雷电监测和防护研究的某些新进展

Some New Progresses in the Research of Lightning Detection and Protection

刘欣生
LIU Xinsheng

（中国科学院寒区旱区环境与工程研究所 兰州市 730000）

　　近年来，无论是全球雷电活动的监测和单个闪电的高时空分辨率探测技术方面都取得了重大进展，雷电防护研究方面也进行了一些新的探索。本报告将对此作一简要介绍。

一、全球雷电活动的卫星监测

　　近年来,全球气候变暖及El Nino和 La Nina活动对雷电频数及区域分布的影响以及全球雷电活动能否作为地球温室效应的一个灵敏指示因子的问题，引起了学者的重视，并提出了加强和改善对雷电进行全球监测的要求；而全球化学传输模式需要痕量气体、氮氧化物及臭氧变化的信息，也需要准确了解全球雷电活动的时空分布。在地面上监测全球的雷电有很多局限性，而在卫星上装载光学仪器能有效探测全球的雷电活动。装有光瞬变信号探测器OTD(Optical Lightning Detector)的卫星1995年4月起一直在近似圆形的轨道上运行。卫星离地高度740km,OTD仪器视野1300×1300km,空间分辨率10km,探测效率优于50%。一年中地球大部分地区会被OTD经过400次，累计观测时间达14小时。地球被分成2.5°(纬度) ×2.5°(经度)共10368个区，每个区的闪电频数为探测到的闪电数除以该区的有效观测时间，全球每年的闪电频数是各区闪电数的总和。一年（1995.9-1996.8）的观测资料表明，全球发生了12亿个闪电，即每秒有37个，比过去估计的100次/秒要少；75%的闪电出现于北纬30度和南纬30度之间，陆地与海洋的比例为11/1。OTD得出的全球闪电数的不确定性估计不大于25%。1997年11月美国和日本联合发射了TRMM(Tropical Rainfall Measuring Mission)卫星，星上装有雷达和闪电图像传感器LIS(Lightning Imaging Sensor)及其他一些测量仪器。LIS和OTD 一样，很像一个电视摄像机，但灵敏度提高了三倍，并采用了多种特殊的‘滤波’技术将闪电信号从白天很强的背景光中检测出来。此外因轨道降低（降到350km）也提高了空间分辨率（到4km）和探测效率（达90%），但视野降为650×650km。LIS的资料正在分析中，并将其和美国地面国家雷电监测网NLDN(National Lightning Detection Network)的资料进行相关对比。初步分析结果表明，MLDN记录到的闪电（90%以上为地闪）大多和LIS符合，但LIS还可以探测到大部分云闪放电。
　　1997年8月美国Los Alamos国家实验室发射了FORTE（Fast on-Orbit Recording of Transient）卫星，星上载有VHF接收机（在20-300MHz范围可调，带宽20MHz）和闪电光学观测系统OLS(Optical Lightning System)。OLS有两个光学仪器，即宽带硅光电二极管检测器（PDD）及窄带CCD阵列闪电定位系统LLS(Lightning Location System),可分辨10 ×10km范围内的光信号，取样周期2.38ms。VHF和光信号的相关分析可提高从卫星上识别闪电的能力，如首次回击、继后回击及云内放电等，可信度超过90%。分析表明，FORTE探测到的闪电信号多来自雷暴的强对流区。

