可控放电避雷针技术资料汇编.doc

科学技术报告TECHNICAL REPORT可控放电避雷针技术资料汇编国网武汉高压研究院二七年三月目 录一、概述2二、可控放电避雷针研究报告22.1 防直击雷技术现状概述22.2 可控放电避雷针的原理52.3 关于避雷针可控部分的设计研究10三、可控放电避雷针试验报告123.1直流静态特性试验123.2 操作冲击电压作用下的动态特性试验153.3 结论21四、可控放电避雷针的技术说明224.1可控放电避雷针的保护特性224.2 主要电气参数特性244.3 安装说明24五、可控放电避雷针运行报告275.1使用情况275.2 运行情况325.3 运行效果分析365.4 部分用户名单375.5用户意见42附录A可控放电避雷针顶部电场强度表达式的推导47附录B 避雷针顶部电场的计算51附录C 可控放电避雷针保护范围的计算53附录D 实用新型专利证书56附录E 会议纪要57参考文献58一、概述可控放电避雷针是国网武汉高压研究院经长期防雷研究和大量的高压试验而取得的最新研究成果。该针以变化缓慢的小电流上行雷闪放电形式释放雷云电荷，避免强烈的下行雷闪放电危害为设计基础。通过数千次高压放电试验证实它引发的是上行雷，具有保护可靠性能高、范围大，且不受保护物高度影响等特点。经专家评议认为：原理正确，设计思想新颖，保护性能好，是一种有广泛应用前景的直击雷防护装置。二、可控放电避雷针研究报告2.1 防直击雷技术现状概述自富兰克林发明避雷针以来，已有了二百多年的历史。从它问世以后，对它的认识随着雷电研究的深入发生了很大变化。首先是对它的保护概念的认识，经历了从消雷到引雷的转变。富兰克林发明避雷针时，他认为避雷针利用尖端放电作用使大地电荷与云中电荷悄悄中和而避免形成雷电。然而实验和运行经验都一直在证明，避雷针根本不可能防止雷电的形成。它的保护作用只体现在雷击过程中。具体地说，避雷针是通过畸变电场将雷电放电先导引向自身而达到保护的目的。其次是对避雷针保护效果的认识。避雷针高度增加，保护的有效性降低，绕击被保护物的概率增加，甚至存在所谓“负保护”效应。基于上述一些认识的变化，一些对防雷保护要求比较高的建筑，例如装备有现代电子设备的高层建筑，希望能得到一种更有效的保护工具。最近数年来，国内外相继出了一些改进的防直击雷工具，如有放射性避雷针、脉冲式避雷针、动态球式避雷针、顶部展开的避雷针，主动式防雷器、驱雷器等，也包括在国内引起较大争议的消雷器。这些避雷针为法国、澳大利亚和前苏联及我国等国家研制，我国一些地区在实际中也有应用。这些新的防雷工具的出现，学术界的褒贬不一，有的已取得了一定的运行经验。但是，总的来说，研究新的更有效的防直击雷装置势在必行。 到目前为止，恐怕谁也不会认为完全消除雷击是可能的。其实，用引雷来达到保护的目的并不一定是一件坏事。二百多年来，富兰克林避雷针基本成功的经验就是有力的证明。把雷引过来，由于雷击时会有巨大的雷电流通过，这就可能使地电位升高，造成反击；由于雷击还会引起强烈的电磁场变化，它会在线路和设备上感应产生过电压和电磁干扰。但是，上述这些可能发生的情况可用其它的办法加以控制。自1749年美国人富兰克林发明避雷针（称传统避雷针）以来已有250多年的历史，截止目前最常用的避雷方法基本上还是采用避雷针（避雷线）。它的原理是：利用自身高度使雷云下的电场发生畸变，这种方式尽管简单，但存在许多防不胜防的问题。1绕击问题大量的研究及实践证明，一根垂直避雷针无法获得一个肯定的安全保护区。例如，1964年7月沈阳某微波站遭到雷击，雷击点发生在距避雷针顶部下面4m的地方；莫斯科537m高的电视塔，雷曾绕击塔下的200m的塔身，甚至打到离塔水平距离150m的地面上。事实上，对于避雷针的保护范围并未得到科学界的公认，现行规程中的保护范围可以说是用来决定避雷针高度与数目的工程方法，雷绕开避雷针而直接击在被保护物上的事件是屡见不鲜的，大量运行经验表明，避雷针的绕击率大约在1%左右，可见使用避雷针时被保护物的危险性还是很大的。2反击问题避雷针把雷引到自身的顶部后，其强大的雷电流在入地时，如果接地电阻和引下线的阻抗过高或是避雷针对保护物之间的距离小于安全距离时，会形成高电压，造成避雷针及引下线对保护物的反击。我国过电压规程规定，避雷针对被保护物的空间距离SK5m，避雷针对保护物的接地装置间的地中距离Sa3m。实际上绝大多数现场应用是难以实现的。各种电力线、电话线、广播线、天线对避雷针及引下线的距离过近易发生绝缘击穿而损坏；另一方面，有些装置避雷针的接地网腐蚀严重，其电阻高达几十欧（规程要求10），这也会造成反击。