高压脉冲大电流人工引雷装置与方法与流程

本发明涉及一种人工引雷、消雷的人工触发闪电的装置与方法，特别是一种高压脉冲大电流人工引雷装置与方法。

背景技术：

雷电是自然界非常普遍且最强的放电现象，同时产生强烈的电磁辐射。雷电以其巨大的能量和功率对人类的生产生活产生巨大影响，在信息化的当今社会雷电会严重威胁电子设备的可靠运行。人们对雷电现象的认识还远远不够，有大量的科学问题还没解决，需要进行全面深入的观测、理论研究和试验验证。但由于雷电的随机性、瞬发性和危险性，人们很难捕捉到自然雷电。于是，人们纷纷开展人工触发闪电（人工引雷）来对雷电进行研究。

目前最成熟且广泛采用的人工引雷的方法是用火箭带着金属丝触发雷电先导，引发雷电。专利文献“cn2005200782908人工引发雷电火箭发射拖线装置”、“cn2005100227124带抛伞装置的安全型人工引雷专用火箭”、“cn2007101218672一种人工引雷装置及其引雷方法”和“cn2016208495079一种改进型人工引雷专用火箭点火器”等公开的引雷方法均是这种方法。由于使用了火箭和金属丝，就需要一定的开阔场地才能实施这种方式的人工引雷。虽然有带降落伞的引雷火箭，但是还有一定的危险性，而且周围不能有居民和高压电线等。而且这种方式人工引雷的成本很高。因此用引雷火箭进行人工消雷也不太现实。由于发射火箭到触发雷电需要一定的时间，存在时间滞后，就较难提前判断发射火箭的时机，造成该方式的人工引雷成功率不是很高。

2017年1月1日，cn206379622u公开了一体化直击有源主动防护系统。通过升压模块使避雷针带高电位，从而使避雷针成为雷电优先击中的目标。但这种方案的高电压放电会在避雷针周围形成大量的电荷，这些电荷会构成电荷屏蔽层，反而不利于引雷先导的形成。

还有一些其他的人工引雷方式，比如高压水柱引雷、火焰引雷、激光引雷等等。但这些人工引雷方式均没取得突破。比较有希望且有前景的是激光引雷。但激光电离出一条引雷通道需要巨大的能量，所需成本惊人，只限于在实验室小距离的验证实验，因此目前还没有应用于自然界的人工引雷的报道。

技术实现要素：

针对现有的人工引雷技术所存在的问题和不足，本发明的目的是设计一种高压脉冲大电流人工引雷装置与方法，采用高压脉冲大电流引雷，利用激光引导结合多脉冲共同作用，激发雷电先导，触发闪电，实现人工引雷的快速、高效、安全、方便、智能控制，并降低成本。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种高压脉冲大电流人工引雷装置，包括高压脉冲大电流源和引雷器，其特征在于，高压脉冲大电流源产生的高压脉冲大电流沿着引雷器向上以脉冲的形式电离空气，产生上行先导，激发闪电；所述的引雷器包括下端连接高压脉冲大电流源的开关以及开关上端的引雷金属尖端；所述的开关在引雷时自动接通，其他时刻处于绝缘断开状态，使引雷金属尖端与大地断开，阻碍电晕的发生。

所述的高压脉冲大电流源包括依次连接的直流高压源、储能电容、电触发放电开关、极性切换开关、高压脉冲大电流变压器、均压环；所述的电触发放电开关与极性切换开关之间并接保护间隙；所述的电触发放电开关由与它连接的电触发器来触发导通；所述的极性切换开关能控制高压脉冲大电流源输出的高压脉冲大电流方向；装置的供电由防雷电源滤波器提供。

所述的引雷器中的开关为自击穿气体开关，并与均压环连接；所述的引雷金属尖端上部有均压椭球，下部穿过雷电流监测器。

所述的引雷金属尖端上部的均压椭球有向上引导激光输出口，所述的均压环下面有向下引导激光输出口，分别通过全介质光缆与激光器连接，能发出引导激光。

引雷动作由自动控制器控制，自动控制器分别与数据采集存储处理系统、直流高压源、电触发器、极性切换开关、激光器连接；所述的自动控制器和数据采集存储处理系统均加装电磁屏蔽壳，装置的所有输入输出线均进行防电磁脉冲处理。