二、闪电放电地面监测技术的进展

　　1．交叉环和时差（TOA）法相结合提高了地闪定位精度，并已应用到商业化的雷电监测系统中。
　　2．发展了基于GPS同步的闪电三维TOA定位技术，称为LMA(Lightning Mapping Array)或LDAR系统(Lightning Detection and Ranging System)。LMA是美国New Mexico Tech研制的闪电多站定位系统（主要作研究用），LDAR 原是美国NASA开发的，现已被GAI(Global Atmospherics Inc.)公司商业化（LDAR-1型），其主要特点是可以实时处理显示观测结果。目前GAI正和New Mexico Tech合作开发商业化的LDAR-2型系统。LMA接收闪电的VHF辐射（中心频率63MHz,带宽6MHz），采样精度为50 ns，一次放电过程可记录数百到数千个辐射源点，多站（6站以上）定位精度可达50-100m。在2000年的STEPS(Severe Thunderstorm Electrification and Precipitation Study)计划中，LMA在美国中西部（Kansas和 Colorado）共设有13个测站，探测范围达200 km。观测进行了三个月，取得了大量的资料，初步分析已揭示了许多有意义的新结果，如反极性的雷暴电结构及云内放电过程等。
　　3．闪电的VHF干涉仪定位技术。单站干涉仪可以提供闪电VHF辐射源的二维（方位角和仰角）图像信息，已大大丰富了我们对云闪及地闪放电过程的了解。多站闪电干涉仪网可以对VHF辐射源进行高时间分辨率的三维定位，并已被商业化。特别值得指出的是，新近发展起来的闪电宽带干涉仪技术在同时有多个辐射源发生的情况下仍具有一定程度的定位能力，将在雷电研究中发挥重要作用。
　　4．利用VLF/LF宽带地闪定位方法也对云闪进行了探测实验，结果表明，这种系统对远区雷暴的云闪活动也可以进行定位。因为雷暴的云闪频数一般多于地闪（在某些强风暴对流天气系统如雹暴中，云闪放电占绝对优势），而且首次放电往往从云闪开始，云闪和地闪的同时监测对了解雷电活动和雷暴天气系统发展演变的关系以及中小尺度灾害性天气的监测预警都很有意义。

三、传统避雷针的改进

　　自Franklin发明避雷针以来，它的形状一直是尖的，并一直沿用到现在。但迄今尚没有大家一致接受的形状结构标准。避雷针的安装减少了建筑物被雷电的破坏，但它邻近的物体有时会遭到雷击。众所周知，避雷针实际是引雷针，但在什么样的条件下，下行雷电先导能被吸引到避雷针上进而产生回击，尚缺乏量化的研究。最近美国学者从理论分析计算、尖端放电过程的实验室测量研究以及不同形状避雷针的现场测量和运行结果比较等各方面全面系统地研究了这一问题，得出结论认为顶端钝的避雷针要优于传统上一直沿用的尖的避雷针，并进而提出了避雷针结构形状的具体设计。
　　在当顶云携带负极性电荷的情况下，空气中存在的自由电子，会被地面接地尖端的强电场吸引向尖端加速运动，因碰撞中性分子释放更多自由电子，从而产生雪崩现象，并在其后留下一个正离子形成的电荷柱。当环境电场足够强时，雪崩持续发生，其后的正离子电荷柱（即正先导）可以在环境电场的作用下持续向上传播，并和下行负先导连接而形成回击。虽然在常压下，产生电子雪崩的电场超过6MV/m，但正先导在约440kV/m的环境电场中即可持续传播。避雷针必须在其顶端一定距离范围内产生这种电场才能吸引下行雷；另外下行先导接近避雷针时，它所产生的电场增强率必须使正离子柱的累积伸展超过它因在电场作用下的迁移而被清除的速率。而头部钝的避雷针要比尖的更能满足这些条件。
　　将避雷针等效为接地的垂直细长半椭球体，可以计算其顶端电场增强因子随距离的变化。结果表明，形状尖的顶端（其曲率半径远小于椭球体半长轴高度），其电场随离开顶端的距离迅速减小。当距离等于一个曲率半径时，电场减弱为顶端的1/3。而钝的顶端，电场随距离的减弱要小得多。当距离超过6mm时，10mm半径的椭球体顶端附近的电场增强要远大于0.1mm半径的椭球体。计算还表明，曲率半径小于0.5mm的椭球体，在距离顶端超过0.25mm时，电场将小到不可能产生电子雪崩的程度。计算也表明，当下行负先导逼近时，在钝的椭球体顶端因电子雪崩的产生而形成的累积正电荷柱，其正离子因迁移和相互排斥而被清除（因而使正先导不能向上持续传播）的时间要远大于尖的椭球体。
　　根据以上分析，还进行了不同尖端形状避雷针的野外现场实验。实验用的尖避雷针由防雷公司提供，长305mm直径12.7mm，上部被加工成逐渐变细的尖端，头部成45°角，曲率半径约0.1mm。钝的避雷针为高305mm、直径9.5到51mm的圆金属棒，顶端加工成半球形并抛光。所有避雷针都装在高6.1m、直径44mm的金属圆管上，并良好接地（接地导线串有2A保险丝）。在传统Franklin避雷针和所谓流光早期发射型ESE(early-streamer-emitting)避雷针（据称有大得多的保护范围）附近（5-20m）都装有顶端钝的避雷针。在1994-2000连续7年的野外现场实验中，有12次雷电击中钝的避雷针，其直径在12.7-25.4mm之间，大多为19mm。但没有一次击中传统Franklin型避雷针及ESE型避雷针。
　　根据以上分析和野外实验结果，研究者建议采用高度与顶端曲率半径之比为680/1的钝型避雷针（其头部电场增强230倍），认为它更能吸引下行雷电，从而起到保护作用。