3感应过电压问题在强大的雷电流（数十千安上百千安）以极快的速度（微秒级）沿避雷针及引下线进入地中的过程中，会在被保护物上形成感应过电压而造成事故。当避雷针附近有一开口的金属环（如房屋的钢筋没焊好或其它原因造成开口），在开口处会产生电磁感应过电压，使开口处产生火花放电，造成易燃品起火，特别是油库、液化气库、火药库等起火爆炸。此外，还会产生静电感应过电压。感应过电压造成的事故是很多的，如南方某炼油厂1000m3的半地下式油罐，上面覆盖有0.5m厚的土层、设有独立避雷针保护。1975年5月的一次雷击，造成整个油罐起火爆炸，1989年8月山东黄岛油库的起火据分析也是由感应雷造成的。对架空输电线路，当50m以外落雷时，感应过电压一般可达250500kV，甚至更高，这也会造成部分输电线路跳闸。感应过电压还会造成计算机系统、无线及微波通讯系统、广播电视系统、电子导航系统各种供电控制系统、气象雷达系统、航空航天工业的危害，人们发现，往往在经过雷暴日后，大量的电子元器件不明不白地损坏了。由于传统避雷针在防雷中有以上种种防不胜防的问题，所以传统避雷针不适宜用来保护易燃、易爆品及弱电设备。2.2 可控放电避雷针的原理雷云对地面物体的放电有两种可能的形式：一是自雷云起始的向地面发展的先导引导的下行雷闪；另一是从地面高耸的物体顶端开始向雷云发展的先导引导的上行雷闪。一般地说，下行雷闪，主放电的过程自地面附近开始，电荷供应充分，因此，放电进行得比较快，放电电流幅值比较大，但放电持续的时间比较短。据雷电观测的结果，下行雷的放电电流幅值平均值在3044千安范围之内，电流上升速度在2440千安/微秒，放电脉冲延续的时间100微秒。上行雷闪，一般没有自上而下的主放电，它的放电电流是由不断向上发展的先导过程产生，因此放电电流小，持续时间长。即使有自上而下的回击电流，它的幅值比起下行雷来，也是小得多，因为从雷云中向主放电通道供应电荷比大地困难得多。对于上行雷，平均幅值小于7千安，电流上升速度小于5千安/微秒，放电持续的时间约数百分之一秒至数十分之一秒。【1】上行雷闪不仅雷击电流幅值小陡度低而且不绕击。这是因为上行雷闪先导是自下而上发展，该先导或者直接进入雷云电荷中心，或者拦截自雷云向下发展的先导，自雷云向下的先导就不会延伸到被保护对象上。上行雷闪还有另外一个特点是上行先导对地面物体还具有屏蔽作用，可减轻放电时在地面物体上的感应电压。可控放电避雷针正是利用了上行雷闪的这些特点，通过巧妙的结构设计，使其能可靠地引发上行雷闪放电，从而达到保护各类被保护对象的目的。高建筑物能够引发上行雷，上行雷首先是在帝国大厦观察到的。上行雷的特点之一是它总是从建筑物的最高处开始，向上发展进入云内放电。不同高度的建筑物引发上行雷的比例是不一样的。例如，帝国大厦（380米）引发上行雷的比例（上行雷对下行雷之比）是18：1，瑞士圣萨瓦托山（海拔314米）上的70米高铁塔，引发比是5：1，而莫斯科郊外的奥斯坦金电视塔（540米）引发比是30：1。【2】【3】在平原地区，可以认为60米以下高度的建筑物引发上行雷的可能性为0。高建筑物之所以能够引发上行雷是因为建筑物对雷云电场产生的巨大畸变。建筑物顶部附近的电场受到雷云电场、建筑物高度、顶部形状的影响。在雷云电场还不是很强时，高建筑物顶部的电场就可以达到很高的值。当电场超过某个临界值时，附近的大气就开始放电。Pierce用建筑物顶部与周围大气的电位差（所谓断点电压）Vd=Ea(H)dH为说明引发上行放电的可能性。Pierce根据自己的观察得出的结论：Vd在106伏左右就可以引发上行雷。上式中Ea(H)是沿建筑物高度变化的环境电场。最近20年来，火箭引雷得到了发展。火箭引雷是用尾部带有导线的火箭射向雷云，将雷电引入大地的过程。在地面静电场达到10千伏/米左右（正极性雷云稍高）时发射火箭，能保证很高的引发率。由法国一个专家组引发的48次雷击中，火箭飞行的高度在50530米之间，其中一半的引发在200米以下。由此，不难推论出火箭引发雷的最小Pierce电压为500千伏级。【4】火箭和高建筑物引发的雷都具有向上发展的先导性质。但是，火箭引发上行雷的Pierce电压低于静态建筑物。静态建筑物在能够成功地引发上行雷击以前，其顶部早已产生了电晕放电。电晕放电留下很多空间电荷，这些电荷屏蔽了来自雷云方向的电场作用，影响了以后的放电发展。还应该指出，这些过早出现的空间电荷，恰巧也是高建筑物上的避雷针有更多绕击的原因。因为它使针尖积聚的与雷云异性的电荷减少，削弱了对雷电先导的吸引作用。