优化避雷针的研究与分析

黄克俭 黄丁诚 冯又华

（湖北省防雷中心）

优化避雷针的研究与分析

黄克俭 黄丁诚 冯又华

（湖北省防雷中心）

本文通过对当前国内外生产的优化避雷针的研究分析，归纳出了优化避雷针所采用的主要技术，并对其先导放电和阻抗限流这两种主要技术原理做了分析说明，指出了优化避雷针在具体应用中应注意的问题。

优化避雷针；阻抗限流；提前放电；上行雷闪

0 引言

自从1749年富兰克林发明避雷针以来，在人类社会长达两个半多世纪的防雷历史上，富兰克林避雷针（传统避雷针）无疑起到了十分积极的防直击雷的作用。但是，随着社会的发展，微电子设备的广泛应用，它的局限性已越来越明显地表现出来。其一，保护的区域范围小，侧击或绕击的概率高。其二，放电电流的幅度大，陡度高，容易形成高电位反击和二次雷击效应。为此，国内外许多防雷专家，针对这两大不足提出了各自的防雷理论，并通过大量的雷击模拟试验，采用多种技术，研制出各种各样的优化避雷针，如美国ERICO公司的系统3000避雷针、中国中光公司的ZGU-200-3（TY）型优化避雷针、法国杜尔梅森公司的ESE系列避雷针以及中国爱劳公司的AR限流避雷针等。许多学者也对当前市场上出现的这些优化避雷针进行了一定的研究和应用[1-6]。但都不系统。为了在防雷工程中更好地应用这些优化避雷针，有必要对它们的工作原理进行系统的研究分析。

1 优化避雷针的研究分析

1.1 优化避雷针的定义说明

由大量模拟实验和实际调查统计资料表明，避雷针的外表形状与其避雷效果并无明显的关系。本文所研究的优化避雷针是指较传统避雷针有功能上的变化。如能改变雷电流的波形，提高避雷针的虚拟高度等，而不是指在形状上改变的避雷针。

1.2 原理分析

通过对当前国内外生产的优化避雷针的研究分析，发现其优化避针针主要采用先导放电，阻抗限流等技术来解决其传统避雷针的两大不足，以改善其避雷效果。

1.2.1 先导放电原理分析

通过雷电的形成性质可知，雷云对地面物质放电，有以下两种方式：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附近，大地电荷供应充分，所以放电过程来得迅速，造成雷电流幅值大（平均值为30～40kA），陡度高（20～40kA/ms），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/ms）[7]。

上行雷闪不仅雷击电流幅值小陡度低而且不发生绕击。这是因为当雷闪先导自上而下发展时，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。

这种优化避雷针正是利用了上行雷闪的这些特点，在结构上进行加工处理，使其能可靠地引发上行雷闪放电，从而达到改善防雷效果的目的。为此，这种优化避雷针亦可称之为提前放电避雷针。

要成功引发上行雷闪，必须具备以下两个条件：

1） 在引发发生之前，抑制针尖的电晕放电，尽量减小包围的空间电荷。

2） 在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，形成向上引流。

下面以美国ERICO公司研制的“系统3000”避雷针为例，讲述先导放电的工作原理。“系统3000”避雷针的结构示意图如图1所示。

图1 “系统3000”避雷针的结构示意图

球形外壳与中心接地杆之间由绝缘材料隔离，中间有3mm间隙，一个高阻的电感线圈把接闪体的外壳接地，使接闪体在静态时，表面电场相对平滑和电晕极小，当雷电先导靠近接闪体时（由于频率极高，线圈呈现开路状态），由于电容耦合作用。接闪体表面的电场迅速增加，3mm空气间隙被击穿，并触发雪崩过程，形成向上引流。

1.2.2 阻抗限流原理分析

冲击电流发生器能产生强大的雷电流或操作波，能较好地模拟雷电的放电回路。为此，通过分析冲击电流发生器的放电回路[8]，从而了解利用阻抗限流技术的避雷针的工作原理。冲击电流发生器的原理图如图2所示。

其工作原理是在比较长的时间内，脉冲电容组C被整流电源充电到电压UO，然后，调节球隙G的间距，使G击穿，在短时间内电容组C把所获得的能量释放给被测试品。

当球隙G击穿后，其放电回路可列出微分方程式：

图2 冲击电流发生器的原理图

这是一个一元二次微分方程，其放电电流i，根据L、C、R之间的关系，有三种情况。我们最关心是放电电流i的幅值Im和陡度，其计算结果如下：

由式（1）～式（7），可得出以下结论：

1）无论放电电流是周期性或是非周期性的，其放电电流的幅值Im都与C中的储能W、放电回路的电感L和放电回路的电阻R有关，且与储能W成正比，与电感L和电阻R成反比。

2）无论放电电流是周期性或是非周期性的，其放电电流的最大陡度都是一样，，只取决于C和L，与R无关。其陡度与充电电压成正比，与电感L成反比。

图3是加感抗前后冲击放电电流波形的变化图形（理论计算）。

图3 加感抗前后冲击放电电流波形的变化图

由此可知，通过增加回路中的感抗或阻抗，可以降低雷电流的幅度，特别是增加感抗后，还能降低雷电流的陡度。

采用阻抗限流技术的避雷针就是利用这一原理，在针中适当增加感抗和阻抗，以达到改善雷击电流波形即降低陡度、幅度的目的。

2 结束语

通过以上分析可知，采用先导放电技术的避雷针可引发上行雷闪，从而有效降低雷电流的幅度和陡度，并能有效防止侧击和绕击现象，采用阻抗限流技术的避雷针利用阻抗变化来达到降低雷电流的幅度和陡度。两者都能有效地弥补传统避雷针的不足，在实际应用中确实起到了加强防雷效果的目的。但是，也存在不足之处。如采用先导放电技术的避雷针，因其雷击放电属长间隙放电，其空间电荷、场强分布极不均匀，放电形式和过程非常复杂，而存在不能百分之百引发成功的问题。采用阻抗限流技术的避雷针，只能改变雷电流波形，而不能有效防止侧击和绕击现象。且在阻流消陡的同时，在避雷针上产生一个很高的电压，容易对周围的物体产生反击。因此，我们在实际应用时，应深入了解各种优化避雷针的性能及原理，根据其被保护物的要求以及使用场合和环境的不同进行合理选择。以致能够安全使用，实现优化避雷针的最佳防护效果。

[1] 徐燕飞.关于提前放电避雷针性能的分析和探讨[J].广东电力,2010,23（5）：12-15.

[2] 杨磊.提前放电避雷针放电特性冲击试验研究[J].四川气象,2007,27（3）： 31-36.

[3] 隋景和.主动式避雷针INDELEC在输电线路中的应用[J].煤矿机电,2014（3）100-103.

[4] 彭福先,熊启新,胡涛,等.自控防绕击避雷针电气和机械特性研究[J].江西电力, 2009,33（1）： 7-10.

[5] 孙燕燕,陈岳定,等.主动式提前预放电避雷针的应用[C].上海市电气工程设计研究会,2009年学术年会论文集：206-208.

[6]吕金煌,王宏其,黄金聪,等.可控放电避雷针在高压输电线路上的应用[J].高电压技术, 2003,29（11）： 59-60.

[7] Gold R H.雷电[M].北京：电力工业出版社,1982.

[8] 苏邦礼,崔秉球,吴望平,等.雷电与避雷工程[M].广州：中山大学出版社,1996.

2017-02-16）