可控放電避雷針技術資料匯編

科學技術報告TECHNICAL REPORT可控放電避雷針技術資料匯編國網武漢高壓研究院二七年三月1目 錄一、概述 2二、可控放電避雷針研究報告 22.1 防直擊雷技術現(xiàn)狀概述 22.2 可控放電避雷針的原理 52.3 關于避雷針可控部分的設計研究 10三、可控放電避雷針試驗報告 123.1 直流靜態(tài)特性試驗 .123.2 操作沖擊電壓作用下的動態(tài)特性試驗 153.3 結論 21四、可控放電避雷針的技術說明 224.1 可控放電避雷針的保護特性 .224.2 主要電氣參數(shù)特性 244.3 安裝說明 24五、可控放電避雷針運行報告 275.1 使用情況 .275.2 運行情況 325.3 運行 效果分析 365.4 部分用戶名單 375.5 用戶意見 .42附錄 A 可控放電避雷針頂部電場強度表達式的推導 .47附錄 B 避雷針頂部電場的計算 51附錄 C 可控放電避雷針保護范圍的計算 53附錄 D 實用新型專利證書 56附錄 E 會議紀要 57參考文獻 582一、概述可控放電避雷針是國網武漢高壓研究院經長期防雷研究和大量的高壓試驗而取得的最新研究成果。該針以變化緩慢的小電流上行雷閃放電形式釋放雷云電荷，避免強烈的下行雷閃放電危害為設計基礎。通過數(shù)千次高壓放電試驗證實它引發(fā)的是上行雷，具有保護可靠性能高、范圍大，且不受保護物高度影響等特點。經專家評議認為：原理正確，設計思想新穎，保護性能好，是一種有廣泛應用前景的直擊雷防護裝置。二、可控放電避雷針研究報告2.1 防直擊雷技術現(xiàn)狀概述自富蘭克林發(fā)明避雷針以來，已有了二百多年的歷史。從它問世以后，對它的認識隨著雷電研究的深入發(fā)生了很大變化。首先是對它的保護概念的認識，經歷了從消雷到引雷的轉變。富蘭克林發(fā)明避雷針時，他認為避雷針利用尖端放電作用使大地電荷與云中電荷悄悄中和而避免形成雷電。然而實驗和運行經驗都一直在證明，避雷針根本不可能防止雷電的形成。它的保護作用只體現(xiàn)在雷擊過程中。具體地說，避雷針是通過畸變電場將雷電放電先導引向自身而達到保護的目的。其次是對避雷針保護效果的認識。避雷針高度增加，保護的有效性降低，繞擊被保護物的概率增加，甚至存在所謂“負保護”效應。3基于上述一些認識的變化，一些對防雷保護要求比較高的建筑，例如裝備有現(xiàn)代電子設備的高層建筑，希望能得到一種更有效的保護工具。最近數(shù)年來，國內外相繼出了一些改進的防直擊雷工具，如有放射性避雷針、脈沖式避雷針、動態(tài)球式避雷針、頂部展開的避雷針，主動式防雷器、驅雷器等，也包括在國內引起較大爭議的消雷器。這些避雷針為法國、澳大利亞和前蘇聯(lián)及我國等國家研制，我國一些地區(qū)在實際中也有應用。這些新的防雷工具的出現(xiàn)，學術界的褒貶不一，有的已取得了一定的運行經驗。但是，總的來說，研究新的更有效的防直擊雷裝置勢在必行。 到目前為止，恐怕誰也不會認為完全消除雷擊是可能的。其實，用引雷來達到保護的目的并不一定是一件壞事。二百多年來，富蘭克林避雷針基本成功的經驗就是有力的證明。把雷引過來，由于雷擊時會有巨大的雷電流通過，這就可能使地電位升高，造成反擊；由于雷擊還會引起強烈的電磁場變化，它會在線路和設備上感應產生過電壓和電磁干擾。但是，上述這些可能發(fā)生的情況可用其它的辦法加以控制。自 1749 年美國人富蘭克林發(fā)明避雷針（稱傳統(tǒng)避雷針）以來已有 250 多年的歷史，截止目前最常用的避雷方法基本上還是采用避雷針（避雷線） 。它的原理是：利用自身高度使雷云下的電場發(fā)生畸變，這種方式盡管簡單，但存在許多防不勝防的問題。1繞擊問題大量的研究及實踐證明，一根垂直避雷針無法獲得一個肯定的安全保護區(qū)。