山区电网防雷的新概念——区域性防雷
摘要：根据山区雷电活动的特点，在雷暴运动的路径上装设独立避雷针（线），以放电消除雷云电荷和吸附低空掠过的云团中的电荷，从而减少局部地区的雷击，称为区域性防雷。关键词：防雷 山区输电线雷暴活动避雷针（线）
早在五十年代，我国气象和电力科技人员就已发现山区的雷电活动有别于平原地区，并针对山区雷电活动和雷击事故特点提出了一种特殊的防雷方式，它的作法是在雷云经常经过的路径上装设避雷针、线和网，起到放电消雷作用，从而在大范围内显著地减少山区雷击事故。笔者在1958年写的防雷调查报告中曾讨论过这种防雷方式，并称它为区域性防雷。
过去在多次防雷规范审订会议上大家都曾酝酿区域性防雷的想法，但因缺乏基本的大气电物理的数据而不敢作为一种防雷理论正式提出。现在《大气电学基础》一书提出了大量大气电学和雷电机理的资料，中科院、电力和建筑等有关防雷研究部门的研究又都取得了很多新进展，使区域性防雷的理论和实践经验有了比较扎实的基础。笔者撰写本文，以期唤起大家对这个问题的注意，共同将这项技术完美和充实起来。
1 山区雷电活动和雷击事故的特点
传统的防雷理论和规范是针对平原地区的大气电学过程和雷电机理提出的。平原上的雷云结构通常是雷云底部高约2km，顶部高10～12km，雷云的上部带正电，底部大部分带负电，所以90%以上的云地闪电是负极性的。山区的云体受到大气流动和风力作用后往往发生偏斜，零点温度线降低，使正电荷云体接近山顶，所以山区正极性的云地闪电较平原多，建筑物受到侧击现象也较平原多。图1是日本科学家测得的日本海岸线夏季和冬季雷云的结构。日本夏季的云体结构与我国平原地区的云体结构相同；而冬季海岸线的云体结构与我国山区某些云体结构相同。
图1日本海岸线夏季和冬季雷云的不同云体结构
笔者在文中曾分析过在正云闪电时避雷针（线）的保护范围较负去时的小，加上山区云层距地面较低，侧击的机率增多，所以山区避雷针（线）的保护效果降低。山区带电云雾沿山腰浮动，球雷的现象多于平原。
文显示了吉林山区线路雷击跳闸的统计结果：线路雷击闪络的部位与当地雷暴路径有密切关系。文绘出了具体的分布地图。文给出了山区落地雷的分布规律：当雷暴走廊与风向一致时，风口和顺风的河谷容易落雷；海滨如有山岳则*海一面山坡落雷几率较多。
结合山区局部地方土质情况，雷击的选择性有如下特点：岩石山和土壤电阻率大的山坡雷击点多发生在山脚，山腰次之；土山和土壤电阻率较小的山坡雷击点多发生在山顶，山腰次之；土壤电阻率突变的地方最易遭受雷击，大片土壤电阻率高而局部电阻率小的地方容易落雷，所以一个地方在架设输电线或埋设地下电缆以后可能会引起落雷机率的变化。
2 区域性防雷的运行经验
由于山区的云层低，闪电往往在山腰间窜动，离人很近，击伤人畜的事故较多，对人的精神威胁较大。人们希望能够消雷，或者把引雷放电用的避雷针设置得远一些，以减少霹雳对人的惊吓。利用火箭引雷和利用激光引雷都是属于触发闪电一类的放电消雷方法。利用山势的特点，装设高架避雷针、线或网，也可以达到放电消雷效果。
1956年，浙江天目山气象台雷暴活动强烈，并造成雷击事故。根据观察，雷云总是从左侧的山头上袭来，因此他们于1957年的那里装设了一些避雷针，在雷雨时可观察到这些避雷针接闪。从此以后该气象台就没有再发生过直击雷事故。只有几次沿电讯线路感应过电压引起的事故，损坏了电话线的真空管避雷器。
又据文献，某山区结核病院在未装设防雷装置时经常发生雷击事故，后来在离该院20m左右处的制高点和进风口处各装设一支独立避雷针，又在建筑群中装了两支独立避雷针，针高18m，尽管有不少建筑物远离保护范围，但装针后多年来未发生过雷害。雷雨天曾数次看到避雷针接闪，说明这些避雷针起到了整体保护的作用。
3 雷电过程的物理模型与实际
分析雷云放电的机制在学术上有两种观点：一种是电流源模型，一种是电压源模型。电流源模型的理论认为，雷云是一个内阻无限大的电流源，在分析防雷系统的反击电压、电磁感应和跨步电压等过程时，都采用标准雷电流波。这种观点出发，在避雷针上串入任何阻抗元件都是危险的，因此人为改变雷电放电参数是不可能的。电压源模型的理论认为，雷云好比是一个充了电的电容器，大气雷电通道本身有一个内阻，在避雷针的电路内串入一个特定的阻抗，可以改变雷电放电参数，从而改善防雷装置的保护效果。前者是现行防雷规范的理论基础；后者是消雷器学派的基本观点。
实际上雷云是大气中的带电离子团，这些带电离子团在空气动力和风力的推动下飘移。地闪是积雨云中荷电中心与地和地物之间的放电过程。据文献，积雨云处于成熟阶段时，云中大气体电荷的尺度介于50～500m之间，出现概率最多的是200m左右。积雨云中的大气体电荷密度绝对值平均为
，云中局部地区可达为。一次地闪的电量为1～400C，典型值为20C。
一般闪电的过程是先从云中产生向下的先导，以梯级的方式发展向大地接近。R.H.Golde曾用以下的简化模型加以描述（图2）。
图2 雷电先导向地而发展及其电荷密度的分布
假定雷电先导为垂直向下发展的导电通道。它从雷云中心高h2处发展到离地面高h1处，沿其高度分布的电荷密度（单位长度上的电荷量）Qh以指数率递减（如图3所示）：