所述的数据采集存储处理系统通过全介质光缆与它供能的雷电流监测器连接，通过无线电与大气电场仪连接，采集雷电流数据和大气电场数据，对数据进行处理，并能够自适应智能学习，优化各种引雷动作的启动阈值。

所述的激光器能通过向上引导激光输出口输出激光，引导高压脉冲大电流向上电离空气；所述的高压脉冲大电流源能产生多脉冲，使后续的脉冲沿着前面脉冲所电离的通道继续往上电离。

如果引雷的目的不是消雷，引雷先导形成后，自动控制器控制激光器从向下引导激光输出口输出激光，旁路雷电流，不流过高压脉冲大电流变压器；如果引雷的目的是消雷，引雷先导形成后，雷电流流过高压脉冲大电流变压器，起到阻碍作用，降低雷电流峰值及雷电流的变化率，降低雷电脉冲的危害。

用高压脉冲大电流人工引雷装置触发地闪的方法如下：

（1）设置人工引雷的大气电场条件和多脉冲电流控制阈值条件；

（2）自动控制器根据大气电场仪监测结果启动直流高压源对储能电容进行充电，并调整极性切换开关，使输出的脉冲电流方向更适合于人工触发雷电先导；

（3）根据大气电场的幅值和跳变是否满足预设条件，自动控制器控制激光器向上输出激光，并通过电触发器控制电触发放电开关导通，将储能电容中的电能经过高压脉冲大电流变压器升压后输出高压脉冲大电流，高压脉冲大电流自动击穿自击穿气体开关，沿着引雷金属尖端和向上射出激光引导的路径产生流注，激发雷电先导；

（4）根据雷电流监测器监测的雷电流，如果没达到预定的雷电流峰值，说明引雷还没成功，需要进行多脉冲引雷，自动控制器控制直流高压源进行反复充电，对激光引导的通道进行多脉冲注入，直到引雷成功或达到预设的脉冲次数；

（5）引雷成功后，如果引雷的目的是消雷，雷电流沿着高压脉冲大电流变压器的次级线圈流向大地，次级线圈的电感起到减缓和减小雷电流的作用，达到消雷的目的；如果引雷的目的不是消雷，则雷电流监测器监测到雷电先导形成后，自动控制器控制激光器向下发出引导激光，旁路雷电流不从高压脉冲大电流变压器流过；

（6）数据采集存储处理系统收集每次人工引雷的数据，自适应智能学习并调整引雷的条件和阈值，提高引雷的成功率。

本发明的人工引雷原理如下：

传统的地面凸起物，包括避雷针等，在一定强度的大气电场作用下会出现尖端电晕放电，在周围形成带电的电荷屏蔽层，阻碍雷电的上行先导形成，因地面尖端很难主动引起上行先导，只有在非常高的高楼或高塔等才有可能形成上行先导引发雷电。传统的带金属丝的人工引雷火箭速度必须大于一定值后才可能引雷成功。这是因为只有火箭速度大于特定值后，其头部才不会有充足的时间电晕产生足够的电荷屏蔽层，才有可能出现始发流光的强电场，促使人工引雷的成功。本发明采用高压脉冲大电流来引雷，并在高压脉冲大电流变压器的次级高压输出端加装一个均压环防止电晕产生电荷屏蔽层。进一步为了防止尖端放电，引雷金属尖端不与均压环直接连接，而是通过自击穿气体开关与均压环连接，这样在自然界的大气电场作用下引雷金属尖端不会产生电晕放电，避免了电荷屏蔽层的出现。本发明采用高压脉冲大电流产生足够的电离能量，激发上行先导。为了进一步确保高压脉冲大电流电离空气的方向指向雷暴云，本发明用激光往上照射来引导。虽然所用的激光不足以电离出一条雷电通道，但它足以引导高压脉冲大电流往上对空气电离，确保产生上行的雷电先导，从而引发雷电。为了使高压脉冲大电流的作用与自然雷暴云电场的作用一致，增强引雷效果，就要使高压脉冲大电流的极性与雷暴云的电荷极性相反，这样它们能够相互吸引，更易于发展上行先导，本发明采用大气电场仪探测雷暴云的电场极性，由自动控制器控制极性转换开关，使高压脉冲大电流与雷暴云电荷的电极性相反。如果单次脉冲不足以电离出足够长的雷电先导，本发明进一步采用多脉冲的方法，使后面的脉冲沿着前面脉冲所电离的通道继续往上电离，直到雷电流监测器检测到引雷成功（先导电流峰值大于某个预设阈值），或者大气电场仪检测到雷暴电荷团消失，或者达到预设的脉冲次数（引雷失败）。如果引雷的目的是消雷，所引下的雷电流流过高压脉冲大电流变压器的次级线圈，在其初级线圈也会出现高压，可能导致储能电容过电压受损。为了保护储能电容，加装了保护间隙，当雷电引起的电压超过储能电容的工作电压时，保护间隙动作，将雷电过电压旁路，保护储能电容。