在运行着的火箭周围，只要它的飞行速度大于离子迁移率，这种起屏蔽作用的空间电荷就不可能发展。我们研究的新型避雷针充分地考虑到了这些机制，并把它融会到设计当中。新型避雷针是一种具有动态引发特性的静态装置，是一种高可靠的、全新型的防直击雷工具，定名为可控放电避雷针。这种装置的结构简图如图2-1a所示，实物图如图2-1b所示，由针头，储能控制装置、引下导体（或金属支架）及接地四个部分组成。针头部分又由非线性控制单元、金属圆环、针本体及绝缘支架四个主要元件组成，其工作原理如下：根据尾部带金属线的火箭(火箭引雷试验)比高层建筑更容易引发上行雷的经验分析得出，要成功地引发上行雷，针头需达到以下要求：在引发发生之前，针头附近的空间电荷应尽量少，以便于自主针针尖向上发展放电脉冲。当需要引发上行雷闪时，针尖处的电场强度应足够高，以迅速产生放电脉冲。下面通过对可控放电避雷针动作过程的介绍说明它满足了这两条要求：当可控放电避雷针安装处附近的地面电场强度较低时（如雷云离可控针及被保护对象距离较远等情况），雷云不会对地面物体发生放电，此时可控放电避雷针针头的贮能装置处于贮藏雷云电场能量工况，由于动态环的作用，针头上部部件（动态环和主针针尖）处于电位浮动状态，与周围大气电位差小，因此几乎不发生电晕放电，即保证了在引发发生前针头附近的空间电荷很少的要求。当雷云电场上升到预示它可能发生对可控针及周围被保护物发生雷闪时，贮能装置立即转入释能工况，这一转变使主针针尖的电场强度不再被动态环限制，针尖电场瞬间上升数百倍，使针尖附近空气迅速放电，形成很强的放电脉冲，因没有空间电荷的阻碍，该放电脉冲在雷云电场作用下快速向上发展成上行先导，去拦截雷云底部先导或进入雷云电荷中心。如果第一次脉冲引发不成上行先导，贮能装置即又进入贮能状态，同时使第一次脉冲形成空间电荷得以消散，准备第二次脉冲产生。如此循环总能成功地引发上行雷。在雷云电场较低时，不可能有对地雷击发生，避雷针不需要进入准保护状态。此时，储能装置通过针头接收雷云电场能量，针头电位处于浮动状态与周围大气电位差小，针头各元件基本是等电位的，因此针头上部的电场比较均匀，其等位线分布如图2-2a所示。避雷针几乎没有电晕。图2-1a可控放电避雷针的结构原理图图2-1b可控放电避雷针的实物图图2-2 针头附近的电场a：针头在储能状态下 等电位分布，说明电n场较均匀；b：针头在准工作状态下的等电位线分布，说明电场严重畸变。当雷云电场上升至某个临界值，超过这个临界值的电场通常是被认为有可能发展自雷云至地面的放电，我们把它定为避雷针进入准保护状态的阀值。此时，储能控制装置向针本体释放吸收的能量，使针体电位产生跳跃式突升。由于针头的结构配置，环的电位将瞬时保持原有电位不变，而使针点附近电场严重畸变，由于上述两种因素的联合作用结果，针尖顶部电场强度剧烈上升（等位线如图2-2b所示），一个突发式的放电在没有任何空间电荷阻碍的情况下自针尖顶部向上发展。在雷云电场足够高时，放电将转变为向上先导或上行雷。这种现象就象从针头上发出的火箭，或者也可以用高压试验中的点火间隙来比拟。它可以将放电在云内或者空间发生，这种作用是由向上先导送上去的与雷云异性的电荷引发的。一次引发也可能是不成功的，多次引发总是可以成功的。在一个不成功的向上先导发展停止以后，储能装置立即恢复到接收能量的状态，放电留下的残余电荷在停歇的瞬间迅速消失，在外界电场没有减弱的情况下，下一次动作又继续。整个过程极短，而且在电场愈高时，动作频率愈高，保证了引发的可靠性。可控放电避雷针用产生突发的向上先导来发挥保护作用。这种向上先导可以直接发展到云中形成上行雷，也可以在空中与正在发展的下先先导相拦截，形成连接先导。因而可使雷击大电流转化为小电流，降低雷击电流的陡度和减少绕击。由于向上先导对地面物体的屏蔽作用，还能减轻雷击时在地面物体上的感应电压。2.3 关于避雷针可控部分的设计研究根据可控避雷针的工作原理，在必要的时候，需要迅速变换针头的电场，以达到控制放电的目的。在计算避雷针顶部的电场时，我们常常用一个旋转椭圆球体来近似考虑。【5】对于传统避雷针，它的工作过程是逐步接受雷云电场，其针头顶部电场强度如：而对于可控放电避雷针，它的工作过程类似于将一个旋转导体椭圆球突然放入较强的均匀电场（如图2-3），在它的长半轴的顶部，其电场强度值为其中，Ea是环境电场，C=(a2-b2)，a、b为旋转椭球长、短轴。图2-3 均匀电场中的旋转导体球附近的电场如果用K表示放入导体椭球之后电场的增长倍数，则 注：上式的理论推导过程见附录A。K值与a/b的比值有关，比值越大K越大。