可控放電避雷針

可控放電避雷針的保護(hù)原理  

雷云對(duì)地面物體放電不外乎以下兩種方式：上行雷閃和下行雷閃。一般來(lái)說(shuō)，下行雷閃時(shí)，先導(dǎo)自上而下發(fā)展，主放電過(guò)程發(fā)生在地面（或地面物體）附近，所以電荷供應(yīng)充分，放電過(guò)程來(lái)得迅速，造成雷電流幅值大（平均值為30—44kA），陡度高（24—40kA/μs）；上行雷閃，一般沒(méi)有自上而下的主放電，它的放電電流由不斷向上發(fā)展的先導(dǎo)過(guò)程產(chǎn)生，即使有主放電因雷云向主放電通道供應(yīng)電荷困難，所以放電電流幅值小（平均小于7kA），且陡度低（小于5kA/μs）。  

上行雷閃不僅雷擊電流幅值小陡度低而且不繞擊。這是因?yàn)樯闲欣组W先導(dǎo)是自下而上發(fā)展的，該先導(dǎo)或者直接進(jìn)入雷云電荷中心，或者攔截自雷云向下發(fā)展的先導(dǎo)，這樣中和雷云電荷的反應(yīng)在上空進(jìn)行，自雷云向下的先導(dǎo)就不會(huì)延伸到被保護(hù)對(duì)象上。上行雷閃還有另外一個(gè)特點(diǎn)是上行先導(dǎo)對(duì)地面物體還具有屏蔽作用，可減輕放電時(shí)在地面物體上的感應(yīng)過(guò)電壓。可控放電避雷針正是利用了上行雷閃的這些特點(diǎn)，通過(guò)巧妙的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使其能可靠地引發(fā)上行雷閃放電，從而達(dá)到中和雷云電荷，保護(hù)各類(lèi)被保護(hù)對(duì)象的目的。  

可控放電避雷針由針頭、接地引下線、接地裝置構(gòu)成一套保護(hù)系統(tǒng)。它的針頭不再是單針，而是由主針、動(dòng)態(tài)環(huán)、貯能裝置組成（圖1）  

根據(jù)尾部帶金屬線的火箭(火箭引雷試驗(yàn))比高層建筑更容易引發(fā)上行雷的經(jīng)驗(yàn)分析得出，要成功地引發(fā)上行雷，針頭需達(dá)到以下要求：  

㈠在引發(fā)的上行雷發(fā)生之前，針頭附近的空間電荷應(yīng)盡量少，以便于自主針針尖向上發(fā)展放電脈沖。  

㈡當(dāng)需要引發(fā)上行雷閃時(shí)，針尖處的電場(chǎng)強(qiáng)度應(yīng)足夠高，以迅速  

產(chǎn)生放電脈沖。  

下面通過(guò)對(duì)可控放電避雷針動(dòng)作過(guò)程的研究說(shuō)明它滿足了這兩條要求：  

當(dāng)可控放電避雷針安裝處附近的地面電場(chǎng)強(qiáng)度較低時(shí)（如雷云離可控放電避雷針及被保護(hù)對(duì)象距離較遠(yuǎn)等情況），雷云不會(huì)對(duì)地面物體發(fā)生放電，此時(shí)可控放電避雷針針頭的貯能裝置處于貯存雷云電場(chǎng)能量工況，由于動(dòng)態(tài)環(huán)的作用，針頭上部部件（動(dòng)態(tài)環(huán)和主針針尖）處于電位浮動(dòng)狀態(tài)，與周?chē)髿怆娢徊钚。虼藥缀醪话l(fā)生電暈放電，即保證了在引發(fā)發(fā)生前針頭附近的空間電荷很少的要求。  

當(dāng)雷云電場(chǎng)上升到預(yù)示它可能發(fā)生對(duì)可控針及周?chē)槐Ｗo(hù)物發(fā)生雷閃時(shí)，貯能裝置立即轉(zhuǎn)入釋能工況，這一轉(zhuǎn)變使主針針尖的電場(chǎng)強(qiáng)度不再被動(dòng)態(tài)環(huán)限制，針尖電場(chǎng)瞬間上升數(shù)百倍，使針尖附近空氣迅速放電，形成很強(qiáng)的放電脈沖，因沒(méi)有空間電荷的阻礙，該放電脈沖在雷云電場(chǎng)作用下快速向上發(fā)展成上行先導(dǎo)，去攔截雷云底部先導(dǎo)或進(jìn)入雷云電荷中心。如果一次脈沖引發(fā)不成上行先導(dǎo)，貯能裝置即又進(jìn)入貯能狀態(tài)，同時(shí)使一次脈沖形成的空間電荷得以消散，準(zhǔn)備第二次脈沖產(chǎn)生。如此循環(huán)總能成功地引發(fā)上行雷。  

