雷电波在导线上的传输.doc

PAGE PAGE 25 雷电波在导线上的传输 平帅 庞华基 1、引言 自然灾害中，雷击引起的灾害算得上是最为严重的一种。这不仅因为雷电发生频率高，且年年重复发生。据有关研究统计，在地球上任一时刻平均有2000多个雷暴在进行着，平均每秒有100次闪电。每个闪电强度可高达10亿伏，足见其能量之大，产生的危害可想而知。 对雷电的防护从古到今，人类在不断的探索，但一直没有找到有效的防护方法，直到200多年前，富兰克林发明了避雷针，建筑物、构筑物等设施得到了一定的保护。但是随着近代高科技的发展，雷击电磁脉冲对电子电气设备的危害越来越引起重视，IEEE、IEC、ITU等组织都制定了一系列的与雷电防护有关的标准和规范。我国的规范和标准制定比较晚，因此等同采用了IEC的部分标准，但IEC的标准均为推荐性标准，并且受到外国某些利益集团的控制，其中一些技术参数和经验公式等存在很大争议。刘继[4]认为IEC规范中规定的雷电流容量过大，雷电波形不合理，一些经验公式应进行试验校核。而中国采用了这些标准的同时，也为外国利益集团的产品倾销打开了通道。 本文拟从最基本计算导线的电感、电容等物理量入手，推算雷电波在导线上的传输速度以及发生的折射、发射等效应；根据实际工程，计算雷电波的衰减、变形等情况，推导出雷电波在导线上传输过程中的实际波形。来验证上述标准中技术参数的合理性，这些参数无论对建筑物还是对计算机信息系统的防雷设计至关重要。 2、研究雷电波传输速度的意义 对雷电波的防护一般采用分级保护原则，第一级电涌保护器(SPD)（一般为放电间隙、气体放电管等）响应时间较长，第二级电涌保护器（一般为氧化锌压敏电阻）的响应时间次之，第三级电涌保护器（一般为暂态抑制二极管）的响应时间最短。这就出现了配合距离问题：级别越低的电涌保护器的响应时间越短，这需要安装过程中，拉开一定距离，否则会出现低级别的电涌保护器因过载被烧毁，而高级别的却未启动的现象。相互间的配合距离多少为合适呢？这需要探讨雷电波的传输速度，而雷电波在不同导线上传输速度不同。 在《建筑物防雷设计规范》GB50057-94（2000年版）中，第6.4.11条规定“在一般情况下，当在线路上多处安装SPD且无准确数据时，电压开关型SPD与限压型SPD之间的线路长度不宜小于10m，限压型SPD之间的线路长度不宜小于5m。”。规定不明确，操作起来困难。并且没有规定压敏电阻（限压型SPD）与二极管型SPD之间的安装距离没有规定，是个空白。 实际工程中，电涌保护器之间的导线距离不够，应串接退耦线圈，需要什么规格的退耦线圈（多大线径？多大线圈直径？多少匝数？）没有规范规定，也属空白。 雷电波在导线上折射和反射的情况，这是确定防护元件的参数的重要依据，本文对这方面进行了探讨。 雷电波的波形，在工程上往往按照IEC的规范规定来设计，而在实际电力线路上雷电波在传输过程中，波形如何变化，尚无人研究。按照实际的波形实施防雷工程不仅能提高防护效果，还能极大提高工程的经济性。 3、国内外研究进展 3.1国外动态 纵观国际雷电研究趋势，二十世纪八十年代以来出现了三大特点。首先雷电研究本身受到两个因素的驱动，一是高新技术发展对雷电防护提出了越来越高的要求，二是GPS技术和高速大容量数采技术的发展，使得有可能对微秒、亚微秒的雷电过程进行研究。雷电研究的第二个特点是重视与其它学科的交叉，比如在与大气化学的交叉方面正进行雷电产生的N0X及转化的测量和模式计算；在与气候变化的交叉方面发现了全球闪电、电离层电位是地面增温的敏感指示器；在灾害性天气的监测预警方面，发现闪电可比雷达提前指示强对流发展，闪电频数可用于对对流性降水量的估测等。雷电物理研究的第三个特点是重视将研究成果与实际应用的结合，比如美国每年组织法国、瑞典等近十个国家的科学家在Florida国际雷电研究基地进行人工引雷实验，除对雷电物理和雷击机理进行研究外，还对不同类型的防雷设备进行检验、对高压线及特种设备（如：模拟的航天发射器燃料盒、仪器盒等）进行雷击实验，以增加其运行的安全性。日本每年在北陆地区对冬季雷暴进行人工引雷实验，主要目的是搞清造成严重灾害的正极性雷电的放电机理，并提出有效的防护措施[2]。巴西、瑞士、日本等国利用高塔上测量雷电流，观测雷电参数以及雷电先导的发生发展过程，但各地测得的雷电参数有一定的差异。[5] 在雷电定位方面，几乎所有工业国家都使用了现代雷电定位系统。在这些系统中，雷电的定位，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。对定位系统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，提高了定位精确度等方面进行了积极探索。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年建立了一个欧洲雷电检测