系留气球雷电防护设计

摘 要：随着系留气球设计技术的逐渐成熟，出于安全性、可靠性考虑，系留气球防雷设计越来越受到重视。根据国内系列系留气球的设计经验，对系留气球的常规防雷设计方法进行了总结，以作为防雷设计参考。

关键词：系留气球；防雷；系留缆绳；地面设施

1 概述

系留气球作为一种浮空器，通过气囊内部充灌升力气体（氢气或氦气），使得空气浮力（静升力）超过自身重力，从而升空工作，升空以后被系留缆绳约束在固定区域。一般工作在海拔4000米以下的空中，高空中气象环境比较复杂，系留气球系统停留在高空，遇到恶劣天气，遭受雷击的概率比较高。可靠的系留气球系统防雷保护是系统安全运行的前提。

2 系留气球防雷要求

2.1 常规系留气球组成

系留气球一般由升空部分（球体）、系留缆绳和地面系留设施组成。

升空工作时，球体通过系留缆绳与地面系留设施连接，定点停留在空中某一区域内。（如图1）

2.2 系留气球防雷要求

系留气球的防雷设计是一个综合性工程。对于系留气球，雷电防护设计应考虑4个部分：（1）雷电附着防护设计；（2）雷电直接效应防护设计；（3）雷电间接效应防护设计；（4）地面设备及人员安全防护设计。

文章主要探讨系留气球的雷电附着防护设计、雷电直接效应防护和地面设备及人员安全防护设计，雷电间接效应防护主要通过对设备和接口进行二次防雷设计实现。

参照系留气球的组成部分，整套系统的防雷需要从3个部分考虑：球体、系留缆绳、地面系留设施。

2.3 系留气球防雷设计依据

系留气球雷电防护没有专用的参照标准。因同时具备升空设备和地面设备，在进行防雷设计时，可以借鉴飞机雷电防护和地面建筑物雷电防护相关标准，常用的主要有：

（1）国标：GB 50057-2010《建筑物防雷设计规范》；（2）国军标：GJB 3567-1999《军用飞机雷电防护鉴定试验方法》；（3）IEC关于地面建筑雷电防护设计的相关标准。

3 球体防雷设计

3.1 球体在空中年遭雷击次数估算

3.1.1 估算方法

球体在空中遭雷击的次数n主要由环境因素、雷击有效面积和时间系数决定。可通过经验公式估算：

n=N・K・S （1）

式中：N为环境因素；K为时间系数；S为雷击有效面积。

3.1.2 环境因素

环境因素N反映的是系留气球所在地雷电发生频率。这一因素通常用该地区单位面积上年平均遭雷击次数来表示。对在空中的飞行器来说，雷击次数n是由一年中“云-地”雷电雷击总次数n云地、云间和云内雷电的雷击总次数n云云累加得到的。

由于系留气球工作高度一般在4000米以下，所以通常只考虑“云-地”雷电雷击总次数n云地。n云地与系留气球工作所在地的雷击天数D天或雷击时数D时有关，两者的关系式为D时=（2～3）・D天。D天和n云地之间的对应关系见表1。

表1 一年中“云-地”雷电雷击总次数与雷击天数对应关系

3.1.3 时间系数

时间系数K表示系留气球的使用率，计算公式为：

K=T滞空/T年 （2）

式中：T滞空为一年内气球滞留在空中的时间；T年为一年的总时间

3.1.4 雷击有效面积

雷击有效面积S取决于物体的几何和结构特征。雷击有效面积可通过经验公式计算：

S=100・L2 （3）

式中：L为系留气球的最大尺寸，一般指系留气球的总长。

3.2 防雷形式的选择

系留气球虽然也是一种飞行器，但与一般飞机完全不同。一般飞机都是全金属外壳，且具备大量金属骨架，具备理想的雷电防护条件，只要通过一些不太复杂的设计，就可以实现雷电流的泄放。当飞机遭遇雷电时，雷电流从一个尖端进入后，能快速从另一个尖端泄放，其金属骨架和外壳不但能够承受强大雷电流冲击，还能起到屏蔽作用，保护飞机内部的设备不受雷电流的电磁感应干扰。而系留气球的球体一般采用纤维材料，不具备导电性，防雷设计时就不能沿用飞机防雷的设计方法。

当系留气球的尺寸较小时，可以考虑采用避雷针的方式进行雷电防护，但是目前国内外具备长时间留空能力的系留气球产品中，都是体积和尺寸偏大，采用避雷针的防护方式很难对整个球体覆盖完全，所以对常规系留气球进行雷电防护设计时，要综合考虑球体尺寸、材料与防雷装置的布置安装。参照建筑物的防雷设计原理，选择笼式避雷网对整个球体进行雷电保护比较合适。采用笼式避雷网主要优点有：

（1）雷电防护范围可以对系留气球产品全面覆盖。（2）可以避免球体受到闪电侧击，雷击“绕击”的危险。采用避雷针、消雷器等方式不具有这种优点。（3）可以起到良好的屏蔽作用。笼式避雷网虽然难以完全隔离闪电的脉冲电磁场的侵入，但是能够非常有效地削弱雷电磁场，对球载仪器设备起到了保护作用。