可控放電避雷針的保護(hù)特性  

為了驗(yàn)證可控放電避雷針是否達(dá)到了設(shè)計(jì)目的，我們用正極性操作波和直流分別進(jìn)行了一系列試驗(yàn)。  

試驗(yàn)時(shí)模擬雷云電極離地面高度為8.5m。  

（用正操作波進(jìn)行試驗(yàn)更切合雷閃機(jī)理：①操作波波頭上升緩慢，較接近  

于雷電先導(dǎo)與針之間空氣間隙上的電壓變化情況。②雷電放電是以分級(jí)先導(dǎo)的  

方式向前推進(jìn)的，用正極性操作波是為了在模擬電極與針之間的間隙中使放電有幾個(gè)先導(dǎo)分極）。  

為了嚴(yán)格地考核可控放電避雷針的保護(hù)性能，操作波試驗(yàn)時(shí)沒(méi)有附加直流電場(chǎng)（雷電放電發(fā)展過(guò)程是，地面上方有很強(qiáng)的由雷云產(chǎn)生的靜電場(chǎng)。該電場(chǎng)作用于可控放電避雷針的貯能裝置，可保證針頭能夠連續(xù)發(fā)出一系列脈沖，提高引發(fā)上行雷的成功率，以便使得到的結(jié)果更嚴(yán)格，對(duì)于應(yīng)用更安全）。由圖3可知，可控放電避雷針的保護(hù)特性明顯優(yōu)于富蘭克林避雷針，就主要參數(shù)繞擊概率和保護(hù)范圍而言，是令人非常滿意的：  

⑴可控放電避雷針有一個(gè)相當(dāng)大的幾乎不遭受繞擊的保護(hù)區(qū)域。例  

如當(dāng)繞擊概率不大于0.001%時(shí)（顯然在這樣的繞擊概率下，被保護(hù)對(duì)象遭繞擊的可能性是相當(dāng)相當(dāng)小的）保護(hù)角度高達(dá)55°，相比之下富蘭克林避雷針實(shí)際上幾乎沒(méi)有不受繞擊的區(qū)域。  

⑵當(dāng)被保護(hù)對(duì)象遭受繞擊概率允許達(dá)到0.1%（目前規(guī)程規(guī)定的允許值）時(shí)，可控放電避雷針的保護(hù)角達(dá)到66.4°，而富蘭克林避雷針的保護(hù)角遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于此值（因此，在雷電活動(dòng)強(qiáng)的地方應(yīng)用富蘭克林避雷針保護(hù)是不經(jīng)濟(jì)的，被保護(hù)物遭雷擊的可能性也還存在，如湖北有兩個(gè)電廠的升壓站就曾經(jīng)遭受過(guò)繞擊）。  

在可控放電避雷針和傳統(tǒng)避雷針的對(duì)比試驗(yàn)中，在可控放電避雷針的針頭可以清楚地看到一段較長(zhǎng)的直線部分，這說(shuō)明在這里有向上發(fā)展的先導(dǎo)，而在富蘭克林避雷針的針頭上的放電軌跡上則見(jiàn)不到這一明顯直線段，無(wú)數(shù)次的實(shí)驗(yàn)表明，可控放電避雷針就是靠產(chǎn)生向上放電來(lái)減少繞擊和增大保護(hù)角的。  

從其它試驗(yàn)數(shù)據(jù)可進(jìn)一步說(shuō)明可控放電避雷針的保護(hù)性是由于創(chuàng)造了產(chǎn)生向上放電的條件和實(shí)際上發(fā)生了向上放電所得到的結(jié)果。  

試驗(yàn)結(jié)果表明:  

（1）可控放電避雷針的放電時(shí)間比富蘭克林避雷針平均提前13.3μs。  

（2）模擬電場(chǎng)比較低時(shí)，可控放電避雷針的電暈電流比富蘭克林避雷針低得多，幾乎處于抑制狀態(tài)。  

（3）在模擬電場(chǎng)增加到能夠啟動(dòng)可控放電避雷針時(shí)，可控放電避雷針產(chǎn)生的是脈沖式電暈放電電流，其電暈電流幅值比富蘭克林避雷針大好幾十倍，但電暈電流的平均值比后者小，這有利于從電暈向先導(dǎo)電弧的轉(zhuǎn)化。  

需要指出的是可控放電避雷針特別適合高壓輸電線路的防雷，通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：可控放電避雷針的引雷能力比傳統(tǒng)避雷針強(qiáng)得多，而且有較大的保護(hù)角，這樣就可以降低輸電線路的繞擊率，另一方面由于可控放電避雷針的主放電電流幅值小、陡度低,根據(jù)輸電線路耐雷水平的設(shè)計(jì)要求（見(jiàn)表1），35kv-500kv的輸電電線路是可以耐受此雷擊放電電流而不會(huì)跳閘，也不會(huì)造成大的感應(yīng)過(guò)電壓。

可控放電避雷針主要電氣參數(shù)特性  

(1)針高h(yuǎn)≤200m時(shí)，保護(hù)角65°，相應(yīng)地面保護(hù)半徑為2.14h，  

離地面高度hx處水平面保護(hù)半徑為2.14（h—hx）。  

(2)主放電電流的平均幅值小于7kA。  

(3)主放電電流的陡度≤5kA/μs  

(4)基本上消除了雷閃時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)過(guò)電壓。  

(5)繞擊概率不大于十萬(wàn)分之一時(shí)的保護(hù)角為55°。  

(6)接地電阻≤10Ω（一般地區(qū)）、≤30Ω（在高阻區(qū)及無(wú)人區(qū)）。  

(7)抗風(fēng)能力不低于風(fēng)速50m/s。  

(8)安裝方便，使用期內(nèi)免維護(hù)。  

可控放電避雷針的型號(hào)及適用范圍