四、人工引雷对防雷装置的实验研究

　　我国过去曾采用过多种类型的雷电防护装置，其中可能以半导体消雷器SLE（Semiconductor Lightning Eliminator）最为普遍。SLE是由具有一定导电能力的特殊材料制成的少长针型避雷器（每针电阻35 kΩ）。SLE的发明者及生产者声称，‘它可以100%地消灭由地面向上发展的上行雷’；由于它的多针并联及电阻限流作用，又可以使下行雷对被保护目标物的损害减弱。对半导体消雷器的效能一直有不同的看法，拥护者和反对者都举出不少例证来支持自己的论点。激烈的争论甚至在报刊上公开化，双方都有不少著名的学者参加。在这种背景下，国家电力公司（原电力部）组织有关专家进行了论证，认为需要对半导体消雷器及其它雷电防护装置进行进一步的实验及测量。除了高压实验室的实验外，还需要利用人工引雷技术以使实验和测量在最接近自然雷电的条件下进行。
　　高压实验表明，当实验电极电压加高到一定值时，半导体消雷器（已按比例缩小）各针之间确实出现了并联放电现象。但并未观察到限流作用，而是出现了沿面闪络。此前日本学者在用火箭引雷对模拟半导体（用硫酸铜溶液代替）的实验中，确曾观测到一例闪电击中半导体（限流电阻80kΩ）未发生沿面闪络而电流被限制到只有160安培的情况，（其他几例发生了沿面闪络）。但对真实半导体消雷器的引雷实验中，闪电都未能击中消雷器。
　　1998-2000年，受国家电力公司委托，由广东电力试验研究所牵头、并和原中科院兰州高原大气物理研究所及武汉水利电力大学合作在广东从化（1998-1999）及韶关地区（2000）进行了火箭引雷对防雷装置（主要针对半导体消雷器）的实验研究。其中2000年在韶关梯面镇的实验因种种原因未能成功。1998年的实验是针对传统避雷针的（未来得及对半导体消雷器进行实验）。实验采用火箭拖带的细钢丝直接接地和通过100m左右的绝缘尼龙线再经电流测量装置和地相连接两种方式。前者称为传统引雷方式，可以模拟高建筑物激发的上行雷；后者称为空中引雷方式，可以模拟下行雷与地面目标物的相互作用。实验共取得了5次成功，其中有3次空中引雷被每秒1000幅的高速摄像观测记录到。1999年的实验地点和1998年相同，重点是针对半导体消雷器。共有效发射火箭20发，都是采用细钢丝经6m尼龙线和消雷器相连的方式以保证人工引雷能击中消雷器。实验记录到有意义的数据或图像11次，其中有8次成功地将雷电引到消雷器上，5次形成主放电通道（一次引起消雷针的表面爆裂损坏），取得了雷电流、电网地电位升高、快慢电场变化、宽带闪电干涉仪、常规摄像摄影及高速摄像等一批综合观测资料。其中一例雷电流的波形和地电位升高以及高速摄像相对光强的波形非常一致，表明测量的可信性。
　　实验观察到了半导体消雷器两针和三针之间的并联放电现象。在形成主放电通道的5次实验中，消雷器针均发生了沿面闪络；未形成主放电通道的三次实验中有一次消雷器出现了表面局部闪络。未观察到消雷器被雷电击中未发生闪络而被限流的情况，也无法证实半导体消雷器发生沿面闪络后是否还有限流作用。另外，比较起来，1999年人工引雷的高速摄像相对光强及静态摄影照片亮度和1998年比起来要弱得多。这是否是半导体消雷器的影响造成的，由于个例太少，又不是同年同一雷暴过程对传统避雷针和半导体消雷器进行的比较，所以还不能得出肯定结论。
　　实验取得的资料还不够多，且也不能完全代表下行雷与半导体消雷器的相互作用情况（尼龙线太短），因而很难据此得出什么明确结论。但结果还是令人鼓舞的，它表明人工引雷是能验证防雷装置的防雷机理及运行效能的。实验应该继续进行下去，所得的数据和资料将可以对现有的防雷装置进行科学评估，其科学意义和社会经济效益都是巨大的。

参考文献：（略）