例如，1964 年 7 月沈陽某微波站遭到雷擊，雷擊點發(fā)生在距避雷針頂部下面 4m 的地方；莫斯科 537m 高的電視塔，雷曾繞擊塔下的 200m 的塔身，甚至打到離塔水平距離 150m 的地面上。事實上，對于避雷針的保護范圍并未得到科學界的公認，現(xiàn)行規(guī)程中的保護范圍可以說是用來決定避雷針高度與數(shù)目的工程方法，雷繞開避雷針而直接擊在被保護物上的事件是屢見不鮮的，大量運行4經驗表明，避雷針的繞擊率大約在 1%左右，可見使用避雷針時被保護物的危險性還是很大的。2反擊問題避雷針把雷引到自身的頂部后，其強大的雷電流在入地時，如果接地電阻和引下線的阻抗過高或是避雷針對保護物之間的距離小于安全距離時，會形成高電壓，造成避雷針及引下線對保護物的反擊。我國過電壓規(guī)程規(guī)定，避雷針對被保護物的空間距離 SK5m ，避雷針對保護物的接地裝置間的地中距離 Sa3m 。實際上絕大多數(shù)現(xiàn)場應用是難以實現(xiàn)的。各種電力線、電話線、廣播線、天線對避雷針及引下線的距離過近易發(fā)生絕緣擊穿而損壞；另一方面，有些裝置避雷針的接地網腐蝕嚴重，其電阻高達幾十歐（規(guī)程要求10） ，這也會造成反擊。3感應過電壓問題在強大的雷電流（數(shù)十千安上百千安）以極快的速度（微秒級）沿避雷針及引下線進入地中的過程中，會在被保護物上形成感應過電壓而造成事故。當避雷針附近有一開口的金屬環(huán)（如房屋的鋼筋沒焊好或其它原因造成開口） ，在開口處會產生電磁感應過電壓，使開口處產生火花放電，造成易燃品起火，特別是油庫、液化氣庫、火藥庫等起火爆炸。此外，還會產生靜電感應過電壓。感應過電壓造成的事故是很多的，如南方某煉油廠 1000m3 的半地下式油罐，上面覆蓋有 0.5m 厚的土層、設有獨立避雷針保護。1975 年 5 月的一次雷擊，造成整個油罐起火爆炸，1989 年 8 月山東黃島油庫的起火據(jù)分析也是由感應雷造成的。對架空輸電線路，當50m 以外落雷時，感應過電壓一般可達 250500kV，甚至更高，這也會造成部分輸電線路跳閘。感應過電壓還會造成計算機系統(tǒng)、無線及微波通訊系統(tǒng)、廣播電視系統(tǒng)、電子導航系統(tǒng)各種供電控制系統(tǒng)、氣象雷達系統(tǒng)、航空航天工業(yè)的危害，人們發(fā)現(xiàn)，往往在經過雷暴日后，大量的電子元器件不明不白地損壞了。5由于傳統(tǒng)避雷針在防雷中有以上種種防不勝防的問題，所以傳統(tǒng)避雷針不適宜用來保護易燃、易爆品及弱電設備。2.2 可控放電避雷針的原理雷云對地面物體的放電有兩種可能的形式：一是自雷云起始的向地面發(fā)展的先導引導的下行雷閃；另一是從地面高聳的物體頂端開始向雷云發(fā)展的先導引導的上行雷閃。一般地說，下行雷閃，主放電的過程自地面附近開始，電荷供應充分，因此，放電進行得比較快，放電電流幅值比較大，但放電持續(xù)的時間比較短。據(jù)雷電觀測的結果，下行雷的放電電流幅值平均值在 3044 千安范圍之內，電流上升速度在 2440 千安/微秒，放電脈沖延續(xù)的時間100 微秒。上行雷閃，一般沒有自上而下的主放電，它的放電電流是由不斷向上發(fā)展的先導過程產生，因此放電電流小，持續(xù)時間長。即使有自上而下的回擊電流，它的幅值比起下行雷來，也是小得多，因為從雷云中向主放電通道供應電荷比大地困難得多。對于上行雷，平均幅值小于 7 千安，電流上升速度小于 5 千安/ 微秒，放電持續(xù)的時間約數(shù)百分之一秒至數(shù)十分之一秒。 