可控放電避雷針

可控放電避雷針的保護原理  

       雷云對地面物體放電不外乎以下兩種方式：上行雷閃和下行雷閃。一般來說，下行雷閃時，先導(dǎo)自上而下發(fā)展，主放電過程發(fā)生在地面（或地面物體）附近，所以電荷供應(yīng)充分，放電過程來得迅速，造成雷電流幅值大（平均值為 30 — 44kA ），陡度高（ 24— 40kA/μ s）；上行雷閃，一般沒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/μ s）。

      上行雷閃不僅雷擊電流幅值小陡度低而且不繞擊。這是因為上行雷閃先導(dǎo)是自下而上發(fā)展的，該先導(dǎo)或者直接進入雷云電荷中心，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)在上空進行，自雷云向下的先導(dǎo)就不會延伸到被保護對象上。上行雷閃還有另外一個特點是上行先導(dǎo)對地面物體還具有屏蔽作用，可減輕放電時在地面物體上的感應(yīng)過電壓。可控放電避雷針正是利用了上行雷閃的這些特點，通過巧妙的結(jié)構(gòu)設(shè)計，使其能可靠地引發(fā)上行雷閃放電，從而達到中和雷云電荷，保護各類被保護對象的目的。

      可控放電避雷針由針頭、接地引下線、接地裝置構(gòu)成一套保護系統(tǒng)。它的針頭不是單針，而是由主針、動態(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 ) 比高層建筑更容易引發(fā)上行雷的經(jīng)驗分析得出，要成功地引發(fā)上行雷，針頭需達到以下要求：

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。

圖 1 可控放電避雷針結(jié)構(gòu)示意圖

㈡ 當需要引發(fā)上行雷閃時，針尖處的電場強度應(yīng)足夠高，以迅速產(chǎn)生放電脈沖。

下面通過對可控放電避雷針動作過程的研究說明它滿足了這兩條要求：

當可控放電避雷針安裝處附近的地面電場強度較低時（如雷云離可控放電避雷針及被保護對象距離較遠等情況），雷云不會對地面物體發(fā)生放電，此時可控放電避雷針針頭的貯能裝置處于貯存雷云電場能量工況，由于動態(tài)環(huán)的作用，針頭上部部件（動態(tài)環(huán)和主針針尖）處于電位浮動狀態(tài)，與周圍大氣電位差小，因此幾乎不發(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。

當雷云電場上升到預(yù)示它可能發(fā)生對可控針及周圍被保護物發(fā)生雷閃時，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強度不會再被動態(tài)環(huán)限制，針尖電場瞬間上升數(shù)百倍，使針尖附近空氣迅速放電，形成很強的放電脈沖，因沒有空間電荷的阻礙，該放電脈沖在雷云電場作用下快速向上發(fā)展成上行先導(dǎo)，去攔截雷云底部先導(dǎo)或進入雷云電荷中心。如果首次脈沖引發(fā)不成上行先導(dǎo)，貯能裝置即又進入貯能狀態(tài)，同時使首次脈沖形成的空間電荷得以消散，準備第二次脈沖產(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特性

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

圖 4 是在等同條件下用正極性操作波放電獲得的可控放電避雷針與富蘭克林避雷針的保護曲線。試驗時模擬雷云電極離地面高度為8.5m。

（用正操作波進行試驗更切合雷閃機理： 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 雷電放電是以分級先導(dǎo)的

方式向前推進的，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先導(dǎo)分極）。

為了嚴格地考核可控放電避雷針的保護性能，操作波試驗時沒有附加直流電場（雷電放電發(fā)展過程是，地面上方有很強的由雷云產(chǎn)生的靜電場。該電場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)果更嚴格，對于應(yīng)用更安全）。由圖 3 可知，可控放電避雷針的保護特性明顯優(yōu)于富蘭克林避雷針，就主要參數(shù)繞擊概率和保護范圍而言，是令人非常滿意的：

⑴ 可控放電避雷針有一個相當大的幾乎不遭受繞擊的保護區(qū)域。例如 當繞擊概率不大于 0.001%時（顯然在這樣的繞擊概率下，被保護對象遭繞擊的可能性是相當相當小的）保護角度高達 55° ，相比之下富蘭克林避雷針實際上幾乎沒有不受繞擊的區(qū)域。

⑵ 當被保護對象遭受繞擊概率允許達到 0.1%（目前規(guī)程規(guī)定的允許值）時，可控放電避雷針的保護角達到 66 .4° ，而富蘭克林避雷針的保護角遠遠低于此值（因此，在雷電活動強的地方應(yīng)用富蘭克林避雷針保護是不經(jīng)濟的，被保護物遭雷擊的可能性也還存在，如湖北有兩個電廠的升壓站就曾經(jīng)遭受過繞擊）。

在 可控放電避雷針和傳統(tǒng)避雷針的對比試驗中，在可控放電避雷針的針頭可以清楚地看到一段較長的直線部分，這說明在這里有向上發(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不到這一明顯直線段，無數(shù)次的實驗表明，可控放電避雷針就是靠產(chǎn)生向上放電來減少繞擊和增大保護角的。

從其它試驗數(shù)據(jù)可進一步說明可控放電避雷針的保護性是由于制造了產(chǎn)生向上放電的條件和實際上發(fā)生了向上放電所得到的結(jié)果。

試驗結(jié)果表明 :

（1）可控放電避雷針的放電時間比富蘭克林避雷針平均提前 13.3μs。

（2）模擬電場比較低時，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）在模擬電場增加到能夠啟動可控放電避雷針時，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，通過對比試驗發(fā)現(xiàn)：可控放電避雷針的引雷能力比傳統(tǒng)避雷針強得多，而且有較大的保護角，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)計要求（見表 1），35kv-500kv 的輸電線路是可以耐受此雷擊放電電流而不會跳閘，也不會造成大的感應(yīng)過電壓。

可控放電避雷針主要電氣參數(shù)特性

           (1)針高 h≤ 200m 時，保護角 65° ，相應(yīng)地面保護半徑為  2.14h，離 地面高度 hx 處水平面保護半徑為  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/μ s

(4)基本上消除了雷閃時產(chǎn)生的感應(yīng)過電壓。

(5)繞擊概率不大于十萬分之一時的保護角為 55° 。

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

 可控放電避雷針的型號及適用范圍