最新可控放电避雷针技术资料汇编.docx
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最新可控放电避雷针技术资料汇编
可控放电避雷针技术资料汇编
科学技术报告
TECHNICALREPORT
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
一、概述2
二、可控放电避雷针研究报告2
2.1防直击雷技术现状概述2
2.2可控放电避雷针的原理5
2.3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11
3.1直流静态特性试验12
3.2操作冲击电压作用下的动态特性试验15
3.3结论20
四、可控放电避雷针的技术说明21
4.1可控放电避雷针的保护特性21
4.2主要电气参数特性24
4.3安装说明24
五、可控放电避雷针运行报告26
5.1使用情况27
5.2运行情况32
5.3运行效果分析36
5.4部分用户名单37
5.5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SK≥5m，避雷针对保护物的接地装置间的地中距离Sa≥3m。
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≤10Ω），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250~500kV，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30—44千安范围之内，电流上升速度在24—40千安/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50—530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：
㈠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。
㈡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。
⑴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。
⑵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=317.26×10kV/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200
A，内阻1000Ω。
VP-5703A记忆示波器。
频率100MHZ，响应时间小于3.5ns。
输入阻抗大于10MΩ。
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2.4×2.4m2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
⑴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
50
100
150
200
C
0.04
5.60
22.0
100.2
F
4.50
28.5
74.0
176
b、雷云板电极为负时
电压
电晕电流（kV）
（
A）
针型
50
100
150
200
250
C
0.01
5.20
24.5
48.0
98.0
F
2.24
17.0
46.8
92.5
198.0
⑵静态击穿电压
a、雷云板电极为正时
针型
C
F
击穿电压
0.913
1
b、雷云板电极为负时
针型
C
F
击穿电压
0.941
1
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%。
⑶电晕电流波形
C针：
图3-4C针电晕波形照片自左至右试验电压增加照片的扫描速度2
s/div
F针：
图3-5F针电晕波形照片扫描速度2μs/div
3.2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235/2500
s。
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Ф50mm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。
⑴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。
⑵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。
⑶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
⑴引雷特性试验
针间距离
4
2+2.4*
6.4
击C针数nc
78
12
6
击F针数n
32
3
5
nc/n
2.44
4
1.2
*F针距中心2m，C针距中心2.4m。
⑵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）
C
130141.7122.1114.3138.7135.1113.1148.4141132
F
137.4127.4180.9144.5151135.1140.9
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100.2Pa。
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）
C
181.2168.5119.8151.8150.7131.6119.7176.2123.3163.6138.4
F
136.7121.8128.6
统计计算结果：
储能装置工作
C针T=132微秒δn=11.26微秒δn-1=11.89微秒
F针T=145.3微秒δn=16.06微秒δn-1=17.35微秒
储能装置短路
C针T=147.7微秒δn=21.6微秒δn-1=22.69微秒
F针T=129.0微秒δn=6.1微秒δn-1=7.46微秒
⑶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）
0.75
1.1
3
总放电数N
51
51
51
击F1次数n
0
2
12
击F1概率P
0
0.039
0.235
95%的置信概率区间
0~0.07
0.0107~0.1318
0.1398~0.3673
b）C针不变；F1针，针高1.5米
针间距S（米）
0.75
1.5
3
总放电数N
49
50
50
击F1次数n
0
1
6
击F1概率P
0
0.02
0.12
95%的置信概率区间
0~0.0727
0.0035~0.1049
0.059~0.2267
c）用F针代替C针，针高不变；F1针，针高1.8米
针间距S（米）
0.75
1.1
3
总放电数N
50
50
50
击F1次数n
2
11
15
击F1概率P
0.04
0.22
0.30
95%的置信概率区间
0.011~0.1346
0.1275~0.352
0.191~0.4375
d）按正态分布概率绘制
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