本刊記者 王 輝

解密“雷碼” 步步防雷
——記清華大學(xué)電機(jī)工程與應(yīng)用電子技術(shù)系教授陳水明

本刊記者 王 輝

專家檔案：

陳水明，博士，教授，博導(dǎo)，1968年3月生，分別于1990年7月、1993年3月在浙江大學(xué)電機(jī)工程學(xué)系獲工學(xué)士和工學(xué)碩士學(xué)位，1997年2月在清華大學(xué)電機(jī)工程與應(yīng)用電子技術(shù)系獲工學(xué)博士學(xué)位。曾參加國(guó)家自然科學(xué)基金、電力部八五重點(diǎn)科技攻關(guān)、北京市自然科學(xué)基金和高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金等數(shù)個(gè)縱向項(xiàng)目的研究工作。另外還主持或參加了數(shù)十項(xiàng)橫向課題的研究工作。已獲得電力部科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)1項(xiàng)、山東省科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)2項(xiàng)、四川省科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)1項(xiàng)、西北電網(wǎng)科技進(jìn)步特等獎(jiǎng)1項(xiàng)、華東電網(wǎng)科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)一項(xiàng)。近年來(lái)，已在國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)期刊及國(guó)際會(huì)議上共發(fā)表論文200余篇。

20世紀(jì)90年代后期，我國(guó)電子技術(shù)的發(fā)展日新月異，不斷涌出了許多新型電子產(chǎn)品，為人們的社會(huì)生產(chǎn)生活帶來(lái)了翻天覆地的變化。但隨著電子產(chǎn)品的普及，一個(gè)令人們意想不到的問(wèn)題也出現(xiàn)了。

“許多電子產(chǎn)品都特別怕電磁干擾，雷電就是一個(gè)很重要的電磁干擾源?！鼻迦A大學(xué)電機(jī)工程與應(yīng)用電子技術(shù)系陳水明教授說(shuō)道。那么，雷電對(duì)于社會(huì)生產(chǎn)生活的干擾究竟有多大呢？陳水明教授為我們做了進(jìn)一步的解釋。

雷電的威脅性

在清華大學(xué)電機(jī)工程與應(yīng)用電子技術(shù)系攻讀博士學(xué)位時(shí)，陳水明就開(kāi)始涉獵電磁環(huán)境的相關(guān)研究。“電磁環(huán)境”與“雷電”，看似不相干，其實(shí)有著千絲萬(wàn)縷的聯(lián)系。當(dāng)今社會(huì)，科學(xué)技術(shù)越來(lái)越先進(jìn)，各種設(shè)備的功能性也越來(lái)越強(qiáng)，這不僅造成了人們對(duì)于這些設(shè)備的依賴性，也使得設(shè)備本身越來(lái)越脆弱，對(duì)電磁干擾非常敏感。

“電磁環(huán)境，換言之，就是電磁場(chǎng)現(xiàn)象，是環(huán)境中普遍存在的電磁感應(yīng)和干擾現(xiàn)象?！标愃鹘榻B說(shuō)，雷電的直擊，可能會(huì)造成火災(zāi)和人員傷亡，這且不論，由于電磁環(huán)境的作用，這種影響還會(huì)擴(kuò)散到周圍的環(huán)境中，干擾到其中的電子系統(tǒng)或建筑物。如果在空間的傳輸中，感應(yīng)到很高的電壓，這個(gè)電壓再傳導(dǎo)出去就會(huì)將東西擊壞，而對(duì)計(jì)算機(jī)、電話機(jī)這些弱電設(shè)備來(lái)說(shuō)，電壓一旦超過(guò)5伏，就會(huì)對(duì)其造成破壞?！岸蚶祝褪请姷钠胶膺^(guò)程。水生成水蒸氣，并慢慢升騰，其溫度隨著高度的升高而降低，到一定的高度就會(huì)形成冰晶，這些冰晶則因某些因素帶上了電。如果不打雷，這些云中的電量就不能回到地球上來(lái)。換一句話說(shuō)，整個(gè)打雷的過(guò)程，實(shí)際上就是一個(gè)無(wú)限循環(huán)的電平衡系統(tǒng)。我們沒(méi)有辦法消除雷電，只能想方設(shè)法在雷電到達(dá)地面之前進(jìn)行防護(hù)。”

讓防雷意識(shí)深入人心

1997年～2006年，陳水明曾用十年的時(shí)間進(jìn)行過(guò)一項(xiàng)調(diào)查，發(fā)現(xiàn)我國(guó)每年因?yàn)槔讚羲劳龅娜藬?shù)在400～500人之間，其中絕大部分發(fā)生在農(nóng)村。

“這不僅是因?yàn)檗r(nóng)村的公共基礎(chǔ)設(shè)施不完備，還因?yàn)槿藗兊姆览滓庾R(shí)欠缺?！彼J(rèn)為，如今，雷電的工程防護(hù)技術(shù)已經(jīng)基本成熟，國(guó)際上已發(fā)布了相關(guān)防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，而國(guó)內(nèi)也開(kāi)始逐漸將其轉(zhuǎn)化為適合國(guó)情和行業(yè)特色的標(biāo)準(zhǔn)，并決定在未來(lái)的工作中將此作為重點(diǎn)來(lái)貫徹執(zhí)行?！胺览住保呀?jīng)成為他生活中一個(gè)重要的關(guān)鍵詞。他曾在國(guó)內(nèi)開(kāi)發(fā)出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的野外雷電流波形實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)；他提出了從雷電定位系統(tǒng)的海量數(shù)據(jù)提取雷電特征參數(shù)的方法；他還與施耐德電氣開(kāi)展了為期5年的國(guó)際合作，深入開(kāi)展高層建筑的雷電防護(hù)基礎(chǔ)研究，并建立起我國(guó)雷電防護(hù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，提出了建筑物內(nèi)不同場(chǎng)所和不同系統(tǒng)的雷電流的大小、波形等。他的數(shù)據(jù)被稱贊是“為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的建立提供了一個(gè)佐證”。現(xiàn)在，該成果已應(yīng)用于負(fù)責(zé)編寫(xiě)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/Z 21713-2008《低壓交流電源（不高于1000V）中的浪涌特性》中，對(duì)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的建立和完善起到了促進(jìn)作用。