数据采集存储处理系统收集每次人工引雷成功与不成功的信息，通过自适应智能学习调整引雷的条件和阈值，提高引雷的成功率。

本发明与现有技术相比，其显著优点是：

1、不需要很大的引雷场地。

2、大大提高了安全性，不存在火箭掉下来的危险，或者引雷不成功时金属丝造成的危害（尤其对电力系统的危害）。

3、没有火箭的一次性使用限制，设备能重复使用，每次引雷的成本非常低，只是简单的充放电。

4、采用脉冲放电的形式克服了电晕产生的电荷屏蔽层的影响。

5、采用高压脉冲大电流和激光引导相结合技术，不需要巨大的激光能量，大大降低成本。

6、采用多脉冲技术和自适应人工智能技术提高引雷的成功率。

7、采用自动控制器来控制，提高自动化水平。

附图说明

图1是本发明的高压脉冲大电流人工引雷装置原理图；

图2是本发明的引雷相关部件图；

图3是本发明的脉冲发生相关部件图；

图4是本发明的自动控制相关部件图；

图5是本发明的数据采集存储处理相关部件图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式来对本发明作进一步详细说明。

实施例：参考图1，高压脉冲大电流人工引雷装置，包括大气电场仪1、防雷电源滤波器3、直流高压源11、储能电容10、电触发器9、电触发放电开关12、极性切换开关6、保护间隙8、高压脉冲大电流变压器4、绝缘支撑筒5、均压环24、自击穿气体开关17和引雷金属尖端20构成的引雷器、由罗氏线圈18和光纤传输系统21构成的雷电流监测器、激光器14、全介质光缆15、全介质光缆16、全介质光缆22、全介质光缆23、向上引导激光输出口19、向下引导激光输出口13、自动控制器7、数据采集存储处理系统2。依次连接直流高压源11、储能电容10、电触发放电开关12、极性切换开关6、高压脉冲大电流变压器4、均压环24、自击穿气体开关17、引雷金属尖端20。所述的电触发放电开关12和极性切换开关6之间并接保护间隙8。所述的电触发器9与电触发放电开关12连接。所述的高压脉冲大电流变压器4安装在绝缘支撑筒5内。向上引导激光输出口19安装在引雷金属尖端20的均压椭球上，向下引导激光输出口13安装在均压环24下面，激光器14通过全介质光缆分别与向上引导激光输出口19、向下引导激光输出口13连接。自动控制器7分别与数据采集存储处理系统2、直流高压源11、电触发器9、极性切换开关6、激光器14连接。数据采集存储处理系统2通过全介质光缆22与雷电流监测器连接，通过无线电与大气电场仪1连接，采集雷电流数据和大气电场数据，对数据进行处理，并能够自适应智能学习，优化各种引雷动作的启动阈值。所述的雷电流监测器由数据采集存储处理系统2通过全介质光缆23提供能量。整个装置除引雷金属尖端20和均压环24以外，其他部件均要作防水处理。

