电气设备的防雷保护优化设计

□王梓屹 熊卫卫

电能源是国民发展、人民生活不可或缺的主要能源。随着电力发展与在国民经济中的广泛应用，高电压自动化保护的要求与技术的完善成为目前最为迫切而亟需解决的问题。电力系统在正常工作时，系统中的用电设备在电网的额定电压下工作，处于正常运行状态下的电气设备和非电保护装置处于相互绝缘状态，但遭到雷击后电气设备的运行电压远超额定电压，对设备造成严重的破坏。并且在低电压系统中大部分造成不正常运行的事故是雷击事故。电力设备被雷电直接击中时，会产生很大的过电流和过电压，使设备不能满足动稳定和热稳定，给国民生活造成严重的危害。传统的避雷针在保护范围局限性日益突出，这主要是因为我国在低电压防雷保护设备应用相对较少，所以优化低电压的防雷保护迫在眉睫。在解决这一问题中，小电压系统防雷保护，特别是防雷针的优化设计成为一个重要的技术问题。

一、传统避雷针工作分析

在雷雨季节，天空中出现带电云团，携带大量电荷，导致避雷针被感应出大量电荷由于避雷针针头是尖状物，静电感应时总是在导体尖端最先聚集电荷，避雷针的电容器的两极板的正对面积很小，也就说所能储存的电荷较少，带电云团带负电荷，避雷针尖端被感应出正电荷，当电荷足够大时，电容所能储存的电荷又较小，导致避雷针与带电云团之间的空气较容易击穿形成雷电流，避雷针接地可将电荷导入大地，从而对电气设备进行保护。但这样只是诱导放电，保护范围始终有限。

避雷针保护半径与避雷针高度成明显的开口向下的抛物线，也就说，当避雷针有一定的高度之后，在继续增加避雷针高度，保护范围并不会增大，如果单纯地增加避雷针高度只会浪费材料而不能起到很好的扩大保护范围的功效。因此，不能简单地考虑增加避雷针的高度来增加避雷针的保护范围。

在设计思想上，首先需要对雷击过程进行简单的分析。雷雨云中平均场强大约为150KV/M，而当云团中的电荷密集处达到2,500～3,000KV/M，就会产生先导放电，大量研究和现实拍摄照片表明，雷电的先导放电并不是连续的，也就是说先导放电过程是走一段停一会，再走，每级长度为10～200M，平均25M，停歇的时间平均为50US，同样避雷针也由于感应出电荷也会有先导放电过程，当空中迎面先导与下行先导的一支相遇，产生了更强的电场，会出现高达数十到数百千安的电流，并伴随着雷鸣和闪光的出现，这便是主放电的形成，可以考虑在迎面先导与下行先导的一支做出改进，精准地让他们相遇并产生“中和”，这样完全可以让雷电准确地击中避雷针而不是电气设备，这样也能在避雷针不能明显增高时扩大保护范围。

二、新型避雷优化方法

传统避雷针的基础上增加一个主动接触装置。这个装置主动建立起发射高频脉冲的迎接信号，将先导放电直接作用于避雷针尖端，而不是单纯地诱导雷电流，这样做可迅速地捕获雷电所传播的先导放电以至更好捕获雷电流。

脉冲变压器是利用铁心的磁饱和特性将输入含有高次谐波的电压波形变成为输出窄脉冲波形的变压器，振荡器主要由电容器和电感器构成，通过电厂能和磁场能的相互转化进行对电压电流的调节，可以将脉冲变压器与振荡器相结合构成主动装置[1]，这样就可以严格控制主动装置所发出的频率，使频率更接近击穿空气的雷电流，拥有这样主动装置的避雷针可以在雷电的先导过程前对雷电的先导过程进行捕获，甚至可以将远离避雷针数十米乃至百米之外的雷电直接捕获到避雷针上，新型避雷针要比传统避雷针的保护范围更大。

传统避雷针只能对雷电流进行一次引发，这样的引发失败率也是极高的，但是利用主动装置中的振荡器可以多次对雷电流进行引发，多次引发成功几率要比单次大的多，振荡器的储能装置先储存电能储存足够多的时候将其转化为磁场能，使主动装置迅速恢复到接收电能状态继续对雷电的先导放电进行吸引，由于感应雷电荷较多，这样重复的过程频率较高，可数次对雷电流进行吸引，高频率保证整套装置的可靠性。

由脉冲变压器将雷电流转化，进过单项二极管进入振荡器，当电容器两端的临界电压高于U电容发出能量流入电感L，进行电厂能和磁场能的转化，之后流入大地，并不用担心振荡器的电流反向流出因为在入口处的二极管单向导电，R0又能很好地保护二极管，可是当雷电流入时设备的热稳定面临挑战，具体表现为温度使设备的电阻升高所以要在模拟时加入可变电阻以模拟这一实况环境。所以LC振荡电路计算结果如下：

根据杨磊关于提前放电避雷针放电特性冲击试验所提出的理论[2]，

其特征根

式中：α=R/2L成为衰减系数；ω0=1/LC成为固有震荡角频率分为几种不同情况讨论：

在欠阻尼情况下其特征根为

成为阻尼震荡角频率。微分方程通解为uc(t)=Ae-αsin(ωdt+φ)。所以，响应随着时间变化具有衰减的震荡特性。

同理，在临界阻尼情况下响应是非震荡衰减的。在过阻尼情况下响应为uc(t)随时间按指数规律衰减，为非震荡。

三、结语

通过引诱雷击过程先导放电的过程分析，在传统避雷针追加主动装置以及分多条件进行的数据分析，证明拥有主动装置的避雷针可行性极高，其防雷效果要比传统避雷针保护范围、效果要好。随着不同应用场所对于避雷要求日趋严格，需要保护的设备越来越精密，这种拥有主动装置的避雷针优化技术会得到更广泛的应用。