21世纪雷电防护面临的挑战、解决方案以及存在的问题外文翻译资料

Lightning protection: challenges, solutions and questionable steps in the 21st century

Istvaacute;n BERTA

1526 Budapest, HUNGARY

Budapest University of Technology and Economics

Department of Electric Power Engineering, High Voltage Laboratory

berta@shock.hu

Abstract. Besides the special primary lightning protection of extremely high towers, huge office and governmental buildings, large industrial plants and resident parks most of the challenges were connected to the secondary lightning protection of sensitive devices in Information and Communication Technology. The 70 year history of Budapest School of Lightning Protection plays an important role in the research and education of lightning and development of lightning protection. Among results and solutions the Rolling Sphere designing method (RS) and the Probability Modulated Attraction Space (PMAS) theory are detailed. As a new field Preventive Lightning Protection (PLP) has been introduced. The PLP method means the use of special preventive actions only for the duration of the thunderstorm. Recently several non-conventional lightning protection techniques have appeared as competitors of the air termination systems formed of conventional Franklin rods. The questionable steps, non-conventional lightning protection systems reported in the literature are the radioactive lightning rods, Early Streamer Emission (ESE) rods and Dissipation Arrays (sometimes called Charge Transfer Systems).

1. Lightning protection – past, present, future

The general problem in the research of electrostatics in complicated natural and industrial systems is basically the approximation of complicated multivariable functions of input and output variables. If speaking generally about the electrostatic hazards there are two main traditional fields considering the source of the dangerous situation, namely the atmospheric electrostatics (lightning phenomenon, primary, secondary and preventive lightning protection) and industrial electrostatics (passive electrostatics – technological problems caused by static charging, fires, explosions and active electrostatics – the industrial use of electrostatic charging of materials).

The approximately 100 years research and education of Budapest School of Electrostatics were always important parts of the 228 year old history of Budapest University of Technology and Economics [15]. From the foundation of the Department of Electrical Engineering by Kaacute;roly Zipernowsky (in 1893), through the research and educational work of Laacute;szloacute; Verebeacute;lyuml;, continuing the theoretical and practical results of Tibor Horvaacute;th [8,9], static electricity was and will remain in the focus.

The first records of lightning started with the early observations at the beginning of the 18th century. The first academic results were published in Buda at the end of the 18th century in German and Latin and only later in Hungarian. The 19th century brought only a few results in lightning research and lightning protection all over the world. Lightning research was started in Budapest by Laacute;szloacute; Verebeacute;lyuml;. He published the first results in the proceedings of the Hungarian Electrotechnical Association (1940) and in his inaugural at the Hungarian Academy of Sciences (1947).

The results of Tibor Horvaacute;th were summarized in Dresden (1963) and also published at the 7th International Conference on Lightning Protection (ICLP) in Arhem (1969, The Netherlands) [7]. These were the first steps of the so called probabilistic approach using the attraction volume (space) theory. The sudden use of the theory in practical life is proved by the MOSz 274 Hungarian standard of lightning protection (1952) closely followed by the next generation of the Hungarian standards on lightning protection MSZ 274 (in 1962). These periodically renewed guidelines helped the generations of lightning experts both in design and building of air termination systems. These publications back to the 60s already detailed the probability modulated attraction space theory (PMAS) and the method of rolling spheres (RS).

Generations after generations of former BSc, MSc and PhD students went on with research and education in lightning protection. Nowadays 4 generations of Budapest alma mater deliver papers on their results in international lightning protection conferences.

1. Challenges

Lightning was, is and will be one of the important challenges for mankind. Already in the early days people were faced with the problem of lightning and thunder. Explanation and ways of the protection were always important questions. One can hardly find any mythology, religion and art not trying to handle these both terrible and beautiful natural phenomena. The history of mankind is closely connected to lightning, one of the most dangerous “Acts of God”.

From the very beginning any idea of protection was extremely important. It was Benjamin Franklin, who presented our world with the so called Franklin rod (1752). He invented a fantastic tool, but the explanation of how it works was questionable [16]. (His original thought was that the lightning rod would silently discharge the thundercloud.) This problematic explanation has been the main reason of several misunderstandings and misleading steps to date.