【1】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是自下而上發(fā)展，該先導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，自雷云向下的先導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，通過巧妙的結構設計，使其能可靠地引發(fā)上行雷閃放電，從而達到保護各類被保護對象的目的。高建筑物能夠引發(fā)上行雷，上行雷首先是在帝國大廈觀察到的。上行雷的特點之一是它總是從建筑物的最高處開始，向上發(fā)展進入云內放電。不同高度的建筑物引發(fā)上行雷的比例是不一樣的。例如，帝國大廈（380 米）引發(fā)上行雷的比例（上行雷對下行雷之比）是618：1，瑞士圣薩瓦托山（海拔 314 米）上的 70 米高鐵塔，引發(fā)比是 5：1，而莫斯科郊外的奧斯坦金電視塔（540 米）引發(fā)比是30：1。 【2】 【3】 在平原地區(qū)，可以認為 60 米以下高度的建筑物引發(fā)上行雷的可能性為 0。高建筑物之所以能夠引發(fā)上行雷是因為建筑物對雷云電場產生的巨大畸變。建筑物頂部附近的電場受到雷云電場、建筑物高度、頂部形狀的影響。在雷云電場還不是很強時，高建筑物頂部的電場就可以達到很高的值。當電場超過某個臨界值時，附近的大氣就開始放電。Pierce 用建筑物頂部與周圍大氣的電位差（所謂斷點電壓）Vd=Ea(H)dH 為說明引發(fā)上行放電的可能性。 Pierce 根據(jù)自己的觀察得出的結論：Vd 在 106 伏左右就可以引發(fā)上行雷。上式中 Ea(H)是沿建筑物高度變化的環(huán)境電場。最近 20 年來，火箭引雷得到了發(fā)展?；鸺资怯梦膊繋в袑Ь€的火箭射向雷云，將雷電引入大地的過程。在地面靜電場達到 10千伏/ 米左右（正極性雷云稍高）時發(fā)射火箭，能保證很高的引發(fā)率。由法國一個專家組引發(fā)的 48 次雷擊中，火箭飛行的高度在 50530米之間，其中一半的引發(fā)在 200 米以下。由此，不難推論出火箭引發(fā)雷的最小 Pierce 電壓為 500 千伏級。 【4】火箭和高建筑物引發(fā)的雷都具有向上發(fā)展的先導性質。但是，火箭引發(fā)上行雷的 Pierce 電壓低于靜態(tài)建筑物。靜態(tài)建筑物在能夠成功地引發(fā)上行雷擊以前，其頂部早已產生了電暈放電。電暈放電留下很多空間電荷，這些電荷屏蔽了來自雷云方向的電場作用，影響了以后的放電發(fā)展。還應該指出，這些過早出現(xiàn)的空間電荷，恰巧也是高建筑物上的避雷針有更多繞擊的原因。因為它使針尖積聚的與雷云異性的電荷減少，削弱了對雷電先導的吸引作用。在運行著的火箭周圍，只要它的飛行速度大于離子遷移率，這種起屏蔽作用的空間電荷就不可能發(fā)展。我們研究的新型避雷針充分地考慮到了這些機制，并把它融會到設計當中。新型避雷針是一種具有動態(tài)引發(fā)特性的靜態(tài)裝置，是一種高可靠的、全新型的防直擊雷工具，定名為可控放電避雷針。7這種裝置的結構簡圖如圖 2-1a 所示，實物圖如圖 2-1b 所示，由針頭，儲能控制裝置、引下導體（或金屬支架）及接地四個部分組成。針頭部分又由非線性控制單元、金屬圓環(huán)、針本體及絕緣支架四個主要元件組成，其工作原理如下：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)上行雷的經驗分析得出，要成功地引發(fā)上行雷，針頭需達到以下要求：在引發(fā)發(fā)生之前，針頭附近的空間電荷應盡量少，以便于自主針針尖向上發(fā)展放電脈沖。當需要引發(fā)上行雷閃時，針尖處的電場強度應足夠高，以迅速產生放電脈沖。