(1）
式中Qo——在流注端部的电荷密度（C/cm）；
β——常数，其值约为。在导电通道中总的电荷量qo为：
（2）
当雷电先导到达离地高h1时，地面上的电场强度E为：
（3）
，由于h1<
（4）
可见，E与先导端部的电荷密度和它与地面的距离有关，详见文献。这一物理过程的图像是很清楚的。所以带有较大体电荷密度或带有较大电量的闪电过程必须用电流源模型来分析。
避雷针在雷云感应下产生电晕，形成避雷针附近的异号空间电荷区。雷电先导向下发展的平均速度为，大气空间电荷在雷云电场的驱动下的漂移速度每秒仅几米。所以在闪电发展过程中空间异号电荷对先导流注的中和作用是微不足道的，但是避雷针电晕产生的带电汽溶胶团（见图3）却可能对先导起载击作用。它犹如烟囱喷出的烟雾，它是一种导电性较强的气体，是亚稳态的离子流。这种带电汽溶胶在一定的荷电密度下受强电场和光辐射的激发形成放电通道，就在顺风侧产生截击的现象，或称引雷现象。
图3避雷针端部形成的带电汽溶胶团及其引雷作用
高架避雷针还可能形成上行先导的放电形态。在山区高架避雷针可能起到的火箭引雷的作用，即引发早产雷。早产雷的电流小于一般统计的雷电流值。
高架避雷针在高空的引雷能力强不能推导出高架避雷针保护角大的结论。因为带电云团飘动是随机的，在避雷针塔的侧向可能会受现小雷的袭击（称为侧击）。
当带电云团距地面较近，其体电荷密度较小的云体不能产生雷电先导的情况下，它可能与地物电晕产生的离子碰撞而中和，也可能与地物电晕产生的离子流碰撞而中和，也可能被避雷针、线和网的导体所吸附。在这个过程中空气动力和风力的影响是不可忽视的。在带电大气汽溶胶被吸附的情况下，多枝有芒刺的接地导体结构能产生较大的传导电流，某些消雷器的结构在这种情况下是有益的。
4 区域性防雷的实施方法
区域性防雷的实施要点有三：
（1）按雷暴活动的路径和雷击选择性规律安装避雷针、线和网，达到引雷消雷和吸附消雷的目的。
（2）以独立安装为主。避雷针要高架，以提高其引发上行雷和截击下行雷的能力。避雷针的中部装设多枝多芒刺的导体，以吸附低空的带电汽溶胶团的离子，见图4。
图4区域性防雷用避雷针
区域性防雷的避雷线不一定安装在输电线杆塔上，它是按形成消雷区的要求选点独立敷设的。区域性防雷的避雷网主要用于吸附低空的带电汽溶胶，因此不必装得很高。
（3）不采用保护范围的概念，它不能取代常规的防雷措施。
避雷针的保护范围是按绕击率和侧击率的多少划定的，而区域性防雷的消雷区是受风力影响的，这两种保护区的形成和保护概念都是不同的，这两种保护区的形成和保护概念都是不同的。多芒刺的导体长枝条是为吸附低空带电汽溶胶的，低层雷云经过这些导电枝条变为中性气流向下区流动；高空中又有一段比较长的截击区，因此，在避雷针的下风区有一段消雷区。
假定雷雨云多次放电中最少间隔为25s(不是指一次闪电中的多次雷击，那种雷电放电间隔仅为几百μs-1ms)，积雨云的平均运动速度为6m/s，则在顺风侧150m区域内不会发生再次的雷击。这一消雷区的大小还需进一步的实验论证。笔者在此只是举例说明消雷区的形成与避雷针的保护范围不同而已。
此外，消雷区的保护率如何判定还需研究。笔者认为，传统防雷装置是基本的保护设施；区域性防雷是一种增加型的保护，它可以加强传统防雷装置的保护作用；但就现有知识水平来看，后者不能完全代替前者。
为了科学地建立区域性防雷的理论，还需要进行大量的观测、实验和理论研究。主要有：实地观测避雷针（消雷器）在雷雨云通过时其上部空间电荷的极性、数值与分布；实地观测多枝带芒刺导体的避雷针（消雷器）上风侧和下风侧空间电荷的极性、数值与分布；进行人工带电汽溶胶的实验，模拟雷云对接地导体的放电实验和吸附性能，研究大气带电汽溶胶的演化规律，提出高效区域性防雷的设计方法和科学的保护率的判据。
5 结论
（1）山区雷电活动与平原地区不同，有其特殊的规律性。
（2）在山区雷暴活动的路径上装设避雷针、线或网，能起到放电消雷的作用，可构成区域性防雷。
（3）区域性防雷的消雷机制是引雷和吸附，其保护区的构成与避雷针的保护范围不同，其保护率仍有待研究判定。
（4）区域性防雷仍须进行实地观测和人工带电汽溶胶的实验研究，希望有关单位和部门组织力量开展这项研究。
参考文献
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Magono C Thundernrorms Elacvisr Sci.Pub.Comp.1980
马宏达，确定避雷针（线）保护范围的滚球法，建筑电气，1990年第2期
王克，雷击路径与雷击闪络，雷电与静电，1991年第3期
工厂电气设计手册（上册），1971
Golde R H.Lightning porecdon.1973.London
转：防雷资讯网-专题报道
http://www.e-engineer.com.cn/report/
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