例如当a/b=4时，k=13.26；a/b=10，k=49.29。在计算避雷针顶部的电场时，如避雷针底部是直接接地的，可认为椭球的长半轴a就等于避雷针的全高h，而在避雷针底部不接地（断线）时，椭球的长半轴a等于h/2。至于它的短半轴有时确定起来就很困难。如果一支独立避雷针可用它的地面架构形状的等值圆半径。在很多情况下，利用针尖部分的曲率半径来估算避雷针顶部的电场比用长、短轴更接近于实际。由于椭圆在顶点的曲率半径R=b2/a，所以关于K的表示式，也可以换算成只含a和R的公式。从这个公式得知，如果我们能够利用电气的手段瞬时地改变避雷针的尺寸（即a和R的尺寸）就能达到控制避雷针针头电场的目的，控制针头的电场强度也就可控制放电的发展。为了说明这种控制作用的大小，我们举一个例子。例如一支100米高的独立避雷针，针端的曲率半径5米。此时k=15.39。而针端的曲率半径为0.1米时，则k=317.26。如果此时雷云电场恰为10kV/m，则在后者由于电场E=kEa=317.2610kV/m=3172.6kV/m已超过了空气的击穿强度3000kV/m，将产生放电。前者与空气的击穿强度相差甚远，放电不会发生。控制改变a和R的尺寸，可以大幅度控制避雷针顶部电场的变化。把避雷针针头的电场控制在启动前大大低于3000kV/m的数字及启动后大大高于3000kV/m的数字是设计中的第一个考虑。其次，控制启动时间也至关重要。启动太早，由于环境电场尚不成熟，成功率低。启动太晚，则可能使绕击率上升，保护范围缩小。根据火箭引雷的成功经验，以地面场强10-20kV/m最为理想。因为此时，雷云下部的电场已足够高，但又尚未达到自云底发展向下先导的程度，有利于使向上发展的放电转换成向上先导。第三，控制部分可反复工作。当控制部分启动之后，产生一个向上的火花，但有可能尚不足以转换成向上先导。在火花熄灭之后，它必须能够迅速转换到启动前的状态。三、可控放电避雷针试验报告可控放电避雷针利用控制放电时间达到减少雷击、降低雷击电流幅值、减轻雷击造成的二次效应和减少绕击等一系列目的。在研制过程中进行了下述试验：3.1直流静态特性试验试验目的是检验可控放电避雷针在雷云电场作用下的电晕特性和静态击穿特性。1、试验装置及接线图3-1 直流静态特性试验简图如图3-1所示，试验的主要设备有：直流高压发生器，电压440kV，两级串联。600kV直流分压器，精度0.5级。数字式微安表，量程200A，内阻1000。VP-5703A记忆示波器。频率100MHZ，响应时间小于3.5ns。输入阻抗大于10M。模拟雷云板。直径1.2米，铝制，边缘弯园消除电晕与边缘效应。试品为可控放电模型避雷针，针高0.4米。对比试验的传统避雷针是去掉做为可控放电避雷针的所有附加装置后做成的。它在主要尺寸与材质等方面完全与可控放电避雷针的模型相同。2、试验方法试验时将模拟雷云的平板电极水平悬挂于离地高度1米之外，保持与地面平行，防止摆动。与平板电极相对，在地面铺设2.42.4m2铁板。使电极与地面间形成平面电场。做击穿试验时，在电极中心置一长5cm竖直向下的铝丝，铝丝与平板电极电气连接良好。被试模型置于电极的中心位置。试验在不同的极性电压下进行，每种极性都用C、F针分别试验一次。3、试验结果电晕电流测量a、雷云板电极为正时电压（kV）电晕电流（A）针型 50100150200C0.045.6022.0100.2F4.5028.574.0176b、雷云板电极为负时电压电晕电流 （kV）（A） 针型50100150200250C0.015.2024.548.098.0F2.2417.046.892.5198.0图3-3 雷云板电极为负时 C、F针的伏安特性曲线图3-2 雷云板电极为正时， C、F针的伏安特性曲线静态击穿电压a、雷云板电极为正时针型CF击穿电压0.9131b、雷云板电极为负时针型CF击穿电压0.9411上述表中所有数据均以F针击穿电压为基准计算的标么值表示。在两种极性下的击穿电压，C针分别比F针低9%及6%。电晕电流波形C针：图3-4 C针电晕波形照片自左至右试验电压增加照片的扫描速度2s/ divF针： 图3-5 F针电晕波形照片扫描速度2s/ div3.2 操作冲击电压作用下的动态特性试验1、 试验装置及接线如图3-6所示图3-6 操作冲击动态特性试验简图试验设备包括：操作波发生器 电压5400kV，容量527kJ，试验使用波形235/2500s。阻容分压器 分压比 4600/1及2306/1峰值电压表 64M型截断时间表 66型高压电极 50mm长15m钢管试品为2.5m高可控放电避雷针模型，环径0.4m。