下面通過對可控放電避雷針動作過程的介紹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藏雷云電場能量工況，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，貯能裝置立即轉入釋能工況，這一轉變使主針針尖的電場強度不再被動態(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，去攔截雷云底部先導或進入雷云電荷中心。如果第一次脈沖引發(fā)不成上行先導，貯能裝置即又進入貯能狀態(tài)，同時使第一次脈沖形成空間電荷得以消散，準備第二次脈沖產生。如此循環(huán)總能成功地引發(fā)上行雷。在雷云電場較低時，不可能有對地雷擊發(fā)生，避雷針不需要進入準保護狀態(tài)。此時，儲能裝置通過針頭接收雷云電場能量，針8頭電位處于浮動狀態(tài)與周圍大氣電位差小，針頭各元件基本是等電位的，因此針頭上部的電場比較均勻，其等位線分布如圖 2-2a 所示。避雷針幾乎沒有電暈。圖 2-1a 可控放電避雷針的結構原理圖圖 2-1b 可控放電避雷針的實物圖9當雷云電場上升至某個臨界值，超過這個臨界值的電場通常是被認為有可能發(fā)展自雷云至地面的放電，我們把它定為避雷針進入準保護狀態(tài)的閥值。此時，儲能控制裝置向針本體釋放吸收的能量，使針體電位產生跳躍式突升。由于針頭的結構配置，環(huán)的電位將瞬時保持原有電位不變，而使針點附近電場嚴重畸變，由于上述兩種因素的聯(lián)合作用結果，針尖頂部電場強度劇烈上升（等位線如圖 2-2b 所示） ，一個突發(fā)式的放電在沒有任何空間電荷阻礙的情況下自針尖頂部向上發(fā)展。在雷云電場足夠高時，放電將轉變?yōu)橄蛏舷葘Щ蛏闲欣住＿@種現(xiàn)象就象從針頭上發(fā)出的火箭，或者也可以用高壓試驗中的點火間隙來比擬。它可以將放電在云內或者空間發(fā)生，這種作用是由向上先導送上去的與雷云異性的電荷引發(fā)的。一次引發(fā)也可能是不成功的，多次引發(fā)總是可以成功的。在一個不成功的向上先導發(fā)展停止以后，儲能裝置立即恢復到接收能量的狀態(tài)，放電留下的殘余電荷在停歇的瞬間迅速消失，在外界電場沒有減弱的情況下，下一次動作又繼續(xù)。整個過程極短，而且在電場愈高時，動作頻率愈高，保證了引發(fā)的可靠性?？煽胤烹姳芾揍樣卯a生突發(fā)的向上先導來發(fā)揮保護作用。這種向上先導可以直接發(fā)展到云中形成上行雷，也可以在空中與正在發(fā)圖 2-2 針頭附近的電場a：針頭在儲能狀態(tài)下 等電位分布，說明電 n 場較均勻；b：針頭在準工作狀態(tài)下的等電位線分布，說明電場嚴重畸變。10展的下先先導相攔截，形成連接先導。因而可使雷擊大電流轉化為小電流，降低雷擊電流的陡度和減少繞擊。由于向上先導對地面物體的屏蔽作用，還能減輕雷擊時在地面物體上的感應電壓。2.3 關于避雷針可控部分的設計研究根據(jù)可控避雷針的工作原理，在必要的時候，需要迅速變換針頭的電場，以達到控制放電的目的。在計算避雷針頂部的電場時，我們常常用一個旋轉橢圓球體來近似考慮。 【5】對于傳統(tǒng)避雷針，它的工作過程是逐步接受雷云電場，其針頭頂部電場強度如： )1(baE而對于可控放電避雷針，它的工作過程類似于將一個旋轉導體橢圓球突然放入較強的均勻電場（如圖 2-3） ，在它的長半軸的頂部，其電場強度值為 )/)(123acthcaE其中，Ea 是環(huán)境電場， C=(a2-b2) ，a 、b1為旋轉橢球長、短軸。如果用 K 表示放入導體橢球之后電場的增長倍數(shù)，則 )/)(/123acthcaE 注：上式的理論推導過程見附錄 A。K 值與 a/b 的比值有關，比值越大 K 越大。