The centuries of lightning research has always been accompanied by the research and development of lightning protection, theory and practice and the protective effect of air termination systems. The first steps of primary lightning protection were closely connected to defining the protected volume and searching the appropriate protected angle based upon the statistics of the high voltage power lines. New theories (i.e. electro-geometrical theory based on the probability approach, the attractive space concept and the accepted risk concept) and new methods (i.e. calculation of e

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21世纪雷电防护面临的挑战、解决方案以及存在的问题

Istvaacute;n BERTA

1526布达佩斯，匈牙利

布达佩斯科技经济大学

电力工程系，高压实验室

berta@shock.hu

摘要：除了极高塔，大型政府办公建筑，大型工业厂房和居民停车场的特殊基础防雷保护外，大多数挑战都与信息和通信技术中敏感设备的二级雷电防护有关。有70年历史的布达佩斯雷电防护学院在闪电的研究和教育以及雷电防护的发展中发挥着重要作用。在结论和解决方案中，详细地描述了滚球设计法（RS）和调制吸引范围理论（PMAS）。预防性防雷作为一个新领域已经被介绍过了。预防性防雷法意味着仅在雷暴持续期间使用特殊预防措施。最近几种非常规的雷电保护技术已经作为由常规富兰克林避雷针构成的接闪装置的竞争者出现。文献中报道的存在的问题、非常规防雷系统是放射性避雷针，早期流光放射（ESE）避雷针和耗散阵列（有时称为电荷转移系统）。

1. 雷电防护：过去、现在和未来

复杂的自然和工业系统中静电研究的一般问题基本上是拥有输入和输出变量的复杂多变量函数的近似。如果说一般关于静电危害，有两个主要的传统领域考虑危险情况的来源，即大气静电（闪电现象，初级，次级和预防性防雷）和工业静电（被动静电----静电荷引起的技术问题 ，火灾，爆炸和主动静电----工业使用的静电充电材料）。

布达佩斯静电学学院大约100年的研究和教育始终是拥有228年历史的布达佩斯科技经济大学的重要组成部分[15]。从Kaacute;roly Zipernowsky于1893年建立电气工程系，通过Laacute;szloacute; Verebeacute;lthe的研究和教育工作，继续Tibor Horvaacute;th的理论和实践结果[8,9]，可以看出，静电仍然是焦点。

闪电的第一个记录始于18世纪初的早期观测。第一个学术成果于18世纪末以德文和拉丁文在布达发布，后来译为匈牙利文。19世纪在世界各地的雷电研究和雷电保护方面只取得了几个成果。雷电研究在布达佩斯由Laacute;szloacute; Verebeacute;l开始。他在匈牙利电工协会（1940年）报刊和匈牙利科学院（1947年）的就职演讲中发表了第一批成果。

TiborHorvaacute;th的成果在Dresden（1963年）总结，并在Arhem（1969，荷兰）举行的第7届国际雷电防护会议（ICLP）中公布[7]。这些是使用引力体积（空间）理论所谓的概率性方法的第一步。在实际生活中突然使用的理论被MOSZ 274匈牙利雷电防护标准（1952），紧跟着下一代匈牙利防雷保护MSZ 274（1962年）标准验证。这些定期更新的指南帮助了几代设计和建造接闪装置的雷电专家。这些追溯到60年代的出版物已经详细地描述了调制吸引范围理论（PMAS）和滚球法（RS）。

过去一代又一代的理学士，硕士和博士生一直在进行雷电保护的研究和教育。如今布达佩斯的4代校友在国际防雷会议上发表论文。

1. 挑战

闪电过去、现在和将来都是人类面临的重要挑战之一。早期人们就面临着闪电和雷声的问题，解释和保护方式总是重要的问题。人们发现任何神话，宗教和艺术都在试着处理这两个可怕又美丽的自然现象。人类的历史与最危险的“上帝的行为”之一----闪电密切相关。

从一开始，任何防护的想法都是非常重要的。所谓的富兰克林避雷针（1752）是本杰明·富兰克林送给全世界的。他发明了一个奇妙的工具，但它工作原理的解释是有问题的[16]。（他原先的想法是，避雷针会默默泄放雷云。）这个有问题的解释是迄今为止几个争执和误导步骤的主要原因。

几个世纪的闪电研究始终伴随着雷电防护、理论、实践的研究和发展以及接闪装置的保护作用。初级雷电保护的第一步与受保护的体积和基于高压电线统计的适当的保护角度紧密相关。新理论（即基于概率法、有吸引力的空间概念和公认的风险概念的电子几何理论）和新方法（即等效面积的计算，滚球法）已经被用来解决基本矛盾[8]。

为保护信息和通信系统，在提出极其敏感的元素和系统（信息学，通信和媒体）之后，二级防雷理论和实践出现了（在20世纪下半叶）。在同一世纪的最后几十年中，雷电检测和定位系统出现在世界各地。这些可能性与风险管理的压力一起引出了最近几年的预防性防雷理论和实践（见第3.3章）。

1. 解决方案的一些步骤

3.1. 调制吸引范围(PMAS)

基于概率的电几何方法是在1972年Tibor Horvaacute;th的DSc论文中首次发表。在他的理论的帮助下，可以更容易地解释“年损坏率”、“平均无冲击周期”、“加权因子”和“在时间t期间损坏的风险”[8]。在他运算的帮助下，尽管存在雷电保护系统，但仍可以确定雷电的残余风险。