3.3 防雷设计

3.3.1 避雷网的布置

笼式避雷网就是在系留气球外表设计一层金属网架。由于气球材料一般不抗雷电，雷电导致避雷网产生过热易损坏球皮，此外避雷网熔化物可能导致避雷网与电荷通路的基座接触从而损坏球皮，所以避雷网不能直接安装在球皮表面，需使用绝缘支座将避雷网支离球皮表面适当距离，距离大小根据球体大小和防雷电强度进行选择。这样避雷网可以使来自气球上方的雷电先行直接附着，从而保护暴露在球皮表面的金属件免于雷电直接附着。

避雷网结构主要由支座和避雷索组成，球体上布置要求是能使整个球体处于避雷网的保护之中。因为系留点处汇流环是一个现成的避雷装置，所以避雷网的分布主要考虑球体上部。用于支撑避雷网的支座数目根据球体尺寸和其表面张力大小确定。系留气球防雷设计典型布置如图2所示。

3.3.2 避雷索的设计

（1）材料选择

避雷索材料选择要求：避雷索由于雷电电流通过而产生的过热与单位能量 i2dt（J/？赘）成比例，过热不应使其温度高于极限温度，避雷索不会由于过热导致其熔化、软化或失去机械硬度。

铜、钢、不锈钢等材料制成的金属索都可用做避雷索，选取时还需综合考虑其外部使用环境和机械性能。建议使用不锈钢或带抗腐蚀涂层的钢作为避雷索。

（2）避雷索直径的计算

将导电过程视为绝缘的，避雷索的横截面面积必须满足下式要求：

（4）

式中，？籽为电阻率，单位为？赘・mm2/m； i2dt为单位能量，单位为J/？赘；a为密度，单位为g/cm3；c为比热容，单位为J/g・K；T为允许的过热度，单位为K。

4 系留缆绳防雷设计

4.1 系留缆绳结构形式

系留缆绳是系固气球和向球载设备供电的关键设备，对拉力、重量、防雷等方面有很高的要求。主要功能有：承受系留载荷、电力传输、防雷击保护（提供雷电泄放通路）；还可以内含光纤提供通信通道。

4.2 系留缆绳年雷击次数估算

计算雷击缆绳次数时也只需考虑“云-地”雷击。参照公式（1），环境因素N、时间因素K的计算选择与球体相同，为了计算雷击缆绳的有效面积S索，假设雷击缆绳集中在边长为A和B的长方形面积上。

S索=A・B （5）

式中，边长A由缆绳长度和气球工作高度决定；边长B等于气球最大半径的100倍。

代入公式（1），就可估算出系留缆绳年雷击次数。

4.3 系留缆绳泄雷设计

一般系留缆绳都将雷电泄放线设计成网状结构，其截面积大小根据防雷要求、雷电泄放线材料特性和系留缆绳允许过热可以计算得到。

雷击系留缆绳时，由于电流经过雷电泄放线会引起过热，雷击处雷电泄放线将被侵蚀，过热取决于单位能量：

（6）

式中，im为雷电电流；tm为电流持续时间。

参照雷电泄放线材料特性和系留缆绳允许过热，即可计算出最小截面积要求。

5 地面系留设施防雷设计

地面设施防雷设计相对比较简单，就是需要做好接地设施，主要注意事项如下：

（1）建立良好的接地系统，使接地电阻尽量小，地电位衰减尽量平坦。

（2）雷电泄放线必须经电缆绞盘良好接地，中间不允许有任何断裂和缝隙。

（3）地面工作舱必须是金属外壳，并良好接地，形成法拉第屏蔽，使舱内电位为零，保证工作人员安全。

（4）雷雨天气工作人员必须呆在工作舱内。如必须走出舱外，则应注意雷击时跨步电压的伤害，尤其不允许站在地面上而手却接触到车上已接地的金属体，必要时可在舱外铺设金属板形成等电位通道。

6 结束语

系留气球的雷电防护系统用来接收雷电并通过系留缆绳的泄雷网将其传递到地面系留设施的接地回路中，以保证球体和缆绳结构免受损伤，保证球上设备和地面设备的正常工作。此外，它还起到保护气球系统免受静电影响的作用。

根据上述设计思路，对实际情况加以分析、计算，基本上可以为所设计的系留气球设计出满足使用要求的雷电防护系统。

同时，由于雷电具有很大的不确定性，从安全性考虑，应尽量避免设备遭受雷击，在系留气球的使用过程中，可以通过气象预报避免在雷暴天气升空、地面采用避雷塔保护等措施，降低设备遭受雷击概率。

参考文献

[1]机械工业部.GB50057-94（2000年）.建筑物防雷设计规范[S].北京：中国计划出版社，2000.

[2]国防科学技术工业委员会.GJB3567-1999.军用飞机雷电防护鉴定试验方法[S].北京：航空工业部第三一研究所出版社，1999.

[3]国际电工委员会IEC/TC81防雷技术分会.IEC61024-1-1990.建筑物的雷电防护[S].1990.

[4]胡俊霞，李书岭，王红兴.笼式避雷网的防雷优点[J].河南气象，2002（2）：33.

作者简介：毛伟文，男，毕业于南京航空航天大学飞行器设计专业，现为中国电子科技集团公司第三十八研究所高级工程师，主要研究方向为浮空器总体设计。