為了更好地揭示雷電放電的物理過(guò)程，從2008年起，陳水明就一直設(shè)法收集我國(guó)的雷電流數(shù)據(jù)，研制出多通道雷電流測(cè)量裝置，對(duì)自然界的雷電流進(jìn)行測(cè)量，現(xiàn)已在全國(guó)各地安裝了近十套裝置，正對(duì)位于我國(guó)境內(nèi)不同區(qū)域的雷電流進(jìn)行實(shí)測(cè)，以期通過(guò)十多年的努力，收集到100個(gè)以上的實(shí)際數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)出我國(guó)雷電流的分布規(guī)律。陳水明表示，將抓住一切機(jī)會(huì)，通過(guò)學(xué)會(huì)、媒體等途徑加強(qiáng)防雷科普化宣傳，使防雷知識(shí)深入廣大普通民眾。

面向工程，面向需求

從一篇題為《雷擊建筑物時(shí)室內(nèi)電子系統(tǒng)過(guò)電壓防護(hù)研究》的博士論文開(kāi)始，陳水明對(duì)弱電設(shè)備的雷電防護(hù)開(kāi)展了一系列頗具創(chuàng)建的工作。他既是國(guó)內(nèi)第一個(gè)將避雷器應(yīng)用于輸電線路防雷的研究者，也是國(guó)內(nèi)第一個(gè)進(jìn)行雷電防護(hù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)計(jì)算的研究者，其研究的核心原則就是——面向社會(huì)需求，解決工程問(wèn)題。

針對(duì)1000kV特高壓交流和±800kV、±1000kV特高壓直流輸變電工程的防雷問(wèn)題，他在國(guó)內(nèi)最早提出了特高壓直流換流站采用避雷線防護(hù)直擊雷的布置方案，并于1998年在廣東省肇慶市的110kV朱西線上大膽啟用避雷器防雷。經(jīng)過(guò)當(dāng)年的實(shí)踐對(duì)比，類似線路那年跳閘6次，但改造后的朱西線一次也沒(méi)有跳過(guò)閘，反響良好。目前，南方電網(wǎng)已經(jīng)將這種方法進(jìn)行了推廣應(yīng)用。

2006年11月，陳水明所在的清華大學(xué)電機(jī)工程與應(yīng)用電子技術(shù)系與山東電力泰安供電公司聯(lián)手開(kāi)展“輸電線路雷擊定位及雷電特征參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”研究。2007年，該系統(tǒng)在泰安供電公司開(kāi)始試運(yùn)行，證實(shí)其性能指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，且系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠。實(shí)踐證明，該系統(tǒng)能及時(shí)監(jiān)測(cè)輸電線路雷擊定位及雷電特征參數(shù)，為電力系統(tǒng)的防雷積累雷電原始數(shù)據(jù)創(chuàng)造了條件，先后榮獲2009年度山東電力科學(xué)技術(shù)二等獎(jiǎng)、泰安市科學(xué)技術(shù)二等獎(jiǎng)，2010年獲山東省科技進(jìn)步獎(jiǎng)。

在舉世矚目的青藏鐵路工程中，陳水明也投身其間，負(fù)責(zé)起其中一個(gè)子課題——“唐古拉山-拉薩”段輸電線路防雷接地研究。

“這段輸電線路是直接為青藏鐵路沿線供電的，電壓等級(jí)不高，只有110kV。這個(gè)等級(jí)并不存在什么設(shè)計(jì)問(wèn)題。但該線路全程的3/4都處于青藏高原的多年凍土地帶，一個(gè)合格桿塔的接地裝置就非常重要，否則將影響鐵路運(yùn)行?！苯?jīng)過(guò)調(diào)查總結(jié)，陳水明發(fā)現(xiàn)：青藏鐵路沿線的雷電活動(dòng)主要集中在5～9月份，此時(shí)的雷電活動(dòng)占全年的95%以上；冰凍季節(jié)一般從11月開(kāi)始，到次年2月份結(jié)束。3月開(kāi)始出現(xiàn)融凍層，4～10月則一直維持表層土壤的融凍。根據(jù)這一氣候特征，他確定了青藏鐵路沿線地區(qū)線路防雷設(shè)計(jì)的基本原理，“我們必須充分利用季節(jié)融凍層的低電阻率特性，改善接地裝置的沖擊特性，以確保輸電線路的防雷可靠性。”繼而，他和課題組又提出了許多可行性建議，如：基于高原地區(qū)雷電活動(dòng)較為頻繁的特點(diǎn)，對(duì)110kV以上線路全程架設(shè)避雷線；采用水平放射型接地裝置，以充分利用地表低電阻率的融凍層……

面對(duì)雷電帶來(lái)的憂患意識(shí)，陳水明研究防雷、宣傳防雷，他認(rèn)為這是一個(gè)科研工作者應(yīng)盡的責(zé)任。所以，他忙碌著，也快樂(lè)。