0185 Teil 4):2002-11:Blitz-Schutz - Teil :Elektrische und Elektronische Systeme.Berlin.Offenbach:VDE VERLAG

〔7〕Universitat der BundeswehrMunchen,labor fur Hochspan-Nungstechnik und litzfor-Schung,Neubiberg:www.unibw-muenchen.de/campus/ET7/hochsp/labor.html

〔8〕International Electrotechnical Commission, Genf/schweiz:www.iec.ch

〔9〕IEC 61024-1-1:1993-09 Protetion of structures against light-ning - part 1: General principles- Guide A: Selection of protec-tion systems. Genf/Schweiz:
Bureau Central de la Commission Electrotechnique Internationale

〔10〕IEC/TR2 61662:1995-04 Assess-ment of the risk of damage due to lightning. Genf/Schweiz:Bureau Central de la Commission Electrotechnique Internationale

〔11〕Asssociation Protection Foudre,Paris/Frankreich:www.apfoudre.com/ICLP2004.html

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拔刀

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通天雷神

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拔刀

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