对比试验采用高度相等针径相同的钢棒做为传统避雷针。2、 试验方法试验时将高压电极用绝缘子串竖直吊在户外场60m高的龙门架上，电极下端离地高度8.5m。电极用尼龙绳固定防止风吹摆动。电极下方的地面铺有大面积的钢板。操作波发生器的高压引线连至高压电极的上端，输出电压调节至间隙约有95%的加压次数可产生放电，以此固定电压加压。引雷特性试验，在做试验时将C针、F针与高压电极排成一直线，高压电极位于两针的连线中点，记录两针的放电数，以C针的放电数对F针的放电数之比说明引雷效果。放电时间特性试验。试验时试品的排列与引雷特性试验相同，当C针或F针放电时，分别记录放电时间，以一次试验记下的数据为准。保护范围试验。试验中，模拟被保护物用一支传统避雷针（以F1标记），该针置于高压电极的正下方，保持位置不变，移动C针变换与F1针间的距离，加冲击电压，记下每一距离情况下F1针的放电数，计算概率。3、 试验数据及处理结果引雷特性试验针间距离42+2.4*6.4击C针数 nc78126击F针数 n3235nc/n2.4441.2* F针距中心2m，C针距中心2.4m。放电时间特性试验a) C针储能装置工作试验时间：1993年6月7日下午气象情况：天气晴，气压100.1Pa。干温：27.5。；湿度：22.5。放电情况：总放电次数21次。C针13次，F针8次，有4次截断时间表无读数，其中C针3次，F针1次。现将记录的放电时间列表于后：针型放电时间（s）C130 141.7 122.1 114.3 138.7 135.1 113.1 148.4 141 132F137.4 127.4 180.9 144.5 151 135.1 140.9 b) C针储能装置短接试验时间：1993年6月8日下午气象情况：天气晴，气压100.2 Pa。干温：31.5。；湿度：25.0。 放电情况：总放电次数16次。其中C针12次，F针4次，有2次截断时间表无读数，两针各1次。现将记录的放电时间列表于后：针型放电时间（s）C181.2 168.5 119.8 151.8 150.7 131.6 119.7 176.2 123.3 163.6 138.4F136.7 121.8 128.6统计计算结果：储能装置工作C针 T=132微秒 n=11.26微秒 n-1=11.89微秒F针 T=145.3微秒 n=16.06微秒 n-1=17.35微秒储能装置短路C针 T=147.7微秒 n=21.6微秒 n-1=22.69微秒F针 T=129.0微秒 n=6.1微秒 n-1=7.46微秒 保护范围试验a) C针，针高2.5米，环径0.4米；F1针，针高1.8米针间距S (米)0.751.13总放电数 N515151击F1次数 n0212击F1概率 P00.0390.23595%的置信概率区间00.070.01070.13180.13980.3673b) C针不变；F1针，针高1.5米针间距S (米)0.751.53总放电数 N495050击F1次数 n016击F1概率 P00.020.1295%的置信概率区间00.07270.00350.10490.0590.2267c) 用F针代替C针，针高不变；F1针，针高1.8米针间距S (米)0.751.13总放电数 N505050击F1次数 n21115击F1概率 P0.040.220.3095%的置信概率区间0.0110.13460.12750.3520.1910.4375d) 按正态分布概率绘制的保护范围P4、 试验时的放电路径照片及分析一八为击可控放电避雷针照片，九十为击传统避雷针照片，十一为击地的放电路径照片。所有的照片均在一次试验（引雷特性试验）中拍成。从照片中可看出： 除了第八张以外的所有击可控放电避雷针的放电路径轨迹，在靠近针头的长长一段路径几乎是直线，这应该理解为向上先导的作用结果，而击向传统避雷针或地面的放电路径轨迹没有这种现象。 第八张照片上的放电路径首先是指向传统避雷针的，在达到某个高度以后，放电路径拆转向着可控放电避雷针并最后击在可控放电避雷针上，说明在该场合下可控放电避雷针有比传统避雷针更大的吸引作用。图3-7 各种情况下的放电轨迹照片图片说明：一八 击可控放电避雷针 九十 击传统避雷针 十一 击地照片中，高压电极置于C、F针连线中点的正上方。C针在右，F针在左，两针等高为2.5米，用三角架支撑并接地，针距4米，C针环径0.4米。3.3 结论在完全相同的条件下对可控放电避雷针与传统避雷针进行的对比试验得出：1、可控放电避雷针在外部电场不太高时（低于储能控制装置的启动场强），电晕电流很小，比传统避雷针小得多。