自动控制器7能够接收数据采集存储处理系统2传送的采集信息和各种阈值，并控制储能电容10的充电、电触发器9的触发、极性切换开关6的切换、激光器14通过全介质光缆16和向上引导激光输出口19向上输出引导激光，或通过全介质光缆15和向下引导激光输出口13向下输出引导激光。

大气电场仪1离开引雷点100m以上，数据传输以无线电信号方式进行。如果有条件，可以将多个大气电场仪以无线电方式分布组网，提供更准确可靠的大气电场数据。

引雷金属尖端20，经自击穿气体开关17与高压脉冲大电流变压器4次级高压端的均压环24连接，处于浮地状态，当高压脉冲大电流变压器4输出引雷高压脉冲大电流时，自击穿气体开关17自动导通，高压脉冲大电流从引雷金属尖端20沿着向上引导的激光电离空气产生上行先导。

防雷电源滤波器3给装置供电；自动控制器7和数据采集存储处理系统2均加装电磁屏蔽壳，装置所有输入输出线均进行防电磁脉冲处理。

如果引雷的目的不是消雷，引雷先导形成后，自动控制器7控制向下引导激光输出口13输出激光，旁路雷电流，不流过高压脉冲大电流变压器4。

如果引雷的目的是消雷，引雷先导形成后，雷电流流过高压脉冲大电流变压器4，起到阻碍作用，降低雷电流峰值及雷电流的变化率，降低雷电脉冲的危害。

为了更清楚地说明本实例，将整个装置主要部件分成四个相关部分，如图2~图5所示。

参考图2，高压脉冲大电流变压器4次级输出的高压脉冲大电流流经均压环24、自击穿气体开关17和引雷金属尖端20，沿着向上引导激光往上对空气电离产生上行先导。

参考图3，直流高压源11对储能电容10进行充电，电触发器9触发电触发放电开关12，储能电容10放电，经极性切换开关6产生脉冲大电流。

参考图4，自动控制器7能够控制激光器14、直流高压源11、电触发器9和极性切换开关6，按照引雷需要执行相应动作。

参考图5，数据采集存储处理系统2能够接收雷电流监测器以全介质光缆22传来的雷电流信号，接收大气电场仪1以无线电形式传来的大气电场信号，进行采集存储雷电流信号和大气电场信号，并对数据进行处理，还可以根据引雷的是否成功进行自适应智能学习，修改引雷参数。数据采集存储处理系统2给自动控制器7传送各种数据，并能通过全介质光缆23给雷电流监测器的光纤传输系统21以激光的形式提供能量。光纤传输系统21能将激光能量转换成电能利用。

用高压脉冲大电流人工引雷装置触发地闪的方法如下：

（1）设置人工引雷的大气电场条件和多脉冲电流控制阈值条件；

（2）自动控制器根据大气电场仪监测结果启动直流高压源对储能电容进行充电，并调整极性切换开关，使输出的脉冲电流方向更适合于人工触发雷电先导；

（3）根据大气电场的幅值和跳变是否满足预设条件，自动控制器控制激光器向上输出激光，并通过电触发器控制电触发放电开关导通，将储能电容中的电能经过高压脉冲大电流变压器升压后输出高压脉冲大电流，高压脉冲大电流自动击穿自击穿气体开关，沿着引雷金属尖端和向上射出激光引导的路径产生流注，激发雷电先导；

（4）根据雷电流监测器监测的雷电流，如果没达到预定的雷电流峰值，说明引雷还没成功，需要进行多脉冲引雷，自动控制器控制直流高压源进行反复充电，对激光引导的通道进行多脉冲注入，直到引雷成功或达到预设的脉冲次数；

（5）引雷成功后，如果引雷的目的是消雷，雷电流沿着高压脉冲大电流变压器的次级线圈流向大地，次级线圈的电感起到减缓和减小雷电流的作用，达到消雷的目的；如果引雷的目的不是消雷，则雷电流监测器监测到雷电先导形成后，自动控制器控制激光器向下发出引导激光，旁路雷电流不从高压脉冲大电流变压器流过；

（6）数据采集存储处理系统收集每次人工引雷的数据，自适应智能学习并调整引雷的条件和阈值，提高引雷的成功率。

当然上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此技术领域的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明主要技术方案的精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。