例如當 a/b=4 時，k=13.26；a/b=10，k=49.29。在計算避雷針頂部的電場時，如避雷針底部是直接接地的，可圖 2-3 均勻電場中的旋轉導體球附近的電場11認為橢球的長半軸 a 就等于避雷針的全高 h，而在避雷針底部不接地（斷線）時，橢球的長半軸 a 等于 h/2。至于它的短半軸有時確定起來就很困難。如果一支獨立避雷針可用它的地面架構形狀的等值圓半徑。在很多情況下，利用針尖部分的曲率半徑來估算避雷針頂部的電場比用長、短軸更接近于實際。由于橢圓在頂點的曲率半徑R=b2/a，所以關于 K 的表示式，也可以換算成只含 a 和 R 的公式。從這個公式得知，如果我們能夠利用電氣的手段瞬時地改變避雷針的尺寸（即 a 和 R 的尺寸）就能達到控制避雷針針頭電場的目的，控制針頭的電場強度也就可控制放電的發(fā)展。為了說明這種控制作用的大小，我們舉一個例子。例如一支100 米高的獨立避雷針，針端的曲率半徑 5 米。此時 k=15.39。而針端的曲率半徑為 0.1 米時，則 k=317.26。如果此時雷云電場恰為10kV/m，則在后者由于電場 E=kEa=317.2610kV/m=3172.6kV/m 已超過了空氣的擊穿強度 3000kV/m，將產生放電。前者與空氣的擊穿強度相差甚遠，放電不會發(fā)生?？刂聘淖?a 和 R 的尺寸，可以大幅度控制避雷針頂部電場的變化。把避雷針針頭的電場控制在啟動前大大低于 3000kV/m 的數(shù)字及啟動后大大高于 3000kV/m 的數(shù)字是設計中的第一個考慮。其次，控制啟動時間也至關重要。啟動太早，由于環(huán)境電場尚不成熟，成功率低。啟動太晚，則可能使繞擊率上升，保護范圍縮小。根據(jù)火箭引雷的成功經驗，以地面場強 10-20kV/m 最為理想。因為此時，雷云下部的電場已足夠高，但又尚未達到自云底發(fā)展向下先導的程度，有利于使向上發(fā)展的放電轉換成向上先導。第三，控制部分可反復工作。當控制部分啟動之后，產生一個向上的火花，但有可能尚不足以轉換成向上先導。在火花熄滅之后，它必須能夠迅速轉換到啟動前的狀態(tài)。12三、可控放電避雷針試驗報告可控放電避雷針利用控制放電時間達到減少雷擊、降低雷擊電流幅值、減輕雷擊造成的二次效應和減少繞擊等一系列目的。在研制過程中進行了下述試驗：3.1 直流靜態(tài)特性試驗試驗目的是檢驗可控放電避雷針在雷云電場作用下的電暈特性和靜態(tài)擊穿特性。1、試驗裝置及接線圖 3-1 直流靜態(tài)特性試驗簡圖如圖 3-1 所示，試驗的主要設備有：直流高壓發(fā)生器，電壓 440kV，兩級串聯(lián)。600kV 直流分壓器，精度 0.5 級。數(shù)字式微安表，量程 200 A，內阻 1000。VP-5703A 記憶示波器。頻率 100MHZ，響應時間小于 3.5ns。輸入阻抗大于 10M。模擬雷云板。直徑 1.2 米，鋁制，邊緣彎園消除電暈與邊緣效應。試品為可控放電模型避雷針，針高 0.4 米。對比試驗的傳統(tǒng)避13雷針是去掉做為可控放電避雷針的所有附加裝置后做成的。它在主要尺寸與材質等方面完全與可控放電避雷針的模型相同。2、試驗方法試驗時將模擬雷云的平板電極水平懸掛于離地高度 1 米之外，保持與地面平行，防止擺動。與平板電極相對，在地面鋪設2.42.4m2 鐵板。使電極與地面間形成平面電場。做擊穿試驗時，在電極中心置一長 5cm 豎直向下的鋁絲，鋁絲與平板電極電氣連接良好。被試模型置于電極的中心位置。試驗在不同的極性電壓下進行，每種極性都用 C、F 針分別試驗一次。