当外部电场超过启动场强时，可控放电避雷针上的放电以高于传统避雷针数倍的速度发展，最后以低于传统避雷针6%（雷云板负极性）至9%（雷云板正极性）的放电电压率先放电。改变启动场强可改变可控放电避雷针进入放电的起始时间。2、可控放电避雷针有比传统避雷针大得多的对下行放电先导的吸引能力（2.44倍），但这种能力随先导偏离避雷针的水平距离增加而减弱到与传统避雷针一致。在试验中当先导偏离的水平距离达到1.3倍针高时，吸引的能力已降到1.2倍。3、可控放电避雷针比传统避雷针有提前产生放电上行先导的能力。在我们的试验条件下，可使放电时间平均提前13.3微秒。储能控制装置的投入是产生上述效应的关键。当短接储能控制装置时，可控放电避雷针的放电时间反而推迟。4、由试验数据绘制的正态概率分布的绕击率与保护范围的曲线说明，在相同绕击概率的情况下，可控放电避雷针的保护范围扩大。扩大的倍数与保护物及避雷针的高度有关，也与要求的绕击率有关。特别要指出后者，可控放电避雷针在绕击率越低时与传统避雷针的保护半径的比值越大。四、可控放电避雷针的技术说明4.1可控放电避雷针的保护特性为了验证可控放电避雷针是否达到了设计目的，我们用正极性操作波和直流分别进行了一系列试验。图4-1是在等同条件下用正极性操作波放电获得的可控放电避雷针与富兰克林避雷针的保护曲线。试验时模拟雷云电极离地面高度为8.5 m（用正操作波进行试验更切合雷闪机理：操作波波头上升缓慢，较接近于雷电先导与针之间空气间隙上的电压变化情况。雷电放电是以分级先导的发展方式向前推进的，用正极性操作波是为了在模拟电极与针之间的间隙中使放电有几个先导分极）。为了严格地考核可控放电避雷针的保护性能，操作波试验时没有附加直流电场（雷电放电发展过程是，地面上方有很强的由雷云产生的静电场。该电场作用于可控放电避雷针的贮能装置，可保证针头能够连续发出一系列脉冲，提高引发上行雷的成功率，以便使得到的结果更严格，对于应用更安全）。图4-1 可控放电避雷针与传统避雷针保护范围比较图4-2可控放电避雷针与传统避雷针的保护角比较由图4-2可知，可控放电避雷针的保护特性明显优于富兰克林避雷针，就主要参数绕击概率和保护范围而言，是令人非常满意的：可控放电避雷针有一个相当大的几乎不遭受绕击的保护区域。例如当绕击概率不大于0.001%时（显然在这样的绕击概率下，被保护对象遭绕击的可能性是相当小的）保护角度高达55，相比之下富兰克林避雷针实际上几乎没有不受绕击的区域。当被保护对象遭受绕击概率允许达到0.1%（目前规程规定的允许值）时，可控放电避雷针的保护角达到66 .4。而富兰克林避雷针的保护角远远低于此值（因此，在雷电活动强的地方应用富兰克林避雷针保护是不经济的，被保护物遭雷击的可能性也还存在，如湖北有两个电厂的升压站就曾经遭受过绕击）。在可控防电避雷针和传统避雷针的对比试验中，在可控放电避雷针的针头可以清楚地看到一段较长的直线部分，这说明在这里有向上发展的先导，而在富兰克林避雷针上的放电轨迹上则见不到这一明显直线段，可控放电避雷针就是靠产生向上放电来减少绕击和增大保护角的。从其它试验数据可进一步说明可控放电避雷针的保护性是由于创造了产生向上放电的条件和实际上产生了向上放电所得到的结果。可控放电避雷针的放电时间比富兰克林避雷针平均提前13.3S。在模拟电场比较低时，可控放电避雷针的电晕电流比富兰克林避雷针低得多，几乎处于完全抑制状态。在模拟电场增加到能够启动可控放电避雷针时，可控针产生的是脉冲式电晕放电电流，其电晕电流幅值比富兰克林避雷针大好几十倍，但电晕电流的平均值比后者小，这有利于从电晕向先导放电的转化。4.2 主要电气参数特性(1)针高h200m时，保护角65（绕击率0.1%），相应地面保护半径为 2.14h; 保护角72（绕击率1%），相应地面保护半径为 3.08h。(2)上行雷主放电电流幅值小(3)主放电电流的陡度5kA/s(4)基本上消除了雷闪时产生的感应过电压。(5)绕击概率不大于十万分之一时的保护角为55。(6)接地电阻10（一般地区）。 30（在高阻区及无人区）。(7)抗风能力不低于风速50m/s。(8)安装方便，使用期内免维护。4.3 安装说明可控放电避雷针可做为独立系统立于各类建筑物上，安装地点的选择应满足既要经济又要保证安全的要求。用于保护输电线路时，直接装在杆塔顶部。在安装可控放电避雷针的针头时，要求动态环保持水平，主针处在铅垂方向。自针头顶部至被保护物顶部的高度大于3m。