该理论基于闪电形成的物理过程。众所周知，雷击始于下行先导，到达从地面上物体能引发上行先导的被称为定向点的某一点。在先导连接之后，雷电流开始流动。可以根据分布函数来确定定向点位于距对象的给定距离处的概率[9]。

检查某个物体，如果其到定向点的距离具有特定值，则存在闪电到达该物体的额外可能性。考虑到50％回归面的概率分布，空间可以分为两部分。包含雷击击中物体的那些定向点的空间被称为引力空间。可以通过使用前面段落中描述的概率分布函数调制该空间来计算预期雷击次数。

可以通过物体的调制吸引范围来对避雷系统的效率进行评估。如果物体上有接闪装置，则原始引力空间因接闪装置的引力空间而减小。由于原始引力空间的上部，所有雷击都不会再击中被保护的物体，而是接闪装置[8,9]。对引力空间的概率分布进行积分并乘以每年的地闪密度，可以计算击中建筑物的雷击预期频率。这是风险计算的一个重要参数。[8,9]

第一步是测量击中受保护建筑物的雷电年预期频率。这是两个部分所得的值：等效面积和年地闪密度。等效面积（Aeq）定义为和受保护建筑遭受雷击频率相同的平面面积。它和孤立于该地区闪电活动的建筑物有关。另一方面，地闪密度（Ng）作为气象数据用建筑物区域表示。因此，建筑物每年被雷电击中NF次：

雷击造成损坏时，结果可能相差特别大。这些情况下可以考虑加权因子。损坏后果也是不同的，同样可以用加权因子表示。发生、加权后得到与每种类型的损害相关的加权损害，这包括击中频率，造成损害的可能性和后果的权重。该计算的结果是加权损害的预期年频率（D）。

加权损害的结果频率D是表示雷电危险的平均值。当安装了防雷系统时，其值通常非常低，不容易解释。最好理解为周期T。这是一个平均值，它没有给出在未来几年预期的信息。

其中T是闪电造成的两次总加权损坏之间的平均间隔，通常时间太长，并且可能得出关于安全性的假结论。可以通过进一步评估获得更全面的结论。

根据泊松过程分析闪电事件。泊松关系表示在给定时间内发生给定次数事件的概率。该计算可得到“损坏风险”概率。根据泊松过程，可以计算在时间t内发生加权损害的风险。当T是平均损害时间时，泊松关系的简化形式表示在时间t期间发生总损伤的概率[9]。

为解决上述问题，有个新工具，即使用软计算方法：模糊逻辑，神经网络和遗传算法。 新方法很有效，可以用于工作系统的风险评估（检查和审计），以及在大气和工业静电中设计和规划活动的预测能力法。这些方法可以有效地处理在确定值D中的不确定性[2]。

与一般实践不同，应通过特定的风险管理策略来处理静电危害。这种策略不仅针对已审查的布局，还针对风险承担者。

保护方法应包括能有效调整风险水平（即保险，财政储蓄的使用，改变地点）的所有工具。如果目的是确定给定系统的风险水平，建议的方法是使用故障诊断系统（观察和干预）。越接近风险级别，就越需要确定损坏率，可以计算闪电引起的风险。

3.2滚球法(RS)

滚动法的目的是在几何条件复杂的情况下设计接闪装置。然而，该方法通常相当简单（特别是使用计算机时）。为避免假应用的发生，在相当复杂的几何条件下，规范使用滚球法的设计程序很重要。

如果接闪装置能防止假想球从任何可能的方向接近它时与受保护的建筑相交，那么应用这种方法时，它的定位是足够的。在快速下坠时，球体可以仅在一点或沿着线接触待保护的建筑，同时在接闪器系统上或周围滚动。

尽管球体的半径与以已知概率出现的雷电流相关，但是半径并不真正与接闪装置的截止率相关。雷电流的发生概率仅表示必须清除高雷电流的通道。

当然，这并不意味着所有低雷电流将击中处于用滚球体给定半径构造的保护体积中的建筑。因此，拦截失败的概率可能比与雷电流相关的概率低得多（可以是一个或多个量纲）[11,13]。

3.3预防性防雷

布达佩斯防雷保护研究所的研究人员在28号ICLP（Kanazava，日本，2006年）上介绍了预防性防雷[1]，其原始定义如下。

“预防性防雷法意味着通过特殊预防措施避免遭受雷击而损坏。预防措施可以是各种类型，预防性雷电保护的主要目的是降低在雷暴期间由于雷电造成的损害的风险。”[3,4]