3、試驗結果電暈電流測量a、雷云板電極為正時電壓（kV）電暈電流（ A）針型 50 100 150 200C 0.04 5.60 22.0 100.2F 4.50 28.5 74.0 176b、雷云板電極為負時電壓電暈電流 （kV）（ A） 針型50 100 150 200 250C 0.01 5.20 24.5 48.0 98.0F 2.24 17.0 46.8 92.5 198.014靜態(tài)擊穿電壓a、雷云板電極為正時針型 C F擊穿電壓 0.913 1b、雷云板電極為負時針型 C F擊穿電壓 0.941 1上述表中所有數(shù)據(jù)均以 F 針擊穿電壓為基準計算的標么值表示。在兩種極性下的擊穿電壓，C 針分別比 F 針低 9%及 6%。電暈電流波形C 針：圖 3-2 雷云板電極為正時，C、F 針的伏安特性曲線圖 3-3 雷云板電極為負時C、F 針的伏安特性曲線15圖 3-4 C 針電暈波形照片自左至右試驗電壓增加照片的掃描速度 2 s/ divF 針：圖 3-5 F 針電暈波形照片掃描速度 2s/ div3.2 操作沖擊電壓作用下的動態(tài)特性試驗1、 試驗裝置及接線如圖 3-6 所示圖 3-6 操作沖擊動態(tài)特性試驗簡圖試驗設備包括：操作波發(fā)生器 電壓 5400kV，容量 527kJ，試驗使用波形235/2500 s。阻容分壓器 分壓比 4600/1 及 2306/1峰值電壓表 64M 型截斷時間表 66 型高壓電極 50mm 長 15m 鋼管16試品為 2.5m 高可控放電避雷針模型，環(huán)徑 0.4m。對比試驗采用高度相等針徑相同的鋼棒做為傳統(tǒng)避雷針。2、 試驗方法試驗時將高壓電極用絕緣子串豎直吊在戶外場 60m 高的龍門架上，電極下端離地高度 8.5m。電極用尼龍繩固定防止風吹擺動。電極下方的地面鋪有大面積的鋼板。操作波發(fā)生器的高壓引線連至高壓電極的上端，輸出電壓調節(jié)至間隙約有 95%的加壓次數(shù)可產生放電，以此固定電壓加壓。引雷特性試驗，在做試驗時將 C 針、F 針與高壓電極排成一直線，高壓電極位于兩針的連線中點，記錄兩針的放電數(shù)，以 C 針的放電數(shù)對 F 針的放電數(shù)之比說明引雷效果。放電時間特性試驗。試驗時試品的排列與引雷特性試驗相同，當 C 針或 F 針放電時，分別記錄放電時間，以一次試驗記下的數(shù)據(jù)為準。保護范圍試驗。試驗中，模擬被保護物用一支傳統(tǒng)避雷針（以 F1 標記） ，該針置于高壓電極的正下方，保持位置不變，移動C 針變換與 F1 針間的距離，加沖擊電壓，記下每一距離情況下 F1針的放電數(shù)，計算概率。3、 試驗數(shù)據(jù)及處理結果引雷特性試驗針間距離 4 2+2.4* 6.4擊 C 針數(shù) nc 78 12 6擊 F 針數(shù) n 32 3 5nc/n 2.44 4 1.2* F 針距中心 2m，C 針距中心 2.4m。放電時間特性試驗a) C 針儲能裝置工作試驗時間：1993 年 6 月 7 日下午氣象情況：天氣晴，氣壓 100.1Pa。干溫：27.5 。 ；濕度：22.5 。17放電情況：總放電次數(shù) 21 次。C 針 13 次，F(xiàn) 針 8 次，有 4 次截斷時間表無讀數(shù)，其中 C 針 3 次，F(xiàn) 針 1 次?，F(xiàn)將記錄的放電時間列表于后：針型 放電時間（ s）C130 141.7 122.1 114.3 138.7 135.1 113.1 148.4 141 132F 137.4 127.4 180.9 144.5 151 135.1 140.9 b) C 針儲能裝置短接試驗時間：1993 年 6 月 8 日下午氣象情況：天氣晴，氣壓 100.2 Pa。干溫：31.5 。 ；濕度：25.0。放電情況：總放電次數(shù) 16 次。其中 C 針 12 次，F(xiàn) 針 4 次，有 2次截斷時間表無讀數(shù)，兩針各 1 次?