禁止在结构支柱上悬挂电话线、广播线、电视天线及电力架空线。一般情况下，可控放电避雷针应设两根专用的接地引下线（对于直接装在铁塔上的可控放电避雷针，不另设接地引下线，直接与铁塔连接牢固就可以了）。引下线一般采用园钢或扁钢，其尺寸不应小于下列值：圆钢直径10mm，扁钢为425mm引下线沿建筑物或构筑物外墙敷设，并经最短路径接地。建筑艺术要求较高者，也可以暗敷，但截面应加大一倍。注：CFGX1型孔为21.5图4-3 底部安装尺寸在易受机械磨损的地方，地面上约1.7m至地面下0.3m的一段接地引下线应穿铁管保护。可控放电避雷针系统的接地电阻应符合相应场所的要求，但最大值应小于30。一般采用复合地装置。垂直埋设的接地体可采用角钢、钢管；水平埋设的接地体采用扁钢、圆钢。它们的尺寸不应小于下列标准：角钢44040mm，钢管壁厚3.5mm35mm，扁钢425mm，圆钢12mm。接地装置处于行人过道的地下时，应考虑采取降低跨步电压的措施。针头组装当针头以整体出厂时，组装前只需进行外观检查和螺栓连接检查，拧紧连接螺栓。如果因运输原因造成变形，可参照下面的针头组装步骤及要求进行调整。针头出厂是散件时，组装前应检查零部件是否齐全和完整；然后按以下顺序组装：将带主针的底座垂直放到地面上，然后将四根斜杆固定到底座的四个螺孔上。将动态环与四根斜杆对称连接好。将四根水平拉杆对称布置且将它们与斜杆和套在主针上的盘形法兰连接起来，注意调整端在斜杆的一侧。调整动态环与地面平行，四根斜杆等分布置，盘形法兰固定在主针标定的位置上。拧紧全部连接螺栓。五、可控放电避雷针运行报告可控放电避雷针引发的是上行雷，其主放电电流幅值较小，根据输电线路耐雷水平的设计要求（见表5-1），35kV-500kV的输电线路是完全可以耐受此雷击放电电流而不会因反击而跳闸，同时，塔顶安装避雷针符合传统防雷理论，由于线路弧垂使中间段保护角小于杆塔段，绕击多发生在近杆塔段，在杆塔塔顶安装避雷针后，杆塔附近的雷将会落在避雷针上，通过杆塔入地，减少了线路遭绕击的概率，安装避雷针后杆塔落雷几率将增大，增加反击的机会，但绕击大多是十几或二、三十千安的小幅值的雷电流，因此只要线路接地电阻正常，一般不会因反击而造成线路跳闸。表5-1 各级电压线路应有的耐雷水平额定电压，单位kV35110220330500线路耐雷水平Io，单位kV20-3040-7575-110100-150125-1755.1使用情况可控放电避雷针已经在重庆、湖南、湖北、辽宁、贵州、福建、安徽、吉林、黑龙江、山东、江西、云南、四川、陕西、上海、青海、浙江、广东等20多个省市安装运行，到目前已取得很好的运行效果，得到各运行单位的认可。下面为河南信阳电业局220kV二信潢线、吉林白山供电局220kV浑白线、湖南湘潭电业局220kV柘泉回、柘泉回、贵州500kV贵福线上的可控放电避雷针运行时的照片。图5-1 湖南湘潭电业局220kV柘泉回图5-2 湖南湘潭电业局220kV柘泉回图5-3 贵州500kV贵福线图5-4 福建500kV福双线图5-5 益阳电业局500kV五民线图5-6 荆门超高压500kV葛岗线图5-7 宜昌超高压500kV清换线图5-8 500kV曲花乙线5.2 运行情况截至2006年12月31日,全国高压输电线路共计安装可控放电避雷针7419套，分别运行在110kV、220kV、500kV输电线路。其中，110kV线路上安装了945套，220kV线路上安装了5165套，500kV线路上安装了1309套。以下是收集到的可控放电避雷针运行资料。 2005年湖南省可控放电避雷针运行单位统计如下表5-2：表5-2 可控放电避雷针运行单位统计单位名称数量（套）线路名称衡阳电力安装公司70500KV三广直流广东段湘西自治州电业局70岩万I 、 线株洲电业局20220KV酃叶线衡阳电业局125220KV酃叶线、耒麻线、城烟线长沙电业局103220KV捞天线、迎天线、榔红线常德电业局55220KV黄桃线、黄德线湘潭电业局70220KV民西线、西响线、柘民线张家界电业局145220KV江湖线、江窑线、江岗线等郴州电业局70220KV塘酃线、东朝线、城烟线娄底电业局40220KV柘上线邵阳电业局40220KV黄德线、平阳线永州电业局43220KV桐蒋线怀化电业局85220KV黄德线、平阳线、黄桃线益阳电业局60500KV五民线湘乡电力局3110KV线路武陵源电力局12110KV线路5.2.1记录到的雷击次数湘潭电业局湘乡高压管理所维护的220KV柘泉线雷击跳闸较严重，为了减少雷击跳闸，在2002年初安装了45套CFG-X2型可控放电避雷针，至今运行已经4年。