这种雷电保护新方法采取预测结合预防的措施，用期中一个去规划另一个。在物体在时间和空间上具有变化的风险水平的情况下，这种类型的雷电保护是非常有益的（例如，特高塔和高建筑物，机场，高压电力线上的电线维护工作，露天质量性能）。

预防性雷电防护的关键是使用不同的预测控制预防措施。 最重要的PLP系统类型有：

- 使用本地检测器的预防性雷电防护（LDPLP），[5]

- 区域预防性防雷（ZPLP），[6]

- 高可靠预防性防雷（HRPLP），[6]

- 模糊预防性防雷（FPLP），[14]。

4.存在的问题

如在雷电保护的历史中所描述的，传统防雷系统的使用（由所谓的富兰克林避雷针，引下线和接地系统组成的接闪装置）可以追溯到18世纪[16]。

后来在20世纪甚至现在，出现了几种所谓的非常规系统。许多雷电专家还记得放射性避雷针的“荣耀与衰落”。在他早期出版的一本“雷电防御之父”中，D. Muuml;llerHillebrand已经批评了放射性避雷针的使用，以及在南斯拉夫波多若斯（Portoroz，南斯拉夫）的第12届ICLP大会上进行了重要讨论，由另一个“雷电研究伟人”C. Berger展示了理论和实践的问题。最近，几个非传统的雷电保护系统再次出现在科学和商业界。非传统的雷电保护解决方案是早期流光放射（ESE）避雷针和耗散阵列（有时称为电荷转移系统）。过去甚至现在，世界许多地方使用这些系统在国际层面（科学会议，国家和国际标准，www.intlpa.org）也有压力。

传统的雷电保护系统（由理论考虑基础上的几根富兰克林避雷针构成的接闪装置）的竞争者通常是单一的非常规保护器（根据其改进保护区的想法选择和构建）。问题是这种竞争往往仅仅基于经济考虑，而不是理论讨论和几十年来全世界在实践中对性能与应用的验证。

国际闪电保护会议（Cagliary，2010年，www.iclp-certre.org）特别注意非传统的雷电保护系统。其中一次受邀的讲座侧重于这一主题[2]，还组织了一次特别会议。正如Vernon Cooray最近所总结的那样，专家们对理论和实际操作以及比较常规和非常规雷电保护方法的效率进行了严格的讨论。在上述提到的论文中，这些系统的科学基础及其性能在作者们自己的结果和CIGRE WG 405的SC C4的其他出版物出版的科学文献之后。

实际上已经出现了一些问题：

- 讨论偏离了科学问题；

- 往往只有受保护体积是辩论的主题，而非基本的物理现象；

- 基于ESE用户的建议，将单个ESE杆的效率与由几个Franklin杆构成的接闪装置进行比较（由于经济原因）。

在世界各地几十年间进行的大量研究已经验证了富兰克林避雷针的性能，然而，非常规系统未经现场长时间测试以验证其性能就被引入一些雷电保护标准中。

1. 讨论

接闪装置周围存在受保护空间这个最初的想法已被反驳。现在世界广泛接受的观点是：大气终端的保护效果就是概率问题。科学家不想研究受保护体积，而是定义引力体积，并且基于概率方法，实际风险必须与为对象定义的有效风险进行比较[16]。

调制吸引范围理论（见第3.1章）和设计方法，即滚球法（见第3.2章）被广泛接受并在世界各地使用。 即使国际（IEC）和欧洲标准（EN）都采用它们（IEC CENELEC EN 62305，防止闪电，2006），但是这些新规定的实际使用受到一些误解甚至一些故障的干扰[10, 11, 12, 13]。

预防雷电保护采取预测结合预防的做法。在物体在时间和空间上具有变化的风险水平的情况下，这种新开发的方法是非常有益的。基于软计算方法，可以在几个实际情况下处理PLP（计划，构建和操作）。

有几个实验室实验结果表明ESE是一个有趣的想法，但实际上不能在自然条件下工作。 到目前为止，没有证据证明ESE棒的性能优于富兰克林避雷针的性能。文献中的结果还表明，耗散阵列不能使接近受保护物体或接闪装置的闪电消散。与非常规装置相反，几十年的时间已经验证了富兰克林避雷针的性能。受保护体积的使用会导致与ESE的无限制（不受控制的）讨论。高塔和平屋顶都会出现问题。单个富兰克林避雷针或单个ESE装置都不能满足接闪装置的要求。基于电几何概念和概率方法，它们必须与被明确限定被保护物体减小的引力体积。

1. 致谢

感谢我的老师、荣誉教授TiborHorvaacute;th博士和我以前的学生和现在的同事，特别是副教授Istvaacute;nKiss博士，Norbert Szedenik博士讲师，高级实验室负责人Baacute;lintNeacute;meth，电气工程的Attila Gulyas硕士。

1. 参考文献

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