，F(xiàn)將記錄的放電時間列表于后：針型 放電時間（ s）C181.2 168.5 119.8 151.8 150.7 131.6 119.7 176.2 123.3 163.6 138.4F 136.7 121.8 128.6統(tǒng)計計算結果：儲能裝置工作C 針 T=132 微秒 n=11.26 微秒 n-1=11.89 微秒F 針 T=145.3 微秒 n=16.06 微秒 n-1=17.35 微秒儲能裝置短路C 針 T=147.7 微秒 n=21.6 微秒 n-1=22.69 微秒F 針 T=129.0 微秒 n=6.1 微秒 n-1=7.46 微秒 保護范圍試驗a) C 針，針高 2.5 米，環(huán)徑 0.4 米；F1 針，針高 1.8 米針間距 S (米) 0.75 1.1 3總放電數(shù) N 51 51 5118擊 F1 次數(shù) n 0 2 12擊 F1 概率 P 0 0.039 0.23595%的置信概率區(qū)間 00.07 0.01070.1318 0.13980.3673b) C 針不變；F1 針，針高 1.5 米針間距 S (米) 0.75 1.5 3總放電數(shù) N 49 50 50擊 F1 次數(shù) n 0 1 6擊 F1 概率 P 0 0.02 0.1295%的置信概率區(qū)間 00.0727 0.00350.1049 0.0590.2267c) 用 F 針代替 C 針，針高不變；F1 針，針高 1.8 米針間距 S (米) 0.75 1.1 3總放電數(shù) N 50 50 50擊 F1 次數(shù) n 2 11 15擊 F1 概率 P 0.04 0.22 0.3095%的置信概率區(qū)間 0.0110.1346 0.12750.352 0.1910.4375d) 按正態(tài)分布概率繪制的保護范圍4、 試驗時的放電路徑照片及分析一八為擊可控放電避雷針照片，九十為擊傳統(tǒng)避雷針照片，十一為擊地的放電路徑照片。所有的照片均在一次試驗（引雷特性試驗）中拍成。P19從照片中可看出： 除了第八張以外的所有擊可控放電避雷針的放電路徑軌跡，在靠近針頭的長長一段路徑幾乎是直線，這應該理解為向上先導的作用結果，而擊向傳統(tǒng)避雷針或地面的放電路徑軌跡沒有這種現(xiàn)象。 第八張照片上的放電路徑首先是指向傳統(tǒng)避雷針的，在達到某個高度以后，放電路徑拆轉向著可控放電避雷針并最后擊在可控放電避雷針上，說明在該場合下可控放電避雷針有比傳統(tǒng)避雷針更大的吸引作用。20圖 3-7 各種情況下的放電軌跡照片圖片說明：一八 擊可控放電避雷針九十 擊傳統(tǒng)避雷針十一 擊地照片中，高壓電極置于 C、F 針連線中點的正上方。C 針在右，F(xiàn) 針在左，兩針等高為 2.5 米，用三角架支撐并接地，針距 4 米，C針環(huán)徑 0.4 米。213.3 結論在完全相同的條件下對可控放電避雷針與傳統(tǒng)避雷針進行的對比試驗得出：1、可控放電避雷針在外部電場不太高時（低于儲能控制裝置的啟動場強） ，電暈電流很小，比傳統(tǒng)避雷針小得多。當外部電場超過啟動場強時，可控放電避雷針上的放電以高于傳統(tǒng)避雷針數(shù)倍的速度發(fā)展，最后以低于傳統(tǒng)避雷針 6%（雷云板負極性）至 9%（雷云板正極性）的放電電壓率先放電。改變啟動場強可改變可控放電避雷針進入放電的起始時間。2、可控放電避雷針有比傳統(tǒng)避雷針大得多的對下行放電先導的吸引能力（2.44 倍） ，但這種能力隨先導偏離避雷針的水平距離增加而減弱到與傳統(tǒng)避雷針一致。在試驗中當先導偏離的水平距離達到1.3 倍針高時，吸引的能力已降到 1.2 倍。