可控放电避雷针原理.doc

可控放电避雷针一、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。在选用和安装前请详细阅读本说明书。二、富兰克林避雷针的局限性自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将雷击放电引到避雷针上。这种方式尽管简单，但存在许多缺陷。 保护范围不肯定，有绕击发生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 16以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遭受雷击的危险性还是很大的。 有反击发生避雷针把雷引到自身的顶部后，其强大的雷电流在入地时，如果接地电阻或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做到这点的。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。 传统避雷针会引起感应过电压在强大的雷电流（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。 有接触电压及跨步电压当雷击避雷针时，如果有人站在附近地面上而人接触针基或引下线时会受到很高的接触电压，危及人身安全。由于强大的雷电流在地中扩散时会在地面上沿半径点形成不同电位，所以附近的人（畜）两脚会受到很高的跨步电压，这对生命构成危险。例如：我国南宁郊区雷击楼柱，二楼紧靠柱子6人皆死，楼下人距柱子2m多被击昏。为了避免接触电压及跨步电压的危害，人畜应该离开避雷针尽可能远一点（5m以上）。 传统避雷针特别不适合保护弱电设备随着微电子的发展和电子元器件的广泛使用，例如：计算机系统、无线及微波通讯系统、广播电视系统、电子导航系统供电控制系统、气象雷达系统、航空航天技术由于雷暴造成这些系统的电子元器件损坏的矛盾日益突出，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或造成控制设备的误动作，造成损失。由于传统避雷针在防雷中有以上种种缺陷，所以传统避雷针特别不适宜用来保护易燃、易爆品及弱电设备，也不适宜安装在高土壤电阻率的地方。可控放电避雷针正是为克服富兰克林避雷针的以上缺点而研制开发的新型直击雷防护装置。三、 放电避雷针的保护原理雷云对地面物体放电不外乎以下两种方式：上行雷闪和下行雷闪。一般来说，下行雷闪时，先导自上而下发展，主放电过程发生在地面（或地面物体）附近，所以电荷供应充分，放电过程来得迅速，造成雷电流幅值大（平均值为3044kA），陡度高（2440kA/s）；上行雷闪，一般没有自上而下的主放电，它的放电电流由不断向上发展的先导过程产生，即使有主放电因雷云向主放电通道供应电荷困难，所以放电电流幅值小（平均小于7kA），且陡度低（小于5kA/s）。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的，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，这样中和雷云电荷的反应在上空进行，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过电压。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，从而达到中和雷云电荷，保护各类被保护对象的目的。可控放电避雷针由针头、接地引下线、接地装置构成一套保护系统。它的针头不再是单针，而是由主针、动态环、贮能装置组成（图1）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：（一）在引发的上行雷发生之前，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。图1 可控放电避雷针结构示意图 （二）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研究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（如雷云离可控放电避雷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存雷云电场能量工况，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的空间电荷得以消散，准备第二次脉冲产生。如此循环总能成功地引发上行雷。四、 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）。由图3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）。 在可控放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的针头上的放电轨迹上则见不到这一明显直线段，无数次的实验表明，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发生了向上放电所得到的结果。试验结果表明: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，可控放电避雷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 电弧的转化。需要指出的是可控放电避雷针特别适合高压输电线路的防雷，通过对比试验发现：可控放电避雷针的引雷能力比传统避雷针强得多，而且有较大的保护角，这样就可以降低输电线路的绕击率，另一方面由于可控放电避雷针所引发的上行雷主放电电流幅值较小、陡度较低,根据输电线路耐雷水平的设计要求（见表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发生跳闸，也不会造成大的感应过电压。 不同电压等级输电线路的耐雷水平 表1 额定电压，单位kv3566110154220330500线路耐雷水平Io，单位kA20-3030-6040-859080-120140150五、 主要电气参数特性(1)针高h200m时，保护角65，相应地面保护半径为 2.14h，离地面高度hx处水平面保护半径为 2.14（hhx）。(2)上行雷闪主放电电流的平均幅值小于7kA；陡度小于5kA/s。(3)绕击概率不大于十万分之一时的保护角为55。(4)接地电阻10（一般地区）。 30（在高阻区及无人区）。(5)抗风能力不低于风速50m/s。(6)安装方便，使用期内免维护。六、 可控放电避雷针的型号及适用范围 表2（适用于变电站等场所）型 号适 用 范 围使用期（年）底部尺寸（D）CFG- 1220kv及以上变电站、发电厂、微波站（塔）、证券、气象、电视塔、军火。油库、炸药库、雷达等需要严格防雷的各种设施。20200CFG- 2110kv变电站、微波站（塔）、电视塔及高层民用建筑。20100CFG-310kv、35kv变电站的防雷改造（取代避雷针）及较低民用建筑。15100使用说明： 1、安装应牢固可靠2、接地电阻及引下线应符合相关标准要求3、每2年检查一次联接及紧固件是否牢固（适用于直流输电线路）型 号适 用 范 围使用期（年）底部尺寸（D）CFG- X1（z）800kv直流输电线路20200CFG- X2（z）500kv直流输电线路20100（适用于交流输电线路）型 号适 用 范 围使用期（年）底部尺寸（D）CFG- XT（r）750kV及以上交流输电线路20200CFG- X1（r）500kV交流输电线路20200CFG- X2220kV交流输电线路20100CFG- X3110kV交流输电线路15100 说明：型号中带r字母的可控放电避雷针主要起防绕击作用使用说明：1、安装前应检测杆塔接地电阻，接地电阻值符合电力行业相关标准要求 2、安装牢固可靠，支架有足够强度 3、宜安装雷电计数器，观测可控放电避雷针运行效果，积累运行经验七、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：园钢直径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。 当D为200mm 为21.5mm当D为100mm为17.5mm图5 底部安装尺寸 图5 底部安装尺寸注：D的尺寸详见表2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、园钢。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，园钢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。八、 开箱检查验收时应检查零部件是否齐全：主 针 一件动态环 一件斜 杆 四件水平拉杆 四件储能底座 一件合格证 一份说明书 一份检查各部件是否因运输而损坏。九、安装验收是否按图施工，各种材料的选取是否符合规定。检查可控放电避雷针针头的安装是否符合技术要求，各连接处 的螺栓是否紧固，绝缘有无损伤。接地引下线