经过实际运行考验，取得了良好防雷效果。可控放电避雷针安装了雷电计数器记录避雷针动作次数，以便考核避雷针的实际运行效果，2002年至2005年可控放电避雷针动作次数见下表5-3。表5-3 柘泉线可控避雷针动作次数杆号塔型2002动作次数2003动作次数2004动作次数2005动作次数22H1未装计数器未装计数器未装计数器未装计数器23H1未装计数器未装计数器未装计数器未装计数器24Z1未装计数器未装计数器未装计数器未装计数器29H未装计数器未装计数器未装计数器未装计数器30Z未装计数器未装计数器未装计数器未装计数器31J300未装计数器未装计数器未装计数器未装计数器38Z2未装计数器未装计数器未装计数器未装计数器39A50未读35840Z1未装计数器未装计数器未装计数器未装计数器47Z2未装计数器未装计数器未装计数器未装计数器48Z2未装计数器未装计数器未装计数器未装计数器64H2未装计数器未装计数器未装计数器未装计数器65Z1未装计数器未装计数器未装计数器未装计数器66H未装计数器未装计数器未装计数器未装计数器79H未装计数器未装计数器未装计数器未装计数器80Z1未装计数器未装计数器未装计数器未装计数器81Z1未装计数器未装计数器未装计数器未装计数器103J300未装计数器未装计数器未装计数器未装计数器104Z11000105Z20689132Z2191114133Z107910134Z20257165J300未装计数器未装计数器未装计数器未装计数器166H0246167H07911218H0235219Z10479220H05810264H191215265H未装计数器未装计数器未装计数器未装计数器266H17810280Z11578281H未装计数器未装计数器未装计数器未装计数器282H未装计数器未装计数器未装计数器未装计数器283Z10358314H未装计数器未装计数器未装计数器未装计数器315Z1未装计数器未装计数器未装计数器未装计数器316H1468351H未装计数器未装计数器未装计数器未装计数器352Z1未装计数器未装计数器未装计数器未装计数器353H未装计数器未装计数器未装计数器未装计数器418H081012419H未装计数器未装计数器未装计数器未装计数器420Z1未装计数器未装计数器未装计数器未装计数器注:柘泉线避雷针于2002年6月安装投运,2002年动作次数为2003年3月之前的读数,2003年的动作次数为2004年3月之前的读数, 2004年动作次数为2005年3月之前的读数,2005年的动作次数为2006年3月之前的读数表5-4 柘泉线路雷击跳闸统计年份跳闸次数原因20051未装避雷针杆塔391、392遭雷击闪络2004020030200202001020001雷击1999019981雷击19973雷击19962雷击统计跳闸数据均为因雷击而起,其它原因的未列出。5.2.2 记录到的雷电流幅值为了检验可控放电避雷针的运行效果，我所在咸宁供电局部分线路装设了磁钢棒，测量雷电流的幅值，以下是测量的结果。表5-5 磁钢棒检磁结果序号磁钢棒编号雷电流幅值（KA）1220KV塘汪二回1182220KV塘汪二回1463220KV塘汪二回7794220KV塘汪二回7945220KV塘汪二回10656110KV官铁线113以上记录到的雷电流幅值与试验的结果是一致的，这也从实际运行的角度说明了可控放电避雷针引发的上行雷电流幅值是很小的。5.3 运行效果分析1、已安装的可控放电避雷针均在线路容易遭受雷击的线段或杆塔。这些杆塔均位于风口、边坡、山顶、水边，大跨越,遭受雷击的几率比一般地形杆塔大很多。2、截至2006年12月31日，500kV线路可控放电避雷针累计安装约1309套，运行情况良好。由于500kV线路雷害主要原因是绕击造成的，可以说可控放电避雷针较好的发挥了防绕击的作用。 3、截至2006年12月31日，220kV线路可控放电避雷针累计安装约5165套，发生了三次雷击闪络，折算成雷击跳闸率为0.099次/100km.a，比较未装可控放电避雷针之前，雷击跳闸率下降了近90。通过登杆检查，这三次雷击均未打到可控放电避雷针上。这三次雷击闪络虽然有其它原因，但接地电阻太高是不容忽视的原因，因为若接地电阻太高，当雷击避雷针保护范围之外的避雷线时，仍有可能造成反击，因此，建议安装可控放电避雷针的220kV线路杆塔接地电阻降到20欧姆以下（在高阻区可适当降低要求）。4截至2006年12月31日，110KV线路可控放电避雷针累计安装约945套。由于110kV