3、可控放電避雷針比傳統(tǒng)避雷針有提前產生放電上行先導的能力。在我們的試驗條件下，可使放電時間平均提前 13.3 微秒。儲能控制裝置的投入是產生上述效應的關鍵。當短接儲能控制裝置時，可控放電避雷針的放電時間反而推遲。4、由試驗數(shù)據(jù)繪制的正態(tài)概率分布的繞擊率與保護范圍的曲線說明，在相同繞擊概率的情況下，可控放電避雷針的保護范圍擴大。擴大的倍數(shù)與保護物及避雷針的高度有關，也與要求的繞擊率有關。特別要指出后者，可控放電避雷針在繞擊率越低時與傳統(tǒng)避雷針的保護半徑的比值越大。22四、可控放電避雷針的技術說明4.1 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 4-1 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 8.5 m（用正操作波進行試驗更切合雷閃機理：操作波波頭上升緩慢，較接近于雷電先導與針之間空氣間隙上的電壓變化情況。雷電放電是以分級先導的發(fā)展方式向前推進的，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，以便使得到的結果更嚴格，對于應用更安全） 。23圖 4-1 可控放電避雷針與傳統(tǒng)避雷針保護范圍比較圖 4-2 可控放電避雷針與傳統(tǒng)避雷針的保護角比較由圖 4-2 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：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。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用富蘭克林避雷針保護是不經濟的，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遭受過繞擊） 。24在可控防電避雷針和傳統(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，而在富蘭克林避雷針上的放電軌跡上則見不到這一明顯直線段，可控放電避雷針就是靠產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創(chuàng)造了產生向上放電的條件和實際上產生了向上放電所得到的結果?？煽胤烹姳芾揍樀姆烹姇r間比富蘭克林避雷針平均提前13.3S。在模擬電場比較低時，可控放電避雷針的電暈電流比富蘭克林避雷針低得多，幾乎處于完全抑制狀態(tài)。在模擬電場增加到能夠啟動可控放電避雷針時，可控針產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放電的轉化。4.2 主要電氣參數(shù)特性(1)針高 h 200m 時，保護角 65（繞擊率 0.1%） ，相應地面保護半徑為 2.14h; 保護角 72（繞擊率 1%） ，相應地面保護半徑為 3.08h。(2)上行雷主放電電流幅值小(3)主放電電流的陡度5kA/s(4)基本上消除了雷閃時產生的感應過電壓。(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10（一般地區(qū)） 。30（在高阻區(qū)及無人區(qū)） 。25(7)抗風能力不低于風速 50m/s。(8)安裝方便，使用期內免維護。4.3 安裝說明可控放電避雷針可做為獨立系統(tǒng)立于各類建筑物上，安裝地點的選擇應滿足既要經濟又要保證安全的要求。用于保護輸電線路時，直接裝在桿塔頂部。在安裝可控放電避雷針的針頭時，要求動態(tài)環(huán)保